Aplicații 5G în domeniul automatizărilor industriale

8 OCTOMBRIE 2021

Comunicațiile wireless devin din ce în ce mai importante în domeniul automatizărilor industriale. Comunicațiile celulare de generația a cincea (5G) sunt prezentate pe scară largă ca fiind o tehnologie-cheie pentru cea de-a patra revoluție industrială (Industrie 4.0 sau Internetul industrial al lucrurilor (IIoT)). Unele surse chiar sugerează că 5G va fi esențială pentru a face ca instalațiile IoT de consum și alte instalații IoT non-industriale să devină omniprezente, în mare parte pentru că 5G facilitează conectarea unui număr uimitor de dispozitive, oriunde s-ar afla acestea.

Dar va înlocui 5G varietatea de standarde wireless aflate în prezent în funcțiune? Va ajunge 5G să depășească performanțele WiFi, Bluetooth și IEEE 802.15.4 în aplicațiile în care aceste tehnologii conduc în prezent? Sau 5G este pur și simplu o tehnologie îmbunătățită pentru cele câteva aplicații automatizate în care sunt utilizate tehnologii celulare mai vechi? Care sunt avantajele în materie de performanță oferite de 5G și în ce măsură acestea pot fi deja valorificate?

Pentru a înțelege răspunsurile la aceste întrebări, trebuie să analizăm mai întâi modul în care 5G diferă de alte comunicații celulare și necelulare. 5G − care este în curs de implementare pentru rețelele de telefonie mobilă și industrială − se bazează pe generațiile anterioare 2G, 3G și 4G de tehnologie digitală celulară. Nu vorbim despre 1G, deoarece predecesorul lui 2G a fost o tehnologie de telefonie fără fir analogică, care are puține lucruri în comun cu rețelele actuale. Odată cu 2G apăreau și prima tehnologie digitală și comunicațiile de telefonie și de mesaje scurte (SMS) criptate. Standardele GSM (Global System for Mobile Communications − Sistem Global pentru Comunicații Mobile) definesc rețelele 2G cu comutare de circuite, care permit apeluri vocale full-duplex. De-a lungul anilor, rețelele 2G au fost îmbunătățite și mai mult grație primului serviciu GPRS (General Packet Radio Service) și apoi EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). GRPS și EDGE au permis transmisia de pachete de date de uz general pentru conexiuni la internet la viteze de date din ce în ce mai mari, motiv pentru care rețelele cu aceste capabilități sunt uneori denumite tehnologii 2,5G și, respectiv, 2,75G.

Figura 1: Proiectul de parteneriat de generația a treia (3GPP) reunește organizațiile de standardizare în domeniul telecomunicațiilor pentru a face ca tehnologiile de telecomunicații celulare să fie cât mai compatibile între ele și cu versiunile anterioare. (Sursa logo-ului: 3GPP)

Odată cu 3G, ratele de transmisie a datelor au fost îmbunătățite și mai mult − până la posibilitatea de a efectua apeluri video. Standardele asociate sunt CDMA2000 și diferite forme de High-Speed Packet Access (HSPA).

Apoi a urmat 4G cu viteze de transfer de date și mai mari prin intermediul standardelor Long Term Evolution (LTE) și WiMax, care utilizează transmisii cu intrări și ieșiri multiple (MIMO).

5G a evoluat din 4G, primele produse de rețea 5G disponibile în comerț fiind lansate la sfârșitul anului 2018. Pentru o perspectivă istorică asupra etapei premergătoare acestei evoluții, citiți articolul Digi-Key din 2016: Cum va schimba 5G Internetul industrial al obiectelor. Interesul cel mai mare pentru utilizatorii privați și comerciali este modul în care rețelele 5G trebuie să fie capabile să suporte viteze de date de câteva zeci de Mb/sec pentru zeci de mii de utilizatori. De asemenea, acestea trebuie să fie capabile să asigure o conexiune de 1 Gbit/sec pentru zeci de persoane dintr-un anumit birou.

Există și alte caracteristici ale 5G, relevante pentru aplicațiile de automatizare industrială. Mai precis, rețelele 5G trebuie să permită sute de mii de conexiuni simultane cu o latență foarte scăzută și o acoperire foarte fiabilă. Aceste caracteristici sunt esențiale pentru implementarea masivă a senzorilor în contextul IIoT și al aplicațiilor de control al mașinilor.

