Praktiske 5G-applikationer inden for industriel automatisering

Trådløs kommunikation er blevet mere og mere afgørende for kommunikationen i forbindelse med industriel automatisering. Nu er femte generation (5G) af mobilkommunikation bredt udråbt som den vigtigste trådløse teknologi til at fremme den fjerde industrielle revolution - Industri 4.0 eller Industrial Internet of Things (IIoT). Nogle kilder antyder endda, at 5G vil være nøglen til at gøre forbruger- og andre ikke-industrielle IoT-installationer allestedsnærværende, i høj grad fordi 5G gør det muligt at forbinde et svimlende antal enheder, uanset hvor de befinder sig.

Figur 1: 3GPP (3rd Generation Partnership Project) samler organisationer indenfor standardisering af telekommunikation med det formål at gøre teknologier til mobiltelekommunikation så kryds- og bagudkompatible som muligt. (Logokilde: 3GPP)

Men vil 5G erstatte de mange trådløse standarder, der er i brug i øjeblikket ? Vil 5G komme til at overgå WiFi, Bluetooth og IEEE 802.15.4 i applikationer, hvor disse andre teknologier i øjeblikket er førende ? Eller er 5G blot en forbedret teknologi til de få automatiserede applikationer, hvor der anvendes ældre mobilteknologier ? Hvad er 5G's præstationsfordele, og i hvilket omfang kan de allerede udnyttes ?

For at forstå svarene på disse spørgsmål skal man først se på, hvordan 5G adskiller sig fra andre cellulære og ikke-cellulære kommunikationsformer. 5G - som i øjeblikket er ved at blive udrullet til mobiltelefonnet og industrielle netværk - bygger på tidligere 2G-, 3G- og 4G-generationer af digital celleteknologi. Der har aldrig eksisteret en 1G, da 2G's forløber var en analog trådløs telefoniteknologi, der ikke har meget til fælles med nutidens netværk. Med 2G kom den første digitale teknologi og krypteret telefon- og SMS-kommunikation (short message service). GSM-standarder (Global System for Mobile Communications) definerer 2G-kredsløbskoblede net, der muliggør fuld-duplex-lydopkald. I løbet af årene blev 2G-nettene yderligere forbedret med den første General Packet Radio Service (GPRS) og derefter Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). GRPS og EDGE gjorde det muligt at sende generelle datapakker til internetforbindelse med stigende datahastigheder, og derfor kaldes netværk med disse funktioner nogle gange for henholdsvis 2,5G- og 2,75G-teknologier.

3G forbedrede dataoverførselshastighederne yderligere - endda så meget, at der blev mulighed for videoopkald. Tilknyttede standarder omfatter CDMA2000 og forskellige former for High-Speed Packet Access (HSPA).

Dernæst kom 4G og endnu højere dataoverførselshastigheder via LTE- og WiMax-standarderne (Long Term Evolution), som anvender MIMO-transmissioner (Multiple-Input and Multiple-Output).

5G udviklede sig fra 4G, og de første kommercielt tilgængelige 5G-netværksprodukter blev frigivet i slutningen af 2018. Du kan læse denne artikel fra 2016 om DigiKey for at få et historisk perspektiv på optakten til denne udvikling: Hvordan 5G vil ændre det industrielle internet af ting. Det er af største interesse for private og kommercielle brugere, hvordan 5G-net skal kunne understøtte datahastigheder på flere ti Mb/sek. for titusindvis af brugere. De skal også kunne levere en 1 Gbit/sek-forbindelse til snesevis af personer på et kontor.

De andre egenskaber ved 5G, der er mest relevante for industri-automatiseringsapplikationer. Mere specifikt skal 5G-netværk muliggøre hundredtusindvis af samtidige forbindelser med meget lav latenstid og meget pålidelig dækning. Disse funktioner er afgørende for den massive anvendelse af sensorer i forbindelse med IIoT- og maskinstyringsapplikationer.

Læs den relaterede DigiKey-artikel: 5G giver ikke i øjeblikket alt det der blev lovet

Spektrum og millimeterbølge-datakommunikation

Et forbehold er, at udbredelsen af tilsluttede enheder på mobilnetværk medfører truslen om mangel på frekvensressourcer. Generelt giver lavere frekvensbånd større rækkevidde, mens højere frekvensbånd giver mulighed for et større antal forbindelser inden for et lille område. Et eksempel herpå: 1G AMPS-standarden brugte 800 MHz-båndet, mens 2G GSM oprindeligt brugte 1 900 MHz. Mange GSM-telefoner understøtter i dag tre eller fire forskellige bånd for at muliggøre international brug ... og de nuværende mobilnetværk opererer mellem 700 MHz og 2,6 GHz. Men efterhånden som IoT øger antallet af enheder, der tilsluttes til mobilnetværk, bliver der færre og færre frekvenser til rådighed på de eksisterende frekvensbånd. Derfor er 5G begyndt at trænge ind i højere frekvenser som 6 GHz og endda de såkaldte millimeterbølgefrekvenser over 24 GHz - herunder 28 GHz og 38 GHz.

