OBRÁZEK 1: Tři charakteristiky komunikace 5G s praktickými aplikacemi. Všechny obrázky poskytla společnost Yokogawa OBRÁZEK 1: Tři charakteristiky komunikace 5G s praktickými aplikacemi. Všechny obrázky poskytla společnost Yokogawa

Sítě 5G přicházejí jako pokročilá bezdrátová technologie vhodná pro požadavky průmyslových procesů, nepříznivé podmínky a lepší připojení.

Bezdrátová komunikace, včetně 5G, se využívá v celém procesním průmyslu a přispívá k efektivnímu provozu závodu. Spolehlivým standardem průmyslového bezdrátového připojení je například ISA100.11a. Zařízení kompatibilní se standardem ISA100 se používají v široké škále aplikací od monitorování procesů až po řízení v uzavřené smyčce. Bezdrátové sítě s nízkou spotřebou energie a velkým dosahem (Low-Power, Wide-Area – LPWA) se používají v aplikacích monitorování výrobních prostředků a vyznačují se řadou metod úspory energie a komunikací na velké vzdálenosti. Bezdrátová komunikace se ve výrobním provozu využívá k připojení mobilních zařízení, jako jsou telefony a tablety, které umožňují zvýšit efektivitu práce ve výrobě.

Procesní průmysl a další výrobní odvětví zavádějí digitální technologie, aby ještě více zvýšily produktivitu. Bezdrátová komunikace, jež poskytuje připojení bez ohledu na místo, je jako základní technologie stále důležitější. Nároky na bezdrátovou komunikaci, která by splňovala požadavky v různých aplikacích, jsou stále náročnější. Pro podporu pracovníků v provozu je třeba zajistit spolehlivé připojení v celém závodě. Přesnější ovládání mobilních robotů vyžaduje spolehlivost a interakci v reálném čase. Aby bylo možné dosáhnout autonomního provozu závodu s využitím umělé inteligence (AI), jsou v provozu rozmístěny četné senzory. K propojení těchto senzorů, získávání velkého množství dat a jejich přenosu do analytických systémů na bázi umělé inteligence je zapotřebí vysokokapacitní komunikace.

Sítě 5G přicházejí jako pokročilá bezdrátová technologie, jež je vhodná pro požadavky průmyslových procesů. Technologie 5G a příklady jejího použití poukazují na nové příležitosti.

Přehled komunikace 5G

Síť 5G je pátou generací mobilních komunikačních systémů a následuje nedávné generace 3G a 4G/LTE. Zatímco tyto generace byly vyvinuty spíše pro osobní komunikační služby, 5G se má používat také jako síťová infrastruktura pro internet věcí (IoT), který propojí všechna zařízení a předměty každodenního života a ve výrobě i v dalších odvětvích.

Jak je znázorněno na obrázku 1, sektor radiokomunikací Mezinárodní telekomunikační unie (ITU-R) definuje tři charakteristiky komunikace sítí 5G: rozšířené mobilní širokopásmové připojení, vysoce spolehlivá komunikace s nízkou latencí a rozsáhlá komunikace mezi stroji. V následujících částech jsou popsány požadavky na výkon pro jednotlivé charakteristiky komunikace. Není nutné splňovat všechny požadavky, jako je například současné připojení 1 milionu terminálů s vysokorychlostní komunikací 20 Gb/s.

1. Rozšířené mobilní širokopásmové připojení: Sítě 5G se zaměřují na zvýšení datové propustnosti širokopásmové bezdrátové komunikace, která již byla v předchozích generacích vylepšena. Typickým příkladem aplikací, které tuto charakteristiku využívají, jsou širokopásmové služby pro chytré telefony a další mobilní terminály. K požadavkům patří komunikační rychlost až 20 Gb/s a stabilní šířka komunikačního pásma přibližně 100 Mb/s pro uživatele v určité oblasti.

2. Vysoce spolehlivá komunikace s nízkou latencí: Cílem sítí 5G je vysoká spolehlivost a nízká latence, což umožňuje bezdrátovou komunikaci v reálném čase. Tato charakteristika je určena pro kritické průmyslové aplikace, jako je řízení výroby, vzdálená chirurgie a chytré rozvodné sítě. Mezi požadavky patří latence při přenosu vzduchem 1 ms nebo méně a úspěšnost příjmu paketů 99,999 % nebo vyšší.

3. Rozsáhlá komunikace mezi stroji propojuje mnoho terminálů s malým objemem komunikace současně. Předpokládají se aplikace s velkým počtem levných, bateriově napájených zařízení, jako jsou senzory internetu věcí. Mezi požadavky patří schopnost pojmout více než milion terminálů na km2 a vynikající energetická úspornost provozu na baterie po dobu více než 10 let.

