5G технологии в индустриалното производство

Гъвкавата и надеждна комуникационна инфраструктура е от критично значение за успешното внедряване на Industry 4.0 технологии в съвременното промишлено производство. Полевите устройства в модерните дигитални фабрики разполагат с все повече функционални характеристики, което задава нови изисквания към мрежите, които ги свързват. Те трябва да се отличават с възможности за лесно мащабиране и адаптиране към приложението, както и за бързо преконфигуриране при необходимост.

Много експерти смятат, че цифровата трансформация на традиционните производствени практики в синхрон с принципите на Четвъртата индустриална революция зависи от предимствата на следващото поколение технологии за безжична комуникация. 5G мрежите притежават потенциал коренно да променят не само сектори като телекомуникациите и услугите, но и производствените отрасли. Те осигуряват възможности за по-бърз и ефективен пренос на информация, както и за осъществяване на нов тип процеси, базирани на данни.

Потенциал за трансформация на индустрията

Безжичните решения от пето поколение навлизат в индустрията в рамките на обширен клъстер от иновации, който обхваща Internet of Things, роботика, облачни, периферни и квантови изчисления, изкуствен интелект, машинно обучение, Big Data (големи обеми данни), мобилна широколентова връзка и др. Тези технологични нововъведения са насочени към значително подобряване на оперативната ефективност на промишленото производство чрез повишаване степента на автоматизация, събиране, обработка и анализ на данни. 5G мрежите обезпечават 20 пъти по-бърза комуникация в сравнение с четвъртото поколение безжични технологии, което позволява изграждане на високоавтоматизирани и базирани на данни производствени платформи, които използват контекстна информация за изпълнение на широк кръг от задачи и вземане на автономни решения. 5G комуникациите обещават достатъчна ефективност, за да заместят кабелните връзки дори в най-взискателните приложения на индустриалната автоматизация, включително в системи за управление на движението и платформи за машинно зрение.

Редица професионални международни организации, като Институтът на инженерите по електротехника и електроника и консорциумът 3GPP, продължават да стандартизират Ethernet протоколи с цел да се приспособят времечувствителните мрежи към 5G архитектурите, което да позволи на 5G технологията да постигне ниската латентност и високата достъпност на Ethernet комуникацията. Големият капацитет и безжична гъвкавост на мрежите от пето поколение ги превръщат в най-логичния избор за дигиталните производствени приложения. Специалистите очакват, че с все по-масовото им внедряване 5G технологиите ще спомогнат за допълнително повишаване на ползите от иновации като изкуствения интелект и машинното обучение, подобрявайки успеваемостта на интелигентните алгоритми в изпълнението на заложените им задачи.

За да е възможно постигането на оптимална ефективност на производствените системи, машините и оборудването в съвременните фабрики трябва да функционират при възможно най-близки до идеалните условия. Това налага постоянен мониторинг и управление на ключови системни променливи като вибрации, температура, налягане, производителност и т. н. Непрекъснатият поток данни от сензорите и полевата измервателна техника, обезпечен от гъвкава и надеждна комуникационна технология като 5G, позволява ранно откриване на възникнали и потенциални проблеми в системата и прилагане на адекватна превантивна диагностика. Съществено предимство на безжичните технологии от пето поколение по отношение на прогнозния мониторинг е възможността им да предават големи обеми данни от сензорите към аналитичните устройства.

Наред с усъвършенстваното свързване, подобрената надеждност в отдалечени локации и по-сигурното управление на данните, 5G мрежите създават нови възможности за интелигентно производство и имплементиране на индустриални IoT платформи.

Автоматизация и обработка на данни

Ултрависоките изчислителни възможности, които 5G технологията гарантира, позволяват проектирането на роботи и производствени системи, които се възползват от подобрена интеграция на данни и вземане на решения в реално време. В автомобилната индустрия например вече се използват колаборативни роботи, които са способни автономно да изпълняват задачи, за които традиционно отговарят хора, но са дефинирани като опасни за човека. Такива са монтажните дейности в тесни и неудобни за достъп пространства, работата в тежки промишлени условия, в неестествени за човешкото тяло пози и т. н.

Благодарение на 5G комуникацията във фабриките на бъдещето работата на високоавтоматизираните, роботизирани и свързани машини ще може да се координира напълно централизирано с цел оптимизиране на производителността. С помощта на бързия пренос на данни от машинните сензори с изкуствен интелект, компютърното зрение и периферните изчисления производствените системи ще бъдат в състояние самостоятелно и дори проактивно да се адаптират към всякакви промени в търсенето. На тази база производствените активи ще могат автономно да регулират работните потоци и да отстраняват причините за непланирани прекъсвания.

