直到2008年采用4G技術(shù)，智能手機功能才真正實(shí)現：以4G移動(dòng)寬帶為基礎，開(kāi)發(fā)出智能手機應用、多媒體和流傳輸服務(wù)，且可以隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)高速互聯(lián)網(wǎng)。

 

最近安裝的5G網(wǎng)絡(luò )標志著(zhù)新一代的移動(dòng)技術(shù)首次以設備和系統需求為核心，而不是手機用戶(hù)。電信行業(yè)的5G計劃設想在三個(gè)主要參數上實(shí)現技術(shù)突破：

 

●     延遲、可靠性和確定性

●     連接密度

●     帶寬和數據傳輸速度

 

之所以提高這些參數的性能，是為了實(shí)時(shí)監測和控制同時(shí)通信的設備的密集程度。例如，在智慧城市場(chǎng)景中，我們期望5G能夠實(shí)時(shí)提供街邊空余停車(chē)位的位置信息，并顯示在附近的車(chē)輛的導航系統中。這樣的智能停車(chē)系統需要同時(shí)連接小范圍內的數千個(gè)接近傳感器或攝像頭以及小范圍內的數千輛汽車(chē)，不斷傳輸關(guān)于空余停車(chē)位及其位置的實(shí)時(shí)數據。

 

該應用和其他應用對延遲、密度和帶寬的要求通過(guò)5G標準規范中的三項技術(shù)改進(jìn)來(lái)滿(mǎn)足：

 

●     實(shí)時(shí)控制系統的超可靠低延遲通信(URLLC)

●     增強型移動(dòng)寬帶(eMBB)，用于支持基于帶寬的新用例，包括增強現實(shí)和虛擬顯示現實(shí)

●     面向低功率、廣域無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的增強/大型機械式機器類(lèi)通信(eMTC)

 

這些5G技術(shù)特性使其能夠支持工廠(chǎng)控制系統對實(shí)時(shí)確定性和六九(99.9999%)可用性的要求。但是，在現實(shí)生活中，大多數手機用戶(hù)在訪(fǎng)問(wèn)2G、3G或4G網(wǎng)絡(luò )時(shí)，仍然會(huì )遇到黑點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò )覆蓋較弱或不存在），偶爾還會(huì )發(fā)生意外掉線(xiàn)。

 

那么，使用手機技術(shù)來(lái)連接任務(wù)關(guān)鍵型且對時(shí)間敏感的工業(yè)設備是否有前景？

 

替代成熟的4 mA至20 mA技術(shù)

 

盡管?chē)@先進(jìn)的5G技術(shù)進(jìn)行了大肆宣傳，但現實(shí)情況是，如今的大部分工藝設備裝置都通過(guò)成熟的有線(xiàn)4 mA至20 mA鏈接實(shí)施控制，這是20世紀50年代推出的技術(shù)，久經(jīng)考驗。這說(shuō)明行業(yè)在執行任務(wù)關(guān)鍵型或安全關(guān)鍵型控制系統時(shí)，需要保證確定性，規避風(fēng)險。

 

但是，改革浪潮無(wú)法阻擋，隨著(zhù)工廠(chǎng)運營(yíng)的方式不斷創(chuàng )新，控制系統設計人員開(kāi)始評估可以替代4 mA至20 mA技術(shù)的技術(shù)。隨著(zhù)工業(yè)4.0和全球局勢迫使工廠(chǎng)不斷改變運營(yíng)方式，兩種趨勢迫切需要新的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)：引入自動(dòng)移動(dòng)設備；開(kāi)發(fā)更靈活的制造設備以滿(mǎn)足消費者對個(gè)性化或配置產(chǎn)品不斷增長(cháng)的需求。

 

工廠(chǎng)和倉庫環(huán)境中會(huì )使用無(wú)人搬運車(chē)(AGV)、協(xié)作機器人和其他類(lèi)型的自主移動(dòng)設備，以便快速提高效率和生產(chǎn)力。隨著(zhù)自動(dòng)化設備接手執行單調的重復性任務(wù)，工人可以轉而執行價(jià)值更高、更有趣且機器無(wú)法執行的工廠(chǎng)操作。

 

新一代自主移動(dòng)設備（例如AGV）需要低延遲無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )連接來(lái)提供實(shí)時(shí)控制，需要高帶寬來(lái)傳輸來(lái)自多個(gè)傳感器（例如LIDAR掃描儀和攝像機）的信號，且需要高抗擾度——這是5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)。

 

工廠(chǎng)運營(yíng)商將有線(xiàn)連接替換為無(wú)線(xiàn)連接之后，也獲得了靈活性，可以快速重新配置工廠(chǎng)設備，以滿(mǎn)足消費者的新需求。電子商務(wù)的興起拔高了消費者的期望，他們希望購買(mǎi)的商品能夠近乎即時(shí)送達，且可挑選的商品名錄比以往更廣泛。更快速、更輕松地移動(dòng)生產(chǎn)或工藝設備，這種能力也在不斷升值。固定的有線(xiàn)通信基礎設施不如無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )靈活，后者支持從任意位置連接設備。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )減少了安裝通信電纜時(shí)的成本、麻煩和技術(shù)難度。