Citiți un articol Digi-Key legat de acest subiect: 5G Doesn’t Currently Provide All That It Promises

Spectrul și comunicațiile de date pe unde milimetrice

Figura 2: Interconexiunile de mare viteză Sliver suportă viteze de date de 25 Gbps și aplicații 5G AAS, inclusiv comutarea și rutarea în centrele de date și în telecomunicații. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

De menționat totuși că sporirea numărului de dispozitive conectate la rețelele mobile aduce cu sine amenințarea lipsei de spectru. În general, benzile de frecvențe mai joase oferă o rază de acțiune mai mare, în timp ce benzile de frecvențe mai înalte permit un număr mai mare de conexiuni într-o zonă mică. Un exemplu concret: Standardul 1G AMPS folosea banda de 800 MHz, în timp ce standardul 2G GSM folosea inițial 1.900 MHz. În prezent, multe telefoane GSM suportă trei sau patru benzi diferite pentru a permite utilizarea internațională … iar rețelele mobile actuale funcționează între 700 MHz și 2,6 GHz. Dar, pe măsură ce IoT crește numărul de dispozitive care se conectează la rețelele mobile, spectrul disponibil în aceste benzi de frecvență existente este din ce în ce mai mic. Acesta este motivul pentru care 5G a început să se extindă către frecvențe mai înalte, cum ar fi 6 GHz și chiar către așa-numitele frecvențe cu unde milimetrice de peste 24 GHz − inclusiv 28 GHz, precum și 38 GHz.

Frecvențele de comunicații din gama undelor milimetrice permit o lățime de bandă mult mai mare și un număr foarte mare de conexiuni. Dezavantajul este că transmisia de date pe aceste frecvențe poate prezenta o rază de acțiune limitată și pierderi semnificative la trecerea prin obiecte solide. De fapt, transmisia pe unde milimetrice poate prezenta o atenuare mai mică decât cea pe alte frecvențe prin aer uscat − dar aceste comunicații sunt puternic afectate de ploaie.

O soluție pentru a profita de lățimea de bandă mai bună a acestor frecvențe mai înalte (dar evitând problemele de rază de acțiune) este formarea de fascicule (beamforming). Cu această tehnică, un fascicul de comunicații concentrat este direcționat către o anumită țintă și nu este difuzat, pur și simplu, în toate direcțiile. Formarea fasciculului ar putea oferi în curând comunicațiilor pe unde milimetrice raza de acțiune a frecvențelor mai joase, utilizate în mod obișnuit în prezent, reducând la minimum interferențele în comunicații.

Standardul 5G New Radio (NR) a fost elaborat pentru a specifica tehnologia de acces radio pentru 5G. Acesta include două game de frecvențe. Gama de frecvențe 1 este mai mică de 6 GHz, iar gama de frecvențe 2 se află în domeniul undelor milimetrice de la 24 GHz la 100 GHz.

Conectivitate masivă în automatizare cu 5G

Creșterea frecvenței pentru a obține mai mult spectru va fi o parte a soluției care va permite conectivitatea masivă, necesară pentru a îndeplini integral promisiunile IoT, cum ar fi o densitate mult mai mare a senzorilor. Prin urmare, este probabil să existe îmbunătățiri imediate în ceea ce privește numărul de dispozitive care se pot conecta la rețelele 5G pe măsură ce acestea sunt implementate.

Tehnologia 5G prin unde milimetrice este capabilă să gestioneze un milion de conexiuni de dispozitive pe kilometru pătrat, dar pentru a atinge acest obiectiv va fi nevoie de Internetul Lucrurilor în bandă îngustă (NB-IoT).

NB-IoT este o tehnologie cu consum redus de putere, axată pe acoperirea în interior pentru dispozitive cu costuri mici și consum redus de putere. Conectivitatea NB-IoT actuală este departe de a atinge un milion de dispozitive, celulele suportând în prezent 10 000 de dispozitive. Tehnologia LTE-M (Long Term Evolution for Machines) este o altă soluție cu consum redus de putere, care oferă o viteză de transfer de date mai mare și o latență mai mică decât NB-IoT, dar cu un cost și un consum de energie mai mari pentru dispozitive. O altă soluție va fi reprezentată de celule mai mici, în special în zonele cu cerere mare.

Latența 5G: valori publicate și performanțe reale

Figura 3: La nivel global, au fost implementate rapid diverse forme de 5G. (Sursa imaginii: Design World)

Se presupune că 5G ar trebui să atingă o latență de sub 1 msec … dar această specificație de referință nu este îndeplinită în majoritatea timpului. De fapt, pentru tehnologia NB-IoT, de putere redusă, latența este de aproximativ o secundă în cazul unei acoperiri normale, crescând la câteva secunde în cazul unei acoperiri extinse. În cazul LTE-M, latența este ceva mai bună, în jur de 100 msec în condiții normale de acoperire, dar tot nu se apropie nici pe departe de 1 msec necesar pentru aplicațiile de control în timp real.

Atingerea unei latențe sub 1 msec cu o rețea centralizată este imposibilă, deoarece călătoria dus-întors poate dura între 50 și 100 msec. Soluția este de a executa procesarea în cadrul celulei… deși acest lucru necesită servere la nivelul celulei. Aceasta este o simplificare, deoarece, pe măsură ce dispozitivele conectate se deplasează între celule − ca în cazul vehiculelor autonome − trebuie menținută continuitatea controlului și a coordonării. Acest lucru necesită, la rândul său, o combinație de control distribuit și centralizat în cadrul rețelei. Celulele mici pot contribui, de asemenea, la reducerea latenței.