Сред потенциалните ползи от внедряването на 5G мрежи са редуцирани разходи, повишена ефективност и производителност, подобрени възможности за гъвкав отговор на търсенето, улеснено персонализиране на продукти, по-пълно оползотворяване на ресурсите, по-бързо и интуитивно преконфигуриране на оборудването и др.

С разширяването и “поумняването” на индустриалните комуникационни мрежи ежедневно се генерират много по-големи количества информация в сравнение с инфраструктурите от предишно поколение. Предприятията, които разполагат с надеждни инструменти и решения за управление на този ценен ресурс, могат лесно да подобрят своята конкурентоспособност на пазара. Водещи предимства на 5G комуникацията по отношение обработката на данни са ниската латентност и високият капацитет на честотната лента. С тяхна помощ е възможно надеждно управление на големите информационни масиви, постъпващи от множеството сензори и свързани полеви устройства в дигиталните фабрики. На база усъвършенстваните възможности за събиране, обработка, анализ и съхранение на данни, опосредствани от 5G технологиите, модерните предприятия могат да се възползват от ценни изводи за организационния ред, с които да повишат оперативната интелигентност на производствените системи. В допълнение към увеличената производителност, резултатите от анализа на данни могат да спомогнат и за намаляване престоите на оборудването и свързаните с това загуби. На база информацията в реално време за статуса на машините, нивата на шум, вибрации, работната им температура и други критични показатели, получена от свързаните в 5G мрежа сензори, системата за мониторинг може да алармира оператора за необходимо обслужване, ремонт или подмяна на даден компонент или възел, потенциална неизправност или предстояща авария. В комбинация с алгоритми за машинно обучение, тези данни позволяват точно прогнозиране кога ще приключи жизненият цикъл на скъпото оборудване и как сервизната му експлоатация може да бъде удължена.

При подаден от системата превантивен сигнал за необходимост от ремонт на някой от машинните компоненти техникът на място може да използва очила за добавена реалност с възможности за 5G комуникация с ниска латентност, за да получи дистанционни насоки в реално време от по-квалифицирани специалисти по поддръжката.

С помощта на контекстно-чувствителни триизмерни анимации платформата може да преведе служителя през целия процес на отстраняване на проблема на база отдалечените команди на техническия екип.

Внедряването на 5G комуникация в производството позволява веригата на доставките да се унифицира от серия независимо управлявани активи в свързана мрежа от устройства и машини, които споделят информация помежду си в реално време. С увеличаването на интелигентността на производствените системи и нарастващата интеграция на свързани устройства 5G мрежите се превръщат в най-надеждната и рентабилна комуникационна алтернатива за редица взискателни индустриални приложения.

Мониторинг и периферни изчисления

Обичайна практика в производствените предприятия е технически персонал да бъде изпращан в различни зони, сгради, помещения и други отдалечени локации с цел инспекция на машините и оборудването, работните условия и средата, както и за ръчно извършване на диагностични операции. В алтернативен сценарий една мрежа от IoT сензори може да осъществява непрекъснат мониторинг на същото оборудване без нужда от техници на място, като регистрира и локализира всички потенциални проблеми в системата. С помощта на дронове с камери и платформи за машинно зрение обхватът на автоматизирана инспекция може да бъде допълнително разширен.

За още по-висока прецизност на мониторинга IoT-базираните сензори могат да бъдат оборудвани с изкуствен интелект, за да разпознават различни отклонения (например в допустимите нива на шум), които сигнализират за проблем с оборудването. За да стане факт подобен сценарий, са необходими две 5G мрежи – една високочестотна локална мрежа за сензорите и дроновете, която да комуникира със софтуер за централна обработка, и една нискочестна мрежа с по-голям обхват, която при необходимост свързва отдалечения обект с центъра за управление.

В резултат производствените предприятия могат по-гъвкаво да използват ресурса на персонала си, като намалят физическите инспекции на отдалечени обекти, увеличат ефективността на обслужването, тъй като проблемните точки са предварително локализирани, както и да намалят рисковете за служителите и материалните активи, свързани с неадекватно управление на процедурите по диагностика и авариите.

