5G 對(duì)工業(yè)應(yīng)用有哪些益處？

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

5G 對(duì)工業(yè)應(yīng)用有哪些益處？

首批 5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)正如人們期待的那樣已經(jīng)于 2018 年底推出，目前，在全球范圍內(nèi)，這項(xiàng)革命性技術(shù)的推出步伐正在加快，大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)為其市場(chǎng)提供了一定程度的 5G 服務(wù)。長(zhǎng)期以來(lái)，工業(yè)制造領(lǐng)域一直被認(rèn)為是 5G 技術(shù)的潛在采用行業(yè)和用戶，這主要是基于其低延遲屬性，可提供實(shí)時(shí)自動(dòng)化和控制應(yīng)用所需的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)水平。在本文中，我們?cè)诠I(yè)自動(dòng)化 (IA) 的應(yīng)用環(huán)境下展望一下 5G應(yīng)用，考慮一些新興應(yīng)用，并討論一下目前的現(xiàn)實(shí)是否達(dá)到了5G炒作的程度。

工業(yè)制造領(lǐng)域的主要趨勢(shì)

工業(yè) 4.0 或第四次工業(yè)革命的概念最初是由德國(guó)政府提出，它旨在通過(guò)將德國(guó)制造的機(jī)械和設(shè)備出口到競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的工業(yè)市場(chǎng)來(lái)支持其GDP 增長(zhǎng)，并認(rèn)為未來(lái)的工業(yè)領(lǐng)域是一個(gè)以全球化、城市化、個(gè)性化和人口等變化不斷增大為特征的市場(chǎng)。

最近持續(xù)的新冠大流行和隨之而來(lái)的劇變放大了這些趨勢(shì)，更凸顯了運(yùn)營(yíng)靈活性的重要，并導(dǎo)致制造商加速對(duì)數(shù)字技術(shù)的依賴和投資。

工業(yè) 4.0 的核心是智能工廠，它能夠利用靈活、模塊化和多功能的生產(chǎn)技術(shù)來(lái)提高效率，同時(shí)保持產(chǎn)量和質(zhì)量（圖 1）。智能工廠以靈活的流程取代了傳統(tǒng)的靜態(tài)、順序化生產(chǎn)系統(tǒng)，它是將人類專業(yè)知識(shí)與機(jī)器人技術(shù)、人工智能 (AI)、量子計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、5G 無(wú)線技術(shù)和 3D 打印等新興技術(shù)有機(jī)結(jié)合。

圖1：工業(yè)4.0是基于智能工廠，（來(lái)源：Deloitte（德勤））

許多工廠都受制于是否存在現(xiàn)成的有線網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)往往使用工業(yè)以太網(wǎng)、Profinet 和 CANbus 等通信協(xié)議來(lái)連接自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器。這些有線連接解決方案會(huì)導(dǎo)致相對(duì)不靈活的控制架構(gòu)，即使對(duì)生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行很小的修改也可能意味著非常耗時(shí)且成本昂貴的工廠重新配置。工業(yè) 4.0 需要強(qiáng)大而高效的無(wú)線通信來(lái)滿足智能工廠在延遲、可用性、抖動(dòng)和確定性等方面的要求。工業(yè)4.0需要5G！

強(qiáng)大的5G使智能工廠成為可能

多樣化和異構(gòu)的制造環(huán)境包含廣泛的自動(dòng)化應(yīng)用范例，具體分為 5 類：

●工廠自動(dòng)化

●過(guò)程自動(dòng)化

●人機(jī)界面 (HMI) 和生產(chǎn) IT

●物流倉(cāng)儲(chǔ)

●監(jiān)控和預(yù)防性維護(hù)

其中許多用例需要實(shí)時(shí)響應(yīng)和低延遲，而前幾代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法提供這些。此外，工廠車(chē)間是一個(gè)極其嚴(yán)苛的操作環(huán)境，較高的電氣噪聲和干擾對(duì)許多以前的無(wú)線通信技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)，而5G更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能（圖 2）可用于解決其中一些問(wèn)題，提高系統(tǒng)效率和靈活性。

圖 2：5G 的網(wǎng)絡(luò)功能支持廣泛的工業(yè)用例。（來(lái)源：5GACIA）

監(jiān)控是自動(dòng)化工廠中的一項(xiàng)關(guān)鍵功能，5G 的大規(guī)模機(jī)器類型通信 (mMTC) 功能非常適合大型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 的要求，這種網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)量巨大的連接設(shè)備，更長(zhǎng)的電池壽命(因此要求低功率通信）是避免耗時(shí)維護(hù)的關(guān)鍵特性要求。

運(yùn)動(dòng)控制和工業(yè)機(jī)器人需要精確和實(shí)時(shí)的響應(yīng)能力，而這些則推動(dòng)了（有線）工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 發(fā)展趨勢(shì)。憑借其可靠性和超低延遲，5G 的超可靠低延遲通信 (URLCC) 現(xiàn)在可為這些應(yīng)用提供一種可行的無(wú)線替代方案，并支持云機(jī)器人。

虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和人工智能 (VR/AR/AI) 是工廠環(huán)境中使用越來(lái)越多的三種相關(guān)技術(shù)，特別是在產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)、培訓(xùn)和維護(hù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。 5G 的高吞吐量和低延遲能夠?qū)崿F(xiàn)真正的云端邊緣處理，而那些高耗能的密集型計(jì)算可以在云端進(jìn)行，通過(guò)使用連接在“邊緣”的不太復(fù)雜、成本更低設(shè)備（在工廠車(chē)間）完成。

5G實(shí)施的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

5G實(shí)施并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。為了保護(hù)先前的投資，5G 項(xiàng)目必須無(wú)縫集成到現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施。室內(nèi)覆蓋從來(lái)都不是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商 (MNO) 的優(yōu)先事項(xiàng)，而 5G 頻率的傳播特性使情況變得更糟，尤其是現(xiàn)在的工廠存在極具挑戰(zhàn)性的射頻 (RF) 環(huán)境。

Open-RAN 技術(shù)的發(fā)展正在降低 5G 無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò) (5G RAN) 的擁有成本，使非公共網(wǎng)絡(luò) (NPN) 部署成為企業(yè)的現(xiàn)實(shí)選擇，無(wú)論是直接部署還是通過(guò)越來(lái)越多的專業(yè)系統(tǒng)部署集成商。世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)都認(rèn)識(shí)到 NPN 在 5G 部署中的重要性，并正在為喜歡這種選擇的機(jī)構(gòu)提供專用的高性價(jià)比頻譜。

NPN 可設(shè)計(jì)為滿足工廠的某些特定運(yùn)營(yíng)需求，但也可以在 NPN 和 MNO 的 5G 網(wǎng)絡(luò)之間混合和匹配網(wǎng)絡(luò)功能（圖 3）。例如，NPN能夠與公共網(wǎng)絡(luò)完全隔離，但可以與其共享RAN，它還可以共享 RAN 和控制平面功能，或者在某些情況下，完全由 MNO 托管。

圖 3：與公共網(wǎng)絡(luò)共享 RAN 是 4 個(gè) NPN 部署選項(xiàng)之一。（來(lái)源：5G-ACIA）

結(jié)論

工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化水平的提高催生了對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)功能的需求，隨著生產(chǎn)周期縮短，制造商需要管理定制需求和預(yù)期的上市速度，5G 在不影響吞吐量或響應(yīng)能力的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線部署的靈活性。

如需了解更多關(guān)于5G的信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)貿(mào)澤電子的“Empowering Innovation Together（一起推動(dòng)創(chuàng)新）”網(wǎng)站： https://www.mouser.com/empowering-innovation/5G。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)應(yīng)用 人工智能 能夠?qū)崿F(xiàn) 解決方案 預(yù)防性維護(hù)