O altă metodă utilizată în 5G pentru a reduce latența se numește „network slicing”. Aici, lățimea de bandă a rețelei este împărțită în benzi care pot fi gestionate individual, astfel încât unele dintre ele să fie rezervate transmisiunilor cu latență redusă, menținând traficul pe acele benzi la un nivel mai scăzut. Prin urmare, aplicațiile de control industrial care necesită această capabilitate pot utiliza aceste benzi rezervate.

Rețelele 5G actuale ating o latență de sub 30 ms, dar nivelul de 1 ms necesar pentru controlul în timp real este încă departe.

Alte avantaje 5G: consum redus de energie și fiabilitate ridicată

Utilizarea unor celule mai mici va reduce în mod natural consumul de energie, dar acest lucru va fi oarecum compensat de numărul mai mare de dispozitive. O gestionare mai inteligentă a energiei va juca, de asemenea, un rol în reducerea consumului de energie în rețeaua 5G. NB-IoT va permite o durată de viață a bateriei de peste 10 ani pentru multe dispozitive, cu o rază de acțiune de 10 km.

O acoperire mai fiabilă este un alt beneficiu adus de 5G. Tehnologia 5G este implementată rapid. Rețelele NB-IoT și LTE-M sunt deja disponibile în cea mai mare parte a lumii. Disponibilitatea benzilor rezervate cu latență redusă este un aspect mai puțin clar în acest moment.

Rețele wireless alternative, altele decât cele mobile

Tehnologiile celulare 5G nu reprezintă singura modalitate de conectare wireless a dispozitivelor industriale. Printre alternative se numără WiFi, Bluetooth și tehnologiile bazate pe IEEE 802.15.4.

Latența WiFi este de obicei de 20 până la 40 msec și are unele probleme legate de stabilitatea conexiunii − ceea ce înseamnă că nu este utilizată în general pentru aplicații de control și automatizare industrială. Cu toate acestea, este folosită în prezent pentru monitorizarea stării mașinilor, senzori de mișcare și scanere de coduri de bare. IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) operează în jurul valorii de 900 MHz pentru o rază de acțiune de până la 1 km, cu un consum de putere foarte redus. Acest lucru o face competitivă cu tehnologiile 5G specifice IoT, deși nu poate egala latența scăzută și densitatea mare a senzorilor.

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) oferă conectivitate cu costuri reduse și consum redus de putere, cu o viteză și o rază de acțiune limitate, dar se concentrează pe dispozitivele de consum. Tehnologiile bazate pe IEEE 802.15.4 pun, de asemenea, accentul pe costurile reduse și pe consumul redus de putere în detrimentul vitezei și a razei de acțiune, cu doar 250 kbit/s și o rază de acțiune de numai 10 metri. Cu toate acestea, deoarece sunt acceptate topologiile de rețea mesh, rețelele pot fi extinse dincolo de 10 m, cu condiția ca niciun dispozitiv să nu se afle la mai mult de 10 metri de un alt dispozitiv din rețea. Multe dispozitive IoT cu costuri reduse utilizează tehnologii precum 6LoWPAN, WirelessHART și ZigBee. WirelessHART, cea mai orientată spre industrie, este susținută de o gamă largă de organizații industriale, inclusiv ABB, Siemens, Fieldbus Foundation și Profibus.

Concluzie

5G trebuie privită ca o familie de tehnologii. Pretențiile impresionante de performanță – inclusiv lățimea de bandă foarte mare, densitatea masivă a senzorilor și latența super-rapidă − nu sunt posibile simultan cu o singură tehnologie. Aceasta înseamnă că cele mai importante implementări 5G în automatizările industriale nu vor apărea pur și simplu pe măsură ce serviciile de rețea mobilă 5G devin omniprezente. Densitatea mare de senzori din instalațiile automatizate va necesita tehnologii specifice IoT, cum ar fi NB-IoT și LTE-M. Vestea bună este că astfel de tehnologii sunt deja introduse și înregistrează o disponibilitate sporită în întreaga lume dezvoltată − precum și în țările în curs de dezvoltare. Inginerii se pot aștepta să vadă o creștere constantă a capacității rețelelor 5G în următorii ani.

Utilizarea 5G pentru aplicațiile de control, care necesită o latență foarte scăzută, este încă departe de a fi utilizată. Tehnologiile cu consum redus de putere, cum ar fi NB-IoT și LTE-M 5G (și în special adaptările specifice IoT), vor juca un rol important în implementarea Industriei 4.0 și vor permite ca utilajele să fie mai inteligente, fabricile mai flexibile și procesele mai puțin risipitoare. Desigur, 5G va continua să concureze cu tehnologiile WiFi necelulare, Bluetooth și cu tehnologiile bazate pe IEEE 802.15.4. În cele din urmă, toate acestea vor stimula o productivitate mai mare a automatizării.

Pe scurt, 5G și alte forme de conectivitate wireless sigure și flexibile vor permite densitatea de senzori necesară pentru analiza ‘Big Data’ să caracterizeze pe deplin procesele de producție, să optimizeze programele de întreținere, să coordoneze fluxurile de materiale și să permită colaborarea cu roboții autonomi.


Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații

Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platformele TechForum și  https://maker.io ale firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere.

Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).

Digi-Key Electronics   |    https://www.digikey.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre