Praktyczne zastosowania technologii 5G w automatyce przemysłowej

Komunikacja bezprzewodowa staje się coraz ważniejsza w komunikacji automatyki przemysłowej. Obecnie komunikacja komórkowa piątej generacji (5G) powszechnie uznawana jest za kluczową technologię bezprzewodową, która przyczyni się do rozwoju czwartej rewolucji przemysłowej - zwanej przemysłem 4.0 lub przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT). Niektóre źródła sugerują nawet, że technologia 5G będzie kluczem do wszechobecności konsumenckich i innych nieprzemysłowych instalacji Internetu rzeczy (IoT) w dużej mierze dlatego, że ułatwia ona połączenie ogromnej liczby urządzeń, niezależnie od tego, gdzie te urządzenia się znajdują.

Ilustracja 1: Projekt partnerski trzeciej generacji (3GPP) zrzesza organizacje zajmujące się standardami telekomunikacyjnymi w celu zapewnienia jak największej wzajemnej i wstecznej kompatybilności technologii telekomunikacji komórkowej. (Źródło logo: 3GPP)

Ale czy technologia 5G zastąpi obecnie funkcjonujące standardy bezprzewodowe? Czy 5G zacznie przewyższać WiFi, Bluetooth i IEEE 802.15.4 w zastosowaniach, w których te inne technologie są obecnie wiodące? A może 5G to po prostu ulepszona technologia dla nielicznych zautomatyzowanych zastosowań, w których wykorzystywane są starsze technologie komórkowe? Jakie są zalety wydajności 5G i w jakim stopniu można je już wykorzystać?

Aby zrozumieć odpowiedzi na te pytania, należy najpierw zastanowić się, czym 5G różni się od innych rodzajów komunikacji komórkowej i niekomórkowej. 5G - obecnie wdrażane w telefonii komórkowej i sieciach przemysłowych - opiera się na poprzednich generacjach cyfrowej technologii komórkowej 2G, 3G i 4G. Nigdy nie było 1G, ponieważ prekursorem 2G była analogowa technologia telefonii bezprzewodowej, mająca niewiele wspólnego z dzisiejszymi sieciami. Wraz z 2G pojawiła się pierwsza technologia cyfrowa oraz szyfrowana komunikacja telefoniczna i krótka wiadomość tekstowa (SMS). Standardy globalnego systemu komunikacji mobilnej (GSM) definiują sieci z komutacją łączy 2G umożliwiające połączenia głosowe w trybie full-duplex. Z biegiem lat sieci 2G zostały wzbogacone o pierwszą usługę General Packet Radio Service (GPRS), a następnie Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). GRPS i EDGE umożliwiły transmisję pakietów danych ogólnego przeznaczenia dla łączności internetowej z coraz większą szybkością transmisji, dlatego sieci z tymi możliwościami czasami nazywane są odpowiednio technologiami 2.5G i 2.75G.

3G jeszcze bardziej poprawiło szybkość przesyłania danych - do tego stopnia, że możliwe było prowadzenie rozmów wideo. Powiązane standardy obejmują CDMA2000 i różne formy High-Speed Packet Access (HSPA).

Następnie przyszła kolej na 4G i jeszcze większe prędkości przesyłu danych dzięki standardom Long Term Evolution (LTE) i WiMax, które wykorzystują transmisje typu multiple-input and multiple-output (MIMO).

5G rozwinęło się z 4G, a pierwsze komercyjnie dostępne produkty sieciowe 5G pojawiły się pod koniec 2018 r. Aby zapoznać się z historyczną perspektywą tego rozwoju, przeczytaj artykuł firmy DigiKey z 2016 r.: Jak technologia 5G zmieni przemysłowy Internet rzeczy. Największe zainteresowanie użytkowników prywatnych i komercyjnych budzi fakt, że sieci 5G muszą być w stanie obsługiwać szybkość transmisji danych rzędu kilkudziesięciu Mb/s dla dziesiątek tysięcy użytkowników. Muszą też być w stanie zapewnić połączenie o przepustowości 1Gbit/s dla kilkudziesięciu osób w danym biurze.

Inne cechy 5G, które są najbardziej istotne dla aplikacji automatyki przemysłowej. Dokładniej rzecz ujmując, sieci 5G muszą umożliwiać setki tysięcy jednoczesnych połączeń przy bardzo niskiej latencji i wysoce niezawodnym zasięgu. Cechy te są kluczowe dla masowego wdrażania czujników związanych z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT) i aplikacjami kontroli maszyn.

Przeczytaj powiązany artykuł firmy DigiKey: Technologia 5G nie zapewnia obecnie wszystkiego, co obiecuje

Widmo i transmisja danych na falach milimetrowych

Jednym z zastrzeżeń jest to, że rozprzestrzenianie się połączonych urządzeń w sieciach komórkowych niesie ze sobą zagrożenie niedoboru widma. Ogólnie rzecz biorąc, pasma o niższej częstotliwości zapewniają większy zasięg, podczas gdy pasma o wyższej częstotliwości umożliwiają większą liczbę połączeń na małym obszarze. Przykład: standard 1G AMPS wykorzystywał pasmo 800MHz, podczas gdy standard 2G GSM początkowo wykorzystywał częstotliwość 1900MHz. Wiele telefonów GSM obsługuje dziś trzy lub cztery różne pasma, aby umożliwić międzynarodowe wykorzystanie, a obecne sieci komórkowe działają w paśmie między 700MHz a 2,6GHz. Jednak w miarę jak Internet rzeczy (IoT) zwiększa liczbę urządzeń łączących się z sieciami komórkowymi, maleje widmo dostępne w tych istniejących pasmach częstotliwości. Dlatego też 5G zaczęło wkraczać na wyższe częstotliwości, takie jak 6GHz, a nawet tak zwane częstotliwości fal milimetrowych powyżej 24GHz - w tym 28GHz i 38GHz.

Ilustracja 2: szybkie połączenia Sliver obsługują transmisję danych z prędkością 25Gbps oraz aplikacje 5G AAS, w tym przełączanie i routing w ośrodkach przetwarzania danych i telekomunikacji. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Częstotliwości komunikacji na falach milimetrowych umożliwiają uzyskanie znacznie większej szerokości pasma i bardzo dużej liczby połączeń. Wadą jest to, że transmisja danych na tych częstotliwościach może wykazywać ograniczony zasięg i drastyczne rozpraszanie podczas przechodzenia przez obiekty stałe. W rzeczywistości, łączność na falach milimetrowych może wykazywać mniejsze tłumienie niż na innych częstotliwościach w suchym powietrzu - ale na łączność tę bardzo duży wpływ ma deszcz.

Jednym z rozwiązań pozwalających wykorzystać lepszą szerokość pasma wspomnianych wyższych częstotliwości (ale uniknąć problemów z zasięgiem) jest kształtowanie wiązki. Dzięki tej technice skupiona wiązka komunikacyjna kierowana jest na konkretny cel, a nie po prostu nadawana we wszystkich kierunkach. Kształtowanie wiązki może wkrótce dać komunikacji na falach milimetrowych zasięg niższych częstotliwości, które obecnie są częściej używane - nawet przy minimalizacji zakłóceń komunikacji.

Standard 5G New Radio (NR) tworzony jest w celu określenia technologii dostępu radiowego dla 5G. Obejmuje on dwa zakresy częstotliwości. Zakres częstotliwości nr 1 jest poniżej 6GHz, a zakres częstotliwości nr 2 jest w zakresie fal milimetrowych od 24GHz do 100GHz.

Masowa łączność przy użyciu 5G w automatyce

Zwiększenie częstotliwości w celu uzyskania większego zakresu widma będzie stanowić część rozwiązania umożliwiającego masową łączność niezbędną do pełnej realizacji obietnic Internetu rzeczy (IoT), takich jak znacznie większa gęstość czujników. Dlatego też prawdopodobnie nastąpi szybka poprawa w zakresie liczby urządzeń, które będą mogły łączyć się z sieciami 5G, w miarę jak będą one wprowadzane na rynek.

Fala milimetrowa 5G jest w stanie obsłużyć milion połączeń urządzeń na kilometr kwadratowy, ale do osiągnięcia tego celu będzie wymagać wąskopasmowego Internetu rzeczy (Narrowband Internet of Things - NB-IoT).

Wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) jest technologią o niskim poborze mocy skoncentrowaną na zasięgu wewnątrz budynków dla urządzeń o niskim koszcie i poborze mocy. Obecna łączność wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) jest daleka od miliona urządzeń, a komórki obsługują obecnie 10 tysięcy urządzeń. Długoterminowa ewolucja dla maszyn (Long Term Evolution for Machines LTE-M) jest kolejną technologią o niskim poborze mocy, która zapewnia większą szybkość transmisji danych i mniejsze opóźnienia niż wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT), ale przy większym koszcie urządzenia i poborze mocy. Innym rozwiązaniem będą mniejsze komórki, zwłaszcza w obszarach o dużym zapotrzebowaniu.

Latencja 5G: opublikowane wartości i rzeczywista wydajność

Założeniem 5G jest osiągnięcie latencji poniżej 1ms, jednak ta specyfikacja nie jest osiągana przez większość czasu. W rzeczywistości, przy niskim poborze mocy, latencja technologii wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) wynosi około jednej sekundy przy normalnym zasięgu, wzrastając do kilku sekund przy rozszerzonym zasięgu. W przypadku długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) latencja jest nieco lepsza, około 100ms w normalnym zakresie, ale nadal nie jest to wartość zbliżona do 1ms wymaganej w zastosowaniach sterowania w czasie rzeczywistym.

Ilustracja 3: różne formy 5G, które szybko przyjęły się na świecie. (Źródło ilustracji: Design World)

Osiągnięcie opóźnienia poniżej 1ms przy scentralizowanej sieci jest niemożliwe, ponieważ podróż sygnału w obie strony może trwać od 50 do 100ms. Rozwiązaniem tego problemu jest wykonanie przetwarzania wewnątrz ogniwa, jednak to wymaga serwerów na poziomie komórkowym. Jest to uproszczenie, ponieważ w miarę przemieszczania się podłączonych urządzeń pomiędzy komórkami - tak jak w pojazdach autonomicznych - musi być zachowana ciągłość sterowania i koordynacji. To z kolei wymaga kombinacji rozproszonego i scentralizowanego sterowania w obrębie sieci. Małe komórki mogą również pomóc w zmniejszeniu latencji.

Inną metodą stosowaną w 5G w celu zmniejszenia opóźnień jest tzw. krojenie sieci (ang. network slicing). W tym przypadku pasmo sieciowe podzielone jest na pasy, które są indywidualnie zarządzane tak, że niektóre zarezerwowane są dla transmisji o niskiej latencji poprzez utrzymywanie ruchu na tych pasach na niższym poziomie. Zastosowania sterowania przemysłowego, które wymagają tej możliwości, mogą zatem korzystać z tych zarezerwowanych pasów.

Obecne sieci 5G osiągają latencję poniżej 30ms, jednak 1ms wymagana do sterowania w czasie rzeczywistym to jeszcze daleka przyszłość.

Inne zalety 5G: niskie zużycie energii i wysoka niezawodność

Zastosowanie mniejszych komórek w naturalny sposób zmniejsza zużycie energii, ale zostanie to nieco zniwelowane przez większą liczbę urządzeń. Inteligentniejsze zarządzanie energią również odegra rolę w zmniejszeniu zużycia energii w sieciach 5G. Wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) umożliwi ponad 10-letnią żywotność baterii w wielu urządzeniach, przy zasięgu 10km.

Zasięg o większej niezawodności to kolejna zaleta technologii 5G. Technologia 5G jest szybko wprowadzana na rynek. Sieci wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) i długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) są już dostępne na dużej części globu. Dostępność zarezerwowanych pasów o niskiej latencji jest na tym etapie nieco mniej oczywista.

Alternatywna, niekomórkowa łączność bezprzewodowa

Technologie komórkowe 5G nie są jedynym sposobem na bezprzewodowe połączenie urządzeń przemysłowych. Alternatywne rozwiązania obejmują technologie oparte na WiFi, Bluetooth i IEEE 802.15.4.

Latencja w technologii WiFi wynosi zwykle 20 do 40ms i występują pewne problemy ze stabilnością połączenia - co oznacza, że technologia ta nie jest powszechnie używana w zastosowaniach sterowania i automatyki przemysłowej. Obecnie jest ona jednak wykorzystywana do monitorowania stanu maszyn, czujników ruchu i skanerów kodów kreskowych. Technologia IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) działa na częstotliwości około 900MHz dla zasięgu do 1km przy bardzo niskim zużyciu energii. Dzięki temu sieci te są konkurencyjne w stosunku do technologii 5G specyficznych dla Internetu rzeczy (IoT), choć nie dorównują jej pod względem niskiej latencji i dużej gęstości czujników.

Technologia Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) zapewnia tanią i energooszczędną łączność, z ograniczoną prędkością i zasięgiem, ale koncentruje się na urządzeniach powszechnego użytku. Technologie oparte na IEEE 802.15.4 również przedkładają niskie koszty i niską moc nad szybkość i zasięg. Szybkość wynosi zaledwie 250kbit/s, a zasięg zaledwie 10m. Jednakże, ze względu na obsługę topologii sieci kratowych, sieci te mogą być rozszerzone poza 10m pod warunkiem, że żadne urządzenie nie znajduje się dalej niż 10m od innego urządzenia w sieci. Wiele tanich urządzeń Internetu rzeczy (IoT) wykorzystuje technologie takie jak 6LoWPAN, WirelessHART, czy ZigBee. WirelessHART, technologia najbardziej ukierunkowana na przemysł, wspierana jest przez wiele organizacji przemysłowych, w tym ABB, Siemens, Fieldbus Foundation i Profibus.

Podsumowanie

5G należy traktować jako grupę technologii. Imponujące parametry działania - w tym bardzo duża szerokość pasma, ogromne zagęszczenie czujników i bardzo mała latencja - nie są jednocześnie możliwe do osiągnięcia w żadnej pojedynczej technologii. Oznacza to, że najważniejsze wdrożenia 5G w automatyce przemysłowej nie pojawią się po prostu w momencie, gdy usługi sieci komórkowej 5G staną się wszechobecne. Duża gęstość czujników w zautomatyzowanych instalacjach będzie wymagać technologii specyficznych dla Internetu rzeczy (IoT), takich jak wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) i długoterminowa ewolucja dla maszyn (LTE-M). Dobra wiadomość jest taka, że takie technologie są już wprowadzane i stają się coraz bardziej dostępne w krajach rozwiniętych, jak również w krajach rozwijających się. Inżynierowie mogą spodziewać się stałego wzrostu możliwości sieci 5G w nadchodzących latach.

Wideo: czego można się spodziewać po 5G

Wykorzystanie sieci 5G do zastosowań sterowania wymagających bardzo niskiej latencji jest jeszcze nieco odległe. Technologie niskiego poboru mocy, takie jak NB-IoT i LTE-M 5G (a zwłaszcza adaptacje specyficzne dla Internetu rzeczy (IoT)) odegrają znaczącą rolę w realizacji przemysłu 4.0 i sprawią, że maszyny staną się inteligentniejsze, fabryki bardziej elastyczne, a procesy mniej marnotrawne. Oczywiście, technologia 5G będzie nadal konkurować z niekomórkowymi technologiami opartymi na WiFi, Bluetooth i IEEE 802.15.4. Ostatecznie, wszystko to przyczyni się do zwiększenia wydajności automatyki.

Krótko mówiąc, technologia 5G oraz inne formy bezpiecznej i elastycznej łączności bezprzewodowej umożliwią zagęszczenie czujników wymagane do analizy dużych zbiorów danych, aby w pełni scharakteryzować procesy produkcyjne, zoptymalizować programy konserwacji, skoordynować przepływ materiałów i umożliwić współpracę autonomicznych robotów.