Zahŕňa celý ekosystém a všetky relevantné zainteresované strany, medzi ktoré okrem iných patrí priemysel prevádzkových technológií (spoločnosti v oblasti priemyselnej automatizácie, strojárske spoločnosti, výrobcovia výrobných systémov, koncoví používatelia atď.), odvetvie informačných a komunikačných technológií (výrobcovia čipov, predajcovia sieťovej infraštruktúry, operátori mobilných sietí atď.), univerzity, vládne agentúry, výskumné zariadenia a priemyselné združenia. Hlavným cieľom 5G-ACIA je podporovať čo najlepšie využitie priemyselného 5G a zároveň maximalizovať užitočnosť technológie 5G a sietí 5G v priemyselnom prostredí. To zahŕňa zabezpečenie toho, aby prebiehajúca štandardizácia a regulačné aktivity primerane zohľadňovali relevantné záujmy a požiadavky a aby sa nový vývoj v 5G efektívne oznamoval výrobcom a aby mu rozumeli.

Priemyselné zariadenia 5G prichádzajú v širokej škále typov a tvarov a možno ich nasadiť v rôznych prípadoch použitia.

Priemyselné 5G zariadenia môžu byť samostatné alebo integrované do niečoho iného. Obr. 1 zobrazuje priemyselné zariadenie 5G integrované v stroji. Tento prístup umožňuje zobraziť priemyselné 5G zariadenie, pričom zobrazuje iba funkcie, ktoré sú z komunikačného hľadiska najdôležitejšie.

Snímače/akčné členy s malým oneskorením

Snímače a akčné členy s malým oneskorením majú zvyčajne svoje štandardné zapojenie, ale v 5G môžu byť tiež pripojené cez rádiové rozhranie k PLC a/alebo riadiacemu systému v mobilnej sieti. V tomto prípade je nevyhnutná komunikácia v reálnom čase a vysoká spoľahlivosť. Tieto zariadenia sa bežne používajú napr. v mobilných robotoch, z ktorých mnohé zahŕňajú komunikáciu s malým oneskorením. Toto tvrdenie platí aj pre interakcie so stacionárnymi perifériami a spoluprácu s inými robotmi.

Snímače/akčné členy s nízkou spotrebou

Snímač alebo akčný člen s nízkou spotrebou má rádiové rozhranie k mobilnej sieti. Tieto zariadenia sa zvyčajne používajú na monitorovanie stavu, produktivity alebo kvality výroby. Môžu byť napájané z batérie a môžu stráviť veľa času v režime spánku. Keďže sa zvyčajne očakáva, že budú fungovať niekoľko rokov bez nabíjania, je nevyhnutné, aby boli energeticky účinné.

2D/3D snímače

2D/3D snímače zachytávajú dvoj- a/alebo trojrozmerné údaje z priemyselného výrobného zariadenia alebo procesu. Majú rádiové rozhranie na pripojenie do mobilnej siete. Patria medzi ne napr. kamery a snímače s technológiou LIDAR poskytujúce 2D a/alebo 3D obrazy pri definovanej snímkovej frekvencii. 2D/3D snímače sa zvyčajne používajú na zhromažďovanie výrobných údajov, ktoré sú následne analyzované systémom založeným na umelej inteligencii. Medzi tradičné aplikácie patrí napr. zber údajov na zabezpečenie kvality či jemné polohovanie.

HMI a xR

V kontexte priemyselného 5G možno rozhranie človek – stroj (HMI) alebo rozšírenú realitu (xR) použiť ako rozhranie k výrobnému zariadeniu alebo procesu. To zahŕňa rádiové rozhranie k mobilnej sieti, ako aj komunikačné médiá ako videoobrazovky, reproduktory, kamery a/alebo mikrofóny. Ich cieľom je zvyčajne poskytnúť vizuálne informácie operátorovi na interakciu s priemyselným zariadením alebo procesom.

PLC a riadiace systémy

PLC/riadiaci systém má rádiové rozhranie k mobilnej sieti, ďalšie rozhranie k jednej alebo viacerým lokálnym priemyselným sieťam a/alebo rôzne V/V rozhrania. Ide v podstate o priemyselný počítač, ktorý slúži na riadenie jedného alebo viacerých procesov. Rádiové rozhranie 5G je zvyčajne pripojené k jednému alebo viacerým z nasledujúcich zariadení:

  • nadradený systém riadenia (SCADA),
  • iné PLC alebo riadiaci systém,
  • zariadenia v regulačnej slučke.

Keď sa rádiové rozhranie 5G používa na komunikáciu so zariadeniami v regulačnej slučke, s iným PLC alebo iným typom riadiaceho systému, komunikácia je časovo kritická. Mimo regulačných slučiek sú požiadavky na časovanie menej prísne.