Figur 2: Sliver-højhastighedsforbindelser understøtter 25 Gbps datahastigheder og 5G AAS-applikationer, herunder datacenter- og telekommunikationsomkobling og routing. (Billedkilde: TE Connectivity)

Millimeterbølgekommunikationsfrekvenser giver mulighed for meget større båndbredde og et meget stort antal forbindelser. Ulempen er, at datatransmission på disse frekvenser kan have begrænset rækkevidde og en dramatisk dissipation, når de bevæger sig gennem faste genstande. Faktisk kan millimeterbølgekommunikation udvise mindre dæmpning end kommunikation på andre frekvenser i tør luft - men denne kommunikation påvirkes kraftigt af regn.

En løsning til at udnytte den bedre båndbredde ved disse højere frekvenser (men undgå problemer med rækkevidden) er beamforming. Med denne teknik rettes en fokuseret kommunikationsstråle mod et specifikt mål og sendes ikke blot i alle retninger. Beamforming kan snart give millimeterbølgekommunikation samme rækkevidde som lavere frekvenser, der er mere almindeligt anvendt i dag - samtidig med at interferens i kommunikationen minimeres.

5G New Radio (NR)-standarden er ved at blive udarbejdet for at specificere radioadgangsteknologien til 5G. Den omfatter to frekvensområder. Frekvensområde 1 er under 6 GHz, og frekvensområde 2 er i millimeterbølgeområdet fra 24 GHz til 100 GHz.

Massiv konnektivitet med 5G inden for automatisering

En forøgelse af frekvensen for at opnå flere frekvenser vil være en del af løsningen for at muliggøre den massive konnektivitet, der er nødvendig for fuldt ud at realisere løfterne i IoT, f.eks. en meget større sensortæthed. Der vil derfor sandsynligvis ske umiddelbare forbedringer i antallet af enheder, der kan tilsluttes 5G-netværk, når de bliver udrullet.

Millimeterbølge 5G kan håndtere en million enhedsforbindelser pr. kvadratkilometer, men det kræver Narrowband Internet of Things (NB-IoT) for at opnå dette.

NB-IoT er en teknologi med lavt strømforbrug, der fokuserer på indendørs dækning til billige og strømbesparende enheder. Den nuværende NB-IoT-tilslutning er langt fra en million enheder, og cellerne understøtter i øjeblikket 10 000 enheder. Long Term Evolution for Machines (LTE-M) er en anden teknologi med lavt strømforbrug, som giver en højere datahastighed og lavere latenstid end NB-IoT, men til større omkostninger og et større strømforbrug for enheden. En anden løsning vil være mindre celler, især i områder med stor efterspørgsel.

5G-latenstid: Offentliggjorte værdier og faktiske præstationer

Det er meningen, at 5G skal opnå en latenstid på under 1 msek ... men denne hovedspecifikation opnås ikke i det meste af tiden. Faktisk er NB-IoT-teknologiens latenstid for den lave effekt omkring et sekund ved normal dækning og stiger til flere sekunder ved udvidet dækning. For LTE-M er latenstiden noget bedre, omkring 100 msec i normalområdet, men stadig langt fra den 1 msec, der kræves til realtidskontrolapplikationer.

Figur 3: Forskellige former for 5G har været genstand for en hurtig global udbredelse. (Billedkilde: Design World)

Det er umuligt at opnå en latenstid på under 1 msek. med et centraliseret netværk, da rundrejsen kan tage 50 til 100 msek. Løsningen på dette problem er at udføre behandlingen i cellen ... selv om det kræver servere på celleniveau. Dette er en forenkling, for når tilsluttede enheder bevæger sig mellem celler - som i autonome køretøjer - skal kontinuiteten i kontrol og koordinering opretholdes. Det kræver igen en kombination af distribueret og centraliseret kontrol i netværket. Små celler kan også bidrage til at reducere latenstiden.

En anden metode, der anvendes i 5G til at reducere latenstid, kaldes network slicing. Her opdeles netværksbåndbredden i baner, der kan forvaltes individuelt, således at nogle af dem er forbeholdt transmissioner med lav forsinkelse ved at holde trafikken på disse baner lavere. Industrielle kontrolapplikationer, der kræver denne mulighed, kan derfor bruge disse reserverede baner.

De nuværende 5G-netværk opnår en latenstid på under 30 msek., men den 1 msek., der kræves til realtidskontrol, er langt fra at være nået.

Andre fordele ved 5G: Lavt energiforbrug og høj pålidelighed

Brugen af mindre celler vil naturligvis reducere energiforbruget, men det vil i nogen grad blive opvejet af det større antal enheder. Intelligentere energistyring vil også spille en rolle for at reducere energiforbruget i 5G-netværket. NB-IoT vil gøre det muligt for mange enheder at have en batterilevetid på over 10 år med en rækkevidde på 10 km.

En mere pålidelig dækning er endnu en fordel ved 5G. 5G er ved at blive udrullet hurtigt. NB-IoT- og LTE-M-net er allerede tilgængelige i store dele af verden. Det er på nuværende tidspunkt noget mindre klart, om der er reserverede baner med lav latenstid til rådighed.

Alternativ ikke-cellulær trådløs forbindelse

5G-mcelleteknologier er ikke den eneste måde at forbinde industrielle enheder trådløst på. Alternativerne omfatter WiFi, Bluetooth og IEEE 802.15.4-baserede teknologier.

WiFi-forbindelsen har en latenstid på typisk 20 til 40 msek. og har visse problemer med forbindelsesstabiliteten, hvilket betyder, at den generelt ikke anvendes til kontrol- og industriautomatiseringsapplikationer. I øjeblikket bruges den dog til overvågning af maskiners tilstand, bevægelsessensorer og stregkodescannere. IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) opererer omkring 900 MHz og har en rækkevidde på op til 1 km med et meget lavt strømforbrug. Dette gør den konkurrencedygtig med IoT-specifikke 5G-teknologier, selv om den ikke kan matche den lave latenstid og høje sensortæthed.

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) giver forbindelse til lave omkostninger og lavt strømforbrug med begrænset hastighed og rækkevidde, men den er fokuseret på forbrugerenheder. IEEE 802.15.4-baserede teknologier lægger også vægt på lave omkostninger og lavt strømforbrug frem for hastighed og rækkevidde med kun 250 kbit/sek. og en rækkevidde på kun 10 meter. Da mesh-netværkstopologier understøttes, kan netværkene imidlertid udvides til mere end 10 m, forudsat at ingen enhed er mere end 10 m fra en anden enhed i netværket. Mange billige IoT-enheder anvender teknologier som 6LoWPAN, WirelessHART og ZigBee. WirelessHART, som er den mest industrielt fokuserede af disse, støttes af en lang række industrielle organisationer, herunder ABB, Siemens, Fieldbus Foundation og Profibus.

Konklusion

5G skal betragtes som en familie af teknologier. Imponerende krav til ydeevne, herunder meget høj båndbredde, massiv sensortæthed og superhurtig latenstid, er ikke muligt med en enkelt teknologi på samme tid. Det betyder, at de vigtigste 5G-implementeringer inden for industriel automatisering ikke blot vil dukke op, når 5G-mobilnetværkstjenesterne bliver allestedsnærværende. Den høje sensortæthed i automatiserede installationer vil kræve IoT-specifikke teknologier som NB-IoT og LTE-M. Den gode nyhed er, at sådanne teknologier allerede er ved at blive introduceret og er ved at blive mere og mere tilgængelige i hele den udviklede verden, såvel som i udviklingslandene. Ingeniører kan forvente en stadig forbedring af 5G-netværkets kapacitet i de kommende år.

Video: Hvad kan vi forvente med 5G

Det er stadig noget længere væk at bruge 5G til kontrolapplikationer, der kræver meget lav latenstid. Lavenergiteknologier som NB-IoT og LTE-M 5G (og især IoT-specifikke tilpasninger) vil spille en vigtig rolle i realiseringen af Industri 4.0 og gøre maskinerne smartere, fabrikkerne mere fleksible og processerne mindre spildfulde. Selvfølgelig vil 5G fortsat konkurrere med ikke-cellulær WiFi, Bluetooth og IEEE 802.15.4-baserede teknologier. Alt dette vil i sidste ende føre til højere produktivitet i automatiseringen.

Kort sagt vil 5G og andre former for sikker og fleksibel trådløs forbindelse muliggøre den sensortæthed, der er nødvendig for big data-analyser for fuldt ud at karakterisere produktionsprocesser, optimere vedligeholdelsesprogrammer, koordinere materialestrømme og muliggøre samarbejde med autonome robotter.