5G priemyselné zariadenia (7), Nové trendy, Rubriky,

Čipová súprava verzus modul

Výrobcovia majú dve hlavné možnosti implementácie priemyselného 5G zariadenia: štandardnú čipovú súpravu 5G modemu alebo komunikačný modul, ktorý ho obsahuje. Výber čipovej súpravy 5G modemu umožňuje vyvinúť návrh optimalizovaný pre konkrétny produkt. Vyžaduje sa tiež menej materiálov a pred začatím vývoja produktu nie je potrebné čakať, kým budú moduly dostupné na trhu. Nevýhodou je, že na navrhnutie a vybudovanie dobre tieneného a hladko fungujúceho terminálu (podľa 3GPP nazývaného UE) sú potrebné značné odborné znalosti a skúsenosti. Jedným kritickým aspektom je návrh rádiofrekvenčnej (RF) časti a ďalším je splnenie certifikačných požiadaviek. Ak je čipová súprava zle navrhnutá, výkon, interoperabilita a elektromagnetická kompatibilita (EMC) 5G modemu budú ohrozené. To môže mať za následok nespoľahlivé pripojenie, nižšiu dátovú priepustnosť, zvýšené oneskorenie komunikácie a problémy s certifikáciou EMC. Vďaka týmto výzvam má čipová súprava zmysel najmä pre produkty vyrábané veľkosériovo.

Komunikačné moduly 5G sú odporúčaným spôsobom, ako zvládnuť tieto výzvy. O RF kalibráciu pri výrobe sa stará predajca modulu. Výrobca priemyselných zariadení 5G sa nemusí toľko zameriavať na vývoj rádiofrekvenčnej časti, pretože to už z veľkej časti pokrýva výrobca modulov. Využiť možno aj rozhrania poskytované modulom. Navyše si možno zakúpiť vopred certifikované 5G moduly, čím sa výrazne urýchli proces certifikácie. Okrem týchto výhod možno pri integrácii ľahko dostupných 5G modulov do priemyselného 5G zariadenia využiť výhody pripravených modulov, ktoré poskytujú dôležité zdroje spracovania (CPU, pamäť, V/V) a možno ich použiť na implementáciu základných funkcií priemyselného zariadenia nad rámec bezdrôtovej mobilnej komunikácie. Zo všetkých týchto dôvodov sa očakáva, že trh sa vo všeobecnosti prikloní k implementácii hotových 5G modulov.

Rozmerové a tvarové normy rádiového modulu

Pokiaľ ide o rozmery a tvar 5G modulov a ich fyzické pripojenie, na trhu sú dostupné dve hlavné kategórie modulov: moduly na spájkovanie na dosku s plošnými spojmi (PCB), ako sú napr. Land Grid Array (LGA), a zásuvné moduly (vo všeobecnosti s rozhraním M.2). Spájkovateľné moduly zvyčajne obsahujú ďalšie kolíky, ktoré umožňujú prístup k viacerým funkciám 5G modemu alebo použitie ďalších V/V namiesto pripojiteľného vyhotovenia s vyhradenými kolíkmi. Na druhej strane neexistuje žiadny široko akceptovaný špecifický štandard pre rozmery a tvar. To znamená, že neexistuje žiadna záruka, že rôzne moduly 5G budú zameniteľné.

Zásuvné vyhotovenia, pri ktorých je prominentným formátom M.2, majú menej kolíkov, ale značne štandardizované elektrické vlastnosti. To umožňuje výrobcom priemyselných zariadení 5G inovovať svoje priemyselné zariadenia 5G neskôr jednoduchšie bez toho, aby ich museli úplne prerábať. Obidve kategórie vyhotovení sú technicky uskutočniteľné. Nakoniec je na výrobcoch priemyselných zariadení 5G, aby sa rozhodli, ktorá možnosť lepšie vyhovuje ich požiadavkám.

Samostatný verzus integrovaný aplikačný procesor

Medzi ďalšie architektonické rozhodnutia, ktoré musia výrobcovia priemyselných zariadení 5G urobiť, patrí, či integrovať aplikačný procesor do 5G modulu alebo nie, a ak áno, ktoré ďalšie funkcie, ako napríklad ďalšie V/V, by mali byť zahrnuté. Ak 5G modul obsahuje dostatočne výkonný interný procesor na vykonávanie špecifických zákazníckych aplikácií, možno jeho funkčnosť rozšíriť. Úlohy, ktoré bežne preberá vyhradený externý hardvér, ako sú riadiace aplikácie (PLC, DCS alebo regulátory pohybu či robota), algoritmy umelej inteligencie alebo vizualizácia, môže tiež vykonávať interný aplikačný procesor. To nevyhnutne neovplyvní jeho komunikačný výkon. Oba architektonické prístupy – s procesorom alebo bez neho – zahŕňajú kompromisy, ako napríklad:

použitie modulu s integrovaným aplikačným procesorom môže viesť k menšiemu, kompaktnejšiemu vyhotoveniu,
návrh dosky plošných spojov je jednoduchší,
výrobca priemyselných 5G zariadení však bude mať k dispozícii menej hardvérových zdrojov a obmedzenejšie možnosti integrácie aplikačného softvéru pre úroveň prevádzky do 5G modulu.