Друго ключово предимство на 5G комуникацията в производството е възможността предприятието да се възползва от по-широка функционалност към периферията на мрежата. Водещ принцип на Industry 4.0 парадигмата е способността на машините да действат интелигентно и автономно и посредством периферни изчислителни мрежи да комуникират директно с други машини чрез т. нар. M2M (machine-to-machine) подход. За разлика от архитектурите от типа “клиент-сървър”, които все още се считат за базови в облачните изчислителни модели, M2M моделът създава взаимосвързана мрежа от машини, сензори и устройства, които работят в колаборация, за да оптимизират комплексни процеси в реално време. 5G комуникацията се оказва ключова за фактическата реализация на този модел, както и нововъзникналите Wi-Fi стандарти.

Още възможности на добавената реалност

С помощта на добавена реалност и безжична комуникация от пето поколение техниците в производствените предприятия могат по-лесно и ефективно да откриват и отстраняват различни проблеми. Използвайки 5G-свързани AR очила и други носими електронни устройства за индустриална автоматизация служителите могат да обменят информация помежду си в т. нар. “hands-free” режим или без да се налага да използват ръцете си. Това пести ценно време и им позволява надеждно да споделят по-големи обеми информация благодарение на 5G технологията, увеличения честотен обхват и по-ниската латентност. Отсъствието на забавяния или закъснения ( т. нар. лаг) в комуникацията гарантира безпроблемна връзка в реално време между служители в различни локации, които могат да работят в ефективна колаборация помежду си.

Добавената реалност в комбинация с безжична мрежа от пето поколение обезпечава и усъвършенстван процес по обучение на персонала. Това е от особена важност за предприятията и отраслите, в които е налице голямо текучество на кадри, а предприятията се налага да инвестират значително време и средства в предварителната подготовка на служителите за работа в реални условия. Ниската латентност на 5G комуникацията (до 1 милисекунда) създава отлични възможности за лесно и ефективно масово едновременно обучение посредством добавена или виртуална реалност. Специализираните 5G АR и VR платформи могат да визуализират различни обучителни програми стъпка по стъпка на персоналните устройства на служителите (очила, смартфони, таблети и др.) Те, от своя страна, могат да извършват определени тренировъчни действия във визуалното поле на устройството, упражнявайки се за съответната операция в идентична на реалната работна среда без риск от допускане на грешки. Високоскоростната 5G връзка с ниска латентност обикновено свързва AR или VR очилата към високопроизводително компютърно устройство, позиционирано в периферията на мрежата. Това гарантира, че няма забавяния (лаг) в движенията на служителя. В резултат значително се съкращава и улеснява процесът по обучение на кадри, увеличава се точността на възпроизвеждане на процедурите благодарение на тяхното онагледяване, намаляват трудовите инциденти и се повишава цялостната производителност на предприятието.

Специфики и предимства

Макар безжичните технологии от трето и четвърто поколение да внесоха постепенни подобрения в скоростта и широчината на честотната лента, 5G мрежите са първата клетъчна платформа, която ще позволи надеждна М2М (machine-to-machine) и IIoT комуникация. Водещото им предимство е подобрената мобилна широколентова връзка (eMBB). 5G комуникацията осигурява пикова скорост на предаване на данни от 10 Gbps и може да се справи с 10 хил. пъти повече трафик от предишните поколения технологии. В допълнение, тя обезпечава ултранадеждни комуникации с ниска латентност (URLLC), което означава закъснение, по-малко от 1 msec, и наличност, по-голяма от 99,9%. Това прави 5G мрежите идеални за промишлена употреба, където непрекъснатата работа на производствените съоръжения е от критична важност.

Не на последно място, 5G технологията прави възможна т. нар. масивна комуникация от машина към машина (eMTC) с плътност от един милион устройства на 247 акра (един квадратен километър), както и до 10-годишна безпроблемна работа само с батерийни източници на захранване.

В индустриалната автоматизация петото поколение комуникационни мрежи обещават да разкрият възможности за надеждни безжични сензорни мрежи в реално време, както и за комплексни приложения като проследяване на местоположение и активи. В допълнение, по-консервативно настроените индустриални производители, които остават скептични към технологични иновации като добавената (AR) и виртуалната (VR) реалност, в бъдеще ще могат да се запознаят с предимствата им чрез симулации в реално време и възможности за прогнозна поддръжка.

Експертите очакват 5G комуникацията да доведе до поредната революция в производствените технологии, преодолявайки досегашните предизвикателства по отношение ефективността. Внедряването им обаче изисква внимателно