 

因此長(cháng)遠來(lái)看，在成熟的有線(xiàn)通信技術(shù)之外，工廠(chǎng)運營(yíng)商樂(lè )于接受無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的好處。但是，在不久的將來(lái)，行業(yè)會(huì )優(yōu)先考慮對其而言最重要的要求，包括：

 

●     高可靠性和可用性

●     安全性

●     應對挑戰性工業(yè)操作條件的耐用性

●     超低延遲

 

這些因素決定了4 mA至20 mA工廠(chǎng)通信標準的使用期限。雖然工廠(chǎng)運營(yíng)商希望替換4 mA至20 mA技術(shù)，但現在，他們傾向于面向有線(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通信的時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò )(TSN)標準，而不是無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

 

TSN已成為工廠(chǎng)高帶寬有線(xiàn)數據通信的首選標準，因為它兼具可靠性、耐用性、高數據傳輸速率、低延遲（以微秒為測量單位），且易于與企業(yè)IT網(wǎng)絡(luò )系統集成。

 

TSN規范是一項得到跨行業(yè)支持的標準，所以它快速建立了豐富的TSN組件和系統供應商生態(tài)系統，也包ADI公司含在內。

 

OpenRAN：非公共網(wǎng)絡(luò )支持驗證關(guān)于5G性能的言論

 

除了推行TSN網(wǎng)絡(luò )外，我們也在積極評估通過(guò)采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)改善工廠(chǎng)運營(yíng)的范圍。工業(yè)領(lǐng)域的一些早期采用者已開(kāi)始測試、驗證和評估工廠(chǎng)內5G網(wǎng)絡(luò )系統的運行效果，同時(shí)使用新推出的TSN以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)替換傳統的4 mA至20 mA系統。這一驗證過(guò)程將找到最合適的5G技術(shù)應用。

 

工廠(chǎng)運營(yíng)商現在已開(kāi)始測試5G技術(shù)的創(chuàng )新特性，例如大規模MIMO功能——使用天線(xiàn)陣列在發(fā)射器和接收器之間提供多條物理傳輸路徑。陣列可以配置為形成多個(gè)天線(xiàn)波束，以發(fā)送至多個(gè)接收器。這樣就可以采用信道加固、波束成型、快速信道評估和天線(xiàn)（空間）分集等技術(shù)，與使用4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )相比，可以顯著(zhù)提高可靠性和降低延遲。

 

事實(shí)上，5G標準開(kāi)發(fā)人員的目標之一是使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在數據包傳輸方面達到99.9999%的可靠性，與有線(xiàn)以太網(wǎng)的可靠性相當，相當于數據包的錯誤率為1:1,000,000。延遲達到1 ms也是可期的，完全符合許多工業(yè)控制應用的要求。

 

但在真實(shí)工廠(chǎng)環(huán)境中，通信設備可能受到多個(gè)高振幅射頻干擾源、瞬態(tài)電壓事件、高溫和其他干擾的影響，這種性能能否實(shí)現？

 

在驗證5G設備的真實(shí)性能時(shí)，工廠(chǎng)系統設計人員有一個(gè)選擇：利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)提供商提供的5G覆蓋。但是，5G標準也為實(shí)施私有系統或所謂的非公開(kāi)網(wǎng)絡(luò )(NPN)做了規定，例如覆蓋工業(yè)園區或大型工廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )。不同的工業(yè)用戶(hù)和用例會(huì )選擇不同的公共網(wǎng)絡(luò )或專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。

 

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商制定OpenRAN（開(kāi)放式無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )）規范，這也推動(dòng)了工廠(chǎng)的5G網(wǎng)絡(luò )部署。除了傳統服務(wù)于電信設備市場(chǎng)的提供商之外，更多供應商即將進(jìn)入5G射頻和核心設備市場(chǎng)。這有可能擴大可用設備的選擇范圍，滿(mǎn)足與大眾市場(chǎng)公共網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商不同的用例，鼓勵工業(yè)市場(chǎng)供應商開(kāi)發(fā)5G產(chǎn)品。

 

作為為T(mén)SN設備和5G基礎設施制造商提供物理層組件和協(xié)議軟件的供應商，ADI公司可以公正地評估用于實(shí)施工業(yè)控制系統的各種技術(shù)。雖然當下有線(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)仍占主導，但可以想象，未來(lái)工廠(chǎng)內的AGV和機器人將通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )發(fā)送和接收時(shí)間關(guān)鍵型和任務(wù)關(guān)鍵型數據負載——5G網(wǎng)絡(luò )的覆蓋意味著(zhù)這一夢(mèng)想已經(jīng)成為現實(shí)，不再是理論上的可能性。

 

作者簡(jiǎn)介

 

Brendan O’Dowd擁有30多年的工業(yè)行業(yè)經(jīng)驗，他曾就職于Tellabs、Apple和ADI公司。他目前擔任ADI公司工業(yè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)部總經(jīng)理。聯(lián)系方式：brendan.odowd@analog.com。

 

 

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