Exkluzivní využití spektra 5G

Většina stávajících bezdrátových komunikačních technologií, jako je Wi-Fi a ISA100.11a, využívá bezlicenční spektrum (např. pásmo 2,4 GHz), které nevyžaduje, aby uživatelé získali licenci. Toto bezlicenční spektrum se používá k různým účelům s neomezeným počtem uživatelů. Existuje však riziko rušení jinými bezdrátovými systémy na stejné frekvenci. Na druhou stranu 5G a další mobilní komunikační systémy často využívají licencované spektrum, které mohou využívat pouze držitelé licence a které je méně náchylné k rádiovému rušení jinými systémy. Tím je zajištěna spolehlivější bezdrátová komunikace. Vzhledem k tomu, že spolehlivost komunikace je v průmyslových aplikacích klíčová, je exkluzivní využití spektra rozdílem mezi 5G a bezdrátovými technologiemi v bezlicenčním spektru. Frekvenční pásma přidělovaná pro 5G se v jednotlivých zemích a regionech liší, ale očekává se, že budou využívána pásma „sub-6“ a milimetrové vlny:

  • Sub-6 (pod 6 GHz): Toto frekvenční pásmo má vynikající rovnováhu mezi plochou pokrytí a komunikační kapacitou. V některých zemích jsou přidělena pásma 3,7 GHz a 4,5 GHz.
  • Milimetrové vlny (24 GHz a vyšší): Vzhledem k vysoké směrovosti nemůže tato vysokofrekvenční rádiová vlna snadno obcházet překážky, ale může poskytnout vyšší komunikační kapacitu s využitím široké šířky pásma. V zemích, jako je Japonsko, bylo přiděleno pásmo 28 GHz. 

Provozování místních soukromých sítí 5G

Stávající mobilní komunikační systémy byly navrženy tak, aby poskytovaly komunikační služby v širokém rozsahu v rámci celostátní sítě vybudované operátory mobilních sítí. Očekává se, že 5G umožní netelekomunikačním operátorům budovat a provozovat soukromé sítě v omezených oblastech. Privátní sítě mohou přizpůsobit výkon komunikace v závislosti na aplikaci a jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují vysokou bezpečnost a stabilitu, protože jsou nezávislé na ostatních sítích a uživatelích. 

Pět případů použití v procesu

Ve výrobních odvětvích se požadavky na komunikaci liší podle provozních aplikací, jako je vzdálené monitorování výrobních prostředků, monitorování a řízení procesů, připojení mobilních terminálů pro provozní pracovníky a provoz mobilních robotů. Jak již bylo vysvětleno, očekává se, že síť 5G bude využívána jako bezdrátová infrastruktura, která umožní zavedení různých bezdrátových aplikací v závodě. Kromě toho se vyvíjejí aplikace, které co nejlépe využívají komunikační charakteristiky sítí 5G, aby podpořily digitalizované vzdálené operace ve výrobě. Obrázek 2 ukazuje možné případy použití sítě 5G v závodě.

CTL2208 MAG2 F2 Wireless 5G Yokogawa Fig2 5G UsesInPlantsOBRÁZEK 2: Mezi potenciální způsoby použití sítě 5G v závodech patří podpora mobilních zařízení, vzdálené monitorování, cloudová robotika, bezdrátové/cloudové řídicí systémy a připojení pokročilých senzorů pro optimalizaci digitálního dvojčete

1. Podpora činností na místě s mobilními zařízeními:

Mobilní zařízení jsou nasazována za účelem zvýšení efektivity práce na místě, jako jsou obchůzky a kontroly zařízení závodu. Současná omezení pokrytí sítě a šířky pásma v provozu představují omezení pro aplikace pracovní podpory prostřednictvím bezdrátové komunikace. Sítě 5G umožní širokopásmovou bezdrátovou komunikaci kdekoli v závodě s vyšší rychlostí a nižší latencí.

Rozšířená realita (AR) je jedním z případů využití rozšířeného mobilního širokopásmového připojení 5G. Přestože vyžaduje velké množství dat, může rozšířená realita nabídnout intuitivní řešení překrytím obrazu ve vysokém rozlišení na zařízení, na němž se pracuje, a jejich společným zobrazením na tabletech nebo nositelných terminálech pracovníků v reálném čase. Provozní pracovníci mohou obsluhovat cílové zařízení a přitom se řídit pracovními postupy na překryvné vrstvě nebo sdílet živý obraz v reálném čase s kvalifikovanými pracovníky na vzdáleném místě a získat konkrétní rady. Od tohoto případu použití se očekává nejen zvýšení efektivity, spolehlivosti a bezpečnosti práce v provozu, ale také efektivnější přenos dovedností prostřednictvím praxe.

2. Vzdálené monitorování s obrazem ve vysokém rozlišení:

Síť 5G má větší schopnosti než předchozí generace 4G/LTE, zejména při komunikaci s odesíláním dat. Umožňuje v reálném čase přenášet videa ve vysokém rozlišení 4K nebo vyšším. Jedním z možných případů použití v závodech je vzdálené monitorování pomocí bezdrátových kamer. Pokud je rozlišení obrazu dostatečně vysoké, aby bylo možné rozlišit jemnou změnu barvy povrchu kapaliny nebo korozi potrubí, lze vizuální kontrolu provádět na dálku. Snímky s vysokým rozlišením lze také použít jako vstupy pro analytiku na bázi umělé inteligence, která může automaticky detekovat abnormální podmínky, jako je vniknutí neoprávněné osoby nebo požár.

3. Cloudová robotika:

S klesajícím počtem lidských pracovníků se od mobilních robotů očekává, že zajistí bezpečný a spolehlivý provoz továren. Roboty se pohybují autonomně po celém závodě a namísto pracovníků vykonávají úkoly, jako jsou inspekční obchůzky v nebezpečných oblastech. Drony mohou pracovat ve výškách, které by pro lidské pracovníky byly rizikové. „Cloudová robotika“ se stává slibnou technologií. Vzhledem k tomu, že funkce řízení v cloudu není omezena výpočetním výkonem robotu, lze nasadit pokročilé řídicí funkce.

Díky využití vysoké rychlosti a velké kapacity umožní síť 5G mobilním robotům bezdrátové připojení k řídicí funkci v cloudu v reálném čase. Využitím rozsáhlých výpočetních zdrojů dostupných v cloudu a zpracováním velkého množství dat ze senzorů, jako jsou snímky z kamer a údaje o poloze robotu v reálném čase, bude možné provádět přesnější situační analýzu a řízení. Vysoce spolehlivou komunikaci s nízkou latencí, kterou poskytuje síť 5G, lze využít pro naléhavou a časově senzitivní komunikaci, aby se zabránilo incidentům, jako jsou kolize mezi roboty a mobilními procesními jednotkami.

CTL2208 MAG2 F2 Wireless 5G Yokogawa Fig3 5G IndustrialUseCasesOBRÁZEK 3: Konfigurace testu ověření koncepce využívá nové algoritmy a síť 5G k řešení náročných problémů pokročilého řízení procesů

4. Bezdrátové/cloudové řízení:

Pomocí stávajících bezdrátových technologií nelze dosáhnout současně vysoké spolehlivosti a nízké latence, ale bude to možné díky technologii 5G. Proto je možné síť 5G používat i v kritických aplikacích. Příkladem aplikace je připojení části sítě distribuovaného řídicího systému (DCS) bezdrátově, aby se snížily náklady na instalaci a údržbu komunikačních kabelů na rozsáhlém území. Monitorovací body lze přidávat a upravovat bez nutnosti manipulace se síťovými kabely.

Pokud síť 5G zajistí vysoce spolehlivou komunikaci s nízkou latencí mezi zařízeními v provozu a cloudem, bude možné umístit řídicí jednotku a další funkce DCS do cloudu a zachovat výkon pro kritické nasazení. Očekává se, že síť 5G se bude využívat společně s vícepřístupovým edge computingem (Multi-Access Edge Computing – MEC), což v síti vytvoří výpočetní platformu s nízkou latencí. Pokud jsou řídicí aplikace implementovány na platformě MEC, mohou umožnit cloudové řídicí služby, které plně využívají vysokou spolehlivost a nízkou latenci sítě 5G, aniž by potřebovaly internet nebo jiné sítě.

5. Připojení senzorů pro digitální dvojče:

Digitální dvojče je digitálním protějškem skutečného závodu v kyberprostoru a může pomoci při digitální transformaci provozu závodu. Aplikace nejsou omezeny na statické digitální informace o návrhu závodu. Digitální dvojče odráží skutečné podmínky závodu v reálném čase a lze jej použít pro prediktivní údržbu a optimalizaci operací prostřednictvím simulace a analytiky na bázi umělé inteligence. Pro přesnou synchronizaci stavu fyzického závodu a digitálního dvojčete je nutné znát stav závodu, potrubí, dalších výrobních prostředků, počasí a dalších podmínek. Musí být instalováno mnoho senzorů a každý senzor musí být bezdrátový, levný a schopný pracovat několik let bez výměny baterií. Schopnost sítě 5G současně se připojit k více zařízením je klíčová.

Hideo Nishimura, autor článku, pracuje jako manažer pro standardizaci a technologie, a další autor, Shuji Yamamoto, manažer pro bezdrátové sítě, oba působí ve společnosti Yokogawa. Upravil Chris Vavra, ředitel pro webový obsah časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com