Ktorý prístup je lepší, závisí od konkrétneho prípadu použitia. Vzhľadom na spomínané výhody použitia 5G komunikačného modulu sa v budúcnosti očakáva, že pôjde o najbežnejší model. Voľby architektúry pre priemyselné zariadenia 5G uvedené ďalej preto predpokladajú, že sa použije tento prístup. Kvôli jednoduchosti je tu vynechaných niekoľko komponentov, ktoré skutočné priemyselné zariadenie obsahuje (ako sú mechanické zástrčky, zdroj energie, kryt atď.). Hoci architektúram zobrazeným v nasledujúcich príkladoch chýba integrovaný aplikačný procesor, možno ho zahrnúť do všetkých z nich.

Rozhranie medzi aplikačným procesorom a rádiovým modulom

Ak je zvolený samostatný aplikačný procesor, musí existovať rozhranie k rádiovému modulu. Toto rozhranie musí podporovať prenos dát aj synchronizáciu času.

Dátové rozhranie

Dátové rozhranie môže byť implementované ako viacero fyzických rozhraní. Medzi bežné možnosti patria:

sériové rozhranie UART,
univerzálna sériová zbernica (USB),
expresné prepojenie periférnych komponentov (PCIe).

Sériové rozhrania založené na UART sa vo veľkej miere používali v modemoch. Kvôli ich obmedzenej priepustnosti sa však dnes nachádzajú hlavne v aplikáciách, kde to nie je problém. USB poskytuje vyššiu rýchlosť ako sériové rozhrania založené na UART. USB 3.1 môže podporovať rýchlosť až 10 Gbit/s. Rozhranie modelu mobilného širokopásmového rozhrania (MBIM) zverejnilo USB Implementers Forum s cieľom umožniť širokopásmové dátové pripojenie cez USB pre mobilné zariadenia.

PCIe je alternatívou k USB, ktorá umožňuje ešte viac zvýšiť rýchlosť. Dodávateľom tiež poskytuje väčšiu flexibilitu pri implementácii protokolov vyššej vrstvy.

Opísané rozhrania sú primárne určené na konfiguráciu a prenos dát. Sú menej vhodné na synchronizáciu času medzi aplikačným procesorom a rádiovým modulom.

Rozhranie synchronizácie času

Vyhradené hardvérové rozhranie sa bežne používa na synchronizáciu času s prijímačmi GNSS a inými aplikáciami. Nazýva sa 1pps alebo PPS a generuje impulz, ktorý sa presne opakuje v pravidelných časových intervaloch. Informácie o časovaní každého impulzu prichádzajú cez dátové rozhranie. V dôsledku toho sú v hre vlastne dve rozhrania: nízkoúrovňové rozhranie, ktoré generuje impulz každú sekundu s presnosťou na mikrosekundu bez toho, aby udávalo, o ktorú sekundu ide, a vysokoúrovňové rozhranie, ktoré označuje sekundu dňa.

Systém 5G podporuje synchronizáciu globálnej časovej domény aj domény pracovných hodín. Použitie impulzného časového referenčného signálu spolu so zasielaním správ vyššej vrstvy cez digitálne rozhranie je efektívnym spôsobom synchronizácie priemyselného 5G zariadenia s nadradeným TSN zariadením alebo systémovými hodinami 5G.

Podobné rozhranie možno použiť na synchronizáciu času medzi sieťovým rozhraním fyzickej vrstvy a rádiovým modulom alebo aplikačným procesorom. Tu je cieľom presná synchronizácia prenášaných a prijímaných dátových rámcov.

Všeobecné blokové schémy pre priemyselné 5G zariadenia a možnosti rozhrania

Je užitočné kategorizovať dostupné architektúry pre priemyselné zariadenia na základe prípadov ich použitia. Tento prístup umožňuje ich zoskupenie podľa ich charakteristík (ako je výkon, rozhranie, možnosti spracovania atď.) na definovanie vlastností komunikačných 5G modulov.

Priemyselné zariadenia 5G so snímačmi/akčnými členmi s nízkou spotrebou a malým oneskorením a 2D/3D snímačmi

Priemyselné zariadenie ktoréhokoľvek z týchto typov bežne obsahuje 5G komunikačný modul, rozhrania na miestne alebo externé pripojenie fyzických snímačov/akčných členov alebo V/V vysielačov/prijímačov a voliteľne aplikačný procesor.

Komunikačný 5G modul má zvyčajne nasledujúce rozhrania:

konfiguračné rozhranie (napr. USB, UART),
hostiteľské rozhranie (napr. USB, UART),
zdroj,
integrovaná anténa alebo anténny konektor,
rozhranie synchronizácie času,
s interným aplikačným procesorom, voliteľne digitálnym rozhraním (SPI, I2C, UART atď.) na pripojenie vysielačov/prijímačov špecifických pre V/V protokol (ako je IO-Link) alebo priame pripojenie k analógovým alebo digitálnym V/V (ako GPIO, ADC, PWM) na priame pripojenie analógových alebo digitálnych snímačov/akčných členov,
voliteľná podpora funkcie identity (e/i)UICC/EAP.

Architektúra s integrovaným aplikačným procesorom a komunikačným 5G modulom môže pojať zariadenia s menším počtom kompaktných komponentov a zároveň minimalizovať spotrebu energie. Naopak, externé procesorové riešenie umožňuje čiastočné opätovné použitie existujúceho softvéru a rozloženia, čím sa potenciálne urýchli integrácia.

Zariadenia HMI a xR

Priemyselné zariadenia HMI a xR zvyčajne obsahujú – okrem iných komponentov – komunikačný 5G modul a interný aplikačný procesor plus voliteľný hardvér snímača/akčného člena a integrované audiovizuálne komponenty a/alebo rozhrania k externým audio/video komponentom. Procesor (vrátane urýchľovačov na spracovanie xR) musí byť primeraný na podporu vizualizácie a xR aplikácií.

Komunikačný modul 5G v priemyselných zariadeniach kategórie HMI a xR má zvyčajne nasledujúce rozhrania:

konfiguračné rozhranie (napr. USB, UART),
hostiteľské rozhranie (napr. USB, UART),
zdroj,
integrovaná anténa alebo anténny konektor,
rozhranie na synchronizáciu času,
v prípade modulu interného aplikačného procesora digitálne rozhranie (rozhrania) (SPI, I2C, UART atď.) na pripojenie vysielača/prijímača špecifického pre V/V protokol (ako je IO-Link) alebo priame prepojenie s analógovými alebo digitálnymi V/V (ako sú GPIO, ADC, PWM) na priame pripojenie analógových alebo digitálnych snímačov/akčných členov,
voliteľná podpora funkcie identity (e/i)UICC/EAP.

Brány a PLC/ovládače

Priemyselné 5G zariadenia tohto typu zvyčajne obsahujú – okrem iných komponentov – komunikačný modul 5G plus V/V hardvér na pripojenie lokálnej zbernice.

Komunikačný 5G modul má nasledujúce rozhrania:

konfiguračné rozhranie (USB, UART),
hostiteľské rozhranie (USB, UART),
zdroj,
integrovaná anténa alebo anténny konektor,
rozhranie synchronizácie času,
v prípade interného aplikačného procesora digitálne rozhranie (ako PCIe, SPI, I2C, UART atď.) na pripojenie k lokálnej priemyselnej zbernici (ako sú radiče alebo vysielače s prijímačom pre Profibus, ModBus RTU, CAN zbernica atď.) a voliteľne GPIO na priame pripojenie digitálnych snímačov,
voliteľná podpora funkcie identity (e/i)UICC/EAP.

Aplikačný procesor poskytuje dostatočný výkon na to, aby fungoval ako proxy medzi pripojenými alebo existujúcimi prevádzkovými zbernicami a riadiacim systémom vyššej úrovne (ako je PLC), ktorý je dostupný prostredníctvom 5G systému. V niektorých kategóriách sú možné dve architektonické voľby: jedna s integrovaným aplikačným procesorom a druhá s externým aplikačným procesorom. Na obr. 31 vidno príklad fyzickej architektúry pre tieto typy zariadení.

Priemyselné 5G zariadenia s TSN portom

Hlavnou úlohou zariadení, ktoré spadajú do kategórie priemyselných 5G zariadení s TSN portom, je fungovať ako brány medzi jedným alebo viacerými lokálnymi segmentmi priemyselného ethernetu a nadradeným riadiacim systémom (systémami). Zvyčajne teda obsahujú – okrem iných komponentov – 5G komunikačný modul plus V/V hardvér na pripojenie lokálneho ethernetového segmentu.

Komunikačný 5G modul musí podporovať nasledujúce rozhrania: