5G siete pre prepojený priemysel a automatizáciu (2)

Prípady použitia a požiadavky na výkon

5G má potenciál poskytnúť (bezdrôtové) pripojenie pre širokú škálu rôznych prípadov použitia a aplikácií v priemysle. Z dlhodobého hľadiska to môže skutočne viesť ku konvergencii rôznych komunikačných technológií, ktoré sa dnes používajú, čím sa výrazne zníži počet relevantných riešení priemyselnej konektivity. Rovnako ako pretrváva trend smerom k časovo citlivým sieťam (Time-Sensitive Networking, TSN) pre zavedené (káblové) riešenia priemyselného ethernetu, 5G sa pravdepodobne stane štandardnou voľbou bezdrôtovej technológie, pretože môže prvýkrát umožniť priamu a bezproblémovú bezdrôtovú komunikáciu z úrovne prevádzky do cloudu.

Obr. 2 zobrazuje rôzne príklady toho, kde možno výhody 5G využiť vo výrobnom podniku v budúcnosti. Sľubné oblasti použitia siahajú od logistiky na riadenie dodávok a zásob cez aplikácie riadenia robotov a pohybu až po riadenie činností a lokalizáciu zariadení a položiek. Je zaujímavé, že 5G pravdepodobne bude podporovať rôzne funkcie priemyselného ethernetu a TSN, čo umožní jeho ľahkú integráciu do existujúcej (káblovej) infraštruktúry a následne umožní aplikáciám ľahko využívať plný potenciál 5G.

Bezdrôtová komunikácia a najmä 5G môže podporiť dosiahnutie základných cieľov Priemyslu 4.0, a to zlepšiť flexibilitu, všestrannosť a produktivitu budúcich inteligentných tovární. Ilustračný prehľad niektorých prípadov použitia načrtnutých v technickej správe TR 22.804 vypracovanej organizáciou 3GPP je znázornený na obr. 3, na ktorom sú jednotlivé prípady použitia usporiadané podľa ich hlavných požiadaviek na výkon a klasifikované podľa základných typov služieb 5G eMBB, mMTC a URLLC. Ako je možné vidieť, prípady priemyselného použitia, ako je riadenie pohybu alebo mobilná robotika, môžu mať veľmi prísne požiadavky na spoľahlivosť a oneskorenie, zatiaľ čo iné, napríklad siete bezdrôtových snímačov, vyžadujú viac služieb založených na mMTC. Existujú však aj prípady použitia a aplikácie, ktoré vyžadujú veľmi vysokú rýchlosť prenosu dát, aké ponúka eMBB, ako je napríklad rozšírená alebo virtuálna realita.

Z uvedených prípadov použitia sa ovládanie pohybu javí ako najnáročnejšie. Systém riadenia pohybu je zodpovedný za riadenie pohyblivých a/alebo rotujúcich častí strojov presne definovaným spôsobom. Takýto prípad použitia má veľmi prísne požiadavky z hľadiska ultranízkeho oneskorenia, spoľahlivosti a determinizmu. Naproti tomu rozšírená realita (RR) vyžaduje pomerne vysokú rýchlosť na prenos údajov (vysoké rozlíšenie) videostreamov z/do zariadenia RR. Procesná automatizácia leží niekde medzi týmito dvoma oblasťami a zameriava sa na monitorovanie a riadenie chemických, biologických alebo iných procesov v prevádzkach, zahŕňajúce širokú škálu rôznych snímačov (napr. na meranie teploty, tlaku, prietoku) a akčných členov (napr. ventily alebo ohrievače).

Podrobnejšie požiadavky na výkon vybraných prípadov použitia prevádzok/automatizácie procesov (tie, ktoré sú na obr. 3 označené modrým krúžkom) sú uvedené v tab. 1. Ako je možné vidieť, prípady priemyselného použitia môžu mať najvyššie požiadavky z hľadiska dostupnosti a oneskorenia/čas cyklu a často sa vyznačujú o niečo menším užitočným zaťažením. Čas cyklu je interval prenosu v periodickej komunikácii, ktorá sa často používa v priemyselnej automatizácii. Oneskorenie je zvyčajne menšie ako čas cyklu. V tomto ohľade „dostupnosť“ znamená „dostupnosť komunikačnej služby“.

To znamená, že systém sa považuje za dostupný iba vtedy, ak spĺňa všetky ostatné požadované parametre kvality služby, ako je oneskorenie, rýchlosť prenosu dát atď. Typicky sa teda kvantifikuje percentom času, počas ktorého systém funguje správne. Naproti tomu spoľahlivosť – ďalší dôležitý ukazovateľ – predstavuje, ako dlho trvá správna prevádzka. To je zase typicky definované ako (priemerný) čas medzi poruchami. Dostupnosť a spoľahlivosť úzko súvisia s produktivitou systému. Systém s nízkou dostupnosťou je zriedka pripravený na prevádzku a vyznačuje sa nízkou produktivitou. Ak je spoľahlivosť systému nízka, systém sa často zastaví, čo bráni nepretržitej produktivite [3], [4].

Predpokladá sa, že systém 5G je schopný splniť alebo dokonca prekročiť požiadavky na priemyselnú dostupnosť/spoľahlivosť dnešných výrobných liniek. Porovnanie požiadaviek 5G jasne ukazuje, že niektoré z požiadaviek priemyselnej automatizácie nebudú riešené v prvom vydaní 5G, ktoré sa zameriava hlavne na eMBB. Namiesto toho sa očakáva, že tieto požiadavky budú riešené v budúcich vydaniach, najmä vo vydaní 16.

Tab. 1 Možnosti využitia 5G v priemysle

Prevádzkové a funkčné požiadavky

Okrem požiadaviek na výkon predstavujú prípady priemyselného použitia zvyčajne aj prevádzkové alebo funkčné požiadavky. Príklady prevádzkových požiadaviek zahŕňajú požiadavky na jednoduchú konfiguráciu systému, prevádzku, správu, mechanizmy zabezpečenia SLA (napr. monitorovanie, riadenie porúch) a podobne. Príklady funkčných požiadaviek zahŕňajú aspekty ako bezpečnosť, funkčná bezpečnosť, autentifikácia, správa identity atď. V nasledujúcich častiach stručne predstavíme a rozoberieme množstvo požiadaviek pochádzajúcich, nie výlučne, z výrobného a spracovateľského priemyslu.

Spoľahlivá komunikácia

Zásadnou prevádzkovou požiadavkou je, aby výrobná linka fungovala hladko a bezchybne; to znamená, že každá stanica a komponent by mali fungovať tak, ako majú. Túto požiadavku možno označiť ako spoľahlivosť (položky). Udáva „schopnosť pracovať podľa potreby a vtedy, keď je to potrebné“, a je dôležitou vlastnosťou každého automatizačného systému. Spoľahlivosť možno rozdeliť do piatich vlastností: spoľahlivosť, dostupnosť, udržiavateľnosť, bezpečnosť a integrita [3], [4]. Spoľahlivosť a dostupnosť boli uvedené vyššie. Stručná definícia zostávajúcich vlastností je nasledujúca:

• Udržateľnosť siete je „schopnosť byť zachovaná alebo obnovená do stavu, v ktorom môže fungovať podľa požiadaviek za daných podmienok používania a údržby“ [3].
• Bezpečnosť znamená absenciu katastrofálnych následkov pre používateľa (používateľov) a životné prostredie.
  Integrita siete je „schopnosť zabezpečiť, aby obsah prenášaných údajov nebol kontaminovaný, poškodený, stratený alebo zmenený medzi prenosom a príjmom“ [3].
• Mnoho prípadov priemyselného použitia má pomerne vysoké požiadavky na spoľahlivosť, najmä v porovnaní s tradičnými prípadmi použitia v spotrebiteľskej oblasti.

Podpora funkčnej bezpečnosti

Funkčná bezpečnosť je jedným z najdôležitejších aspektov pri priemyselných prevádzkach. Nehody môžu potenciálne poškodiť ľudí a životné prostredie. Aby sa riziká znížili na prijateľnú úroveň, a to najmä ak je závažnosť a pravdepodobnosť nebezpečenstva vysoká, musia sa uplatňovať bezpečnostné opatrenia. Rovnako ako priemyselný riadiaci systém, aj bezpečnostný systém sprostredkúva špecifické informácie z/do riadeného zariadenia. Niektoré priemyselné sieťové technológie sú schopné prenášať priemyselné riadiace aj bezpečnostné informácie. To by sa dalo dosiahnuť implementáciou funkčnej bezpečnosti (napr. na základe vhodných bezpečnostných protokolov) ako natívnej sieťovej služby, ktorá by riadne zaistila bezpečnosť.

Funkčnú bezpečnosť by mal podporovať aj systém 5G aplikovaný v priemyselnej automatizácii. Pri návrhu bezpečnosti je dôležité určiť cieľovú úroveň bezpečnosti vrátane rozsahu aplikácií v nebezpečnom prostredí. V súlade s touto úrovňou môžu byť vyvinuté a používané bezpečnostné opatrenia pre 5G na základe overených metód.

Bezpečnosť

Priemyselné komunikačné systémy pracujúce v reálnom čase používané v minulosti – vo všeobecnosti káblové a často izolované od internetu – neboli bežne vystavené vzdialeným útokom. To sa mení so zvyšujúcou sa (bezdrôtovou) konektivitou v súlade s požiadavkami Priemyslu 4.0 a nastupujúcou technológiou 5G. Použitie bezdrôtových technológií vyžaduje, aby sa zvážila široká škála typov útokov: lokálne verzus vzdialené a logické verzus fyzické. Tieto útoky ohrozujú uvedené oblasti spoľahlivosti, dostupnosti a bezpečnosti, čo vedie k rizikám pre zdravie, životné prostredie a efektívnosť.

Konkrétne logické útoky využívajú slabé miesta v implementácii alebo rozhraniach (káblových a bezdrôtových) vykonávaním analýz nezabezpečených kanálov. Fyzické útoky sa zameriavajú na napadnutie/manipuláciu so zariadeniami využívaním fyzických vlastností (a v konečnom dôsledku prelomením kritického parametra, napríklad kľúča). Priemyselné riešenia 5G musia byť chránené pred lokálnymi a vzdialenými útokmi (logickými aj fyzickými), pretože tie môžu byť automatizované a potom vykonané kýmkoľvek proti veľkému počtu zariadení (napríklad roboty vykonávajúce distribuované útoky DoS). Preto treba umožniť lokálnu a izolovanú správu zariadení, čo môže pomôcť minimalizovať vzdialené útoky.

Okrem toho je pre priemyselné komunikačné systémy rozhodujúce overenie zariadenia a dôvernosť a integrita správ. Zatiaľ čo dôvernosť údajov je veľmi dôležitá na ochranu duševného vlastníctva spoločnosti a predchádzanie priemyselnej špionáži, integrita údajov sa stáva prvoradým záujmom priemyselných aplikácií. To platí najmä pre komunikáciu medzi strojmi, v ktorej sa údaje používajú buď ako vstup regulačnej slučky, alebo na ovládanie akčných členov.

V tomto kontexte sa zvyčajne neuplatňujú kontroly manipulácie s údajmi, čo vedie k akceptovaniu kompromitovaných údajov, pokiaľ hodnoty ležia v definovanom rozsahu. Ak sa takáto aktivita nezistí, môže to viesť napríklad k poruche stroja alebo problémom s kvalitou. Bezpečnostná architektúra musí podporovať deterministický charakter komunikácie, škálovateľnosť, energetickú účinnosť a požiadavky na nízke oneskorenie pre priemyselné aplikácie.

Nákladovo efektívne a flexibilné procesy

V dôsledku trendu individualizácie produktov výrazne klesá počet dielov v danej výrobnej dávke. Treba zohľadniť aj nepriame a horizontálne prevádzkové procesy, ako sú návrhy ponúk, riadenie objednávok, fakturácia, plánovanie výroby alebo programovanie obrábacích strojov, pretože ich vplyv sa priamo úmerným spôsobom zvyšuje.

Výrobné a prevádzkové procesy musia byť nákladovo efektívnejšie a flexibilnejšie. Zníženie kapitálových (CAPEX) a prevádzkových (OPEX) nákladov by sa dalo dosiahnuť znížením nákladov na inžiniering (napr. poskytnutím infraštruktúry na požiadanie, automatizáciou systému). Flexibilitu procesov možno dosiahnuť pomocou virtualizácie, modularizácie procesov a cloudifikácie.

Prehodnotenie existujúcich procesov a zavedenie nových procesov na prenos, spracovanie a výpočet výrobných údajov je nevyhnutné pre vývoj nových riešení na dosiahnutie uvedenej nákladovej efektívnosti a flexibility. Jedným z príkladov sú lokálne dátové centrá, ktoré podporujú kritické priemyselné aplikácie prostredníctvom edge riešení. V tomto prípade sa musia existujúce infraštruktúry upraviť, aby sa mohli vyrovnať s novými výzvami. Napríklad priemyselné aplikácie môžu byť nasadené lokálne v rámci edge dátového centra s cieľom minimalizovať oneskorenie. Existuje mnoho ďalších príkladov, pričom všetky majú spoločné to, že prechod na softvérové riešenia rieši tradičné hranice v prostredí IT systémov a predstavuje nové príležitosti v obchodných modeloch.

V nasledujúcej časti sa pozrieme na kľúčové technológie 5G a ich hlavné funkcie.

Literatúra

[1] Industrial 5G. Phoenix Contact. [online]. Citované 10. 2. 2023.
 
[2] 5G for Connected Industries and Automation (Second Edition), 5G-ACIA. White paper. [online]. Publikované 2/2019. 

[3] IEC 61907, Communication network dependability engineering, 2009.

[4] 3GPP TR 22.804, Study on Communication for Automation in Vertical domains. [online]. Publikované 2018. 

Pokračovanie v ďalšom čísle.

-tog-