Brány

Brána má rádiové rozhranie k mobilnej sieti a štandardizované káblové (alebo bezdrôtové) rozhranie k priemyselnej sieti. Cieľom rozhrania je prenášať informácie medzi nimi. Bežné priemyselné sieťové rozhrania zahŕňajú priemyselný ehernet a štandardné prevádzkové priemyselné zbernice.

Brána môže fungovať v rôznych vrstvách protokolu; obr. 8 ukazuje niekoľko príkladov.

5G brána môže byť vhodnejšia ako snímače a akčné členy s integrovaným 5G pri modernizácii, a to v určitých druhoch inštalácií, ako sú výrobné/procesné moduly, a v prostredí s náročnými okolitými podmienkami.

Porty TSN

Priemyselné 5G zariadenie môže slúžiť ako port v distribuovanom ethernetovom moste systému 5G ukotvenom k 5G funkcii používateľskej roviny (user plane function – UPF). Ethernetový most systému 5G možno nakonfigurovať tak, aby podporoval funkcie a rozhrania správy, ktoré sú v súlade s normami IEEE (TSN) a všeobecným presným časovým protokolom (gPTP, IEEE 802.1AS) na integráciu do ethernetových sietí s podporou TSN a gPTP. Tieto zariadenia možno použiť napríklad v mobilných robotoch, ktoré potrebujú vzájomnú interakciu, kolaboratívnych robotoch (cobotoch), ktoré uchopujú a odovzdávajú diely, a vzájomne spolupracujúcich scenároch jazdy. Vo všetkých týchto prípadoch je nevyhnutné synchronizovať akcie viacerých aktérov.

Charakteristiky priemyselných zariadení 5G

Časové charakteristiky

Automatizačné protokoly používané na komunikáciu medzi PLC a viacerými zariadeniami sledujú deterministický cyklický (alebo periodický) vzor prenosu, v ktorom sa všetky snímače čítajú a všetky akčné členy sú nastavené počas každého cyklu. 3GPP 5G používa na opis týchto vzorov výrazy interval prenosu a periodická deterministická komunikácia. Interval prenosu je časový rozdiel medzi dvoma po sebe nasledujúcimi prenosmi údajov z aplikácie do systému 3GPP cez rozhranie služby. Obr. 10 znázorňuje typické intervaly prenosu.

Periodická deterministická komunikácia (cyklická prevádzka) prevláda v PLC/riadiacom systéme, snímači/akčnom člene s malým oneskorením a priemyselných 5G zariadeniach s portom TSN. Môže tiež existovať aperiodická prevádzka, ako sú alarmy a aktualizácie firmvéru, ktoré nie sú na obrázku.

Okrem konvenčných zariadení nasadených na automatizáciu výrobných prevádzok sa na podporu priemyselného internetu vecí a Priemyslu 4.0 v priemyselných inštaláciách používajú aj ďalšie zariadenia. Zahŕňajú snímače a akčné členy s malou spotrebou, 2D a 3D snímače, zariadenia HMI a xR. Tieto zariadenia si zvyčajne vymieňajú informácie v pravidelných časových intervaloch oveľa dlhších ako zariadenia priemyselnej automatizácie a riadenia.

Požiadavky na oneskorenie sú do značnej miery určené časom cyklu a intervalmi prenosu príslušných výrobných automatizačných protokolov a prípadov použitia. Maximálne povolené oneskorenie musí byť kratšie ako interval prenosu. V prípade izochrónneho použitia nesmie oneskorenie siete prekročiť 20 až 50 % času cyklu alebo intervalu prenosu.

Časový interval prenosu závisí od prípadu použitia. Napríklad interval pohybu mobilného robota medzi dvoma bodmi závisí od jeho navigačného režimu:

  • Pokiaľ ide o infraštruktúru, traťová navigácia zahŕňa čas prenosu približne 500 ms.
  • Navigácia založená na snímači/kamere zahŕňa čas prenosu v rozsahu 10 až 100 ms.
  • Kooperatívna jazda vyžaduje veľmi krátky čas prenosu okolo 5 ms.

Vzťah medzi časovým intervalom prenosu a požadovaným maximálnym oneskorením siete je odlišný pre snímače a akčné členy s malou spotrebou, 2D a 3D snímače a HMI a xR zariadenia. Napríklad 4k kamera so snímkovou frekvenciou 60 snímok za sekundu dodáva údaje každých 17 ms, ale často je prijateľné, aby mala sieť väčšie oneskorenie.

Zdroj: Industrial 5G Devices – Architecture and Capabilities. 5G Alliance for Connected Industries and Automation. White paper. [online]. 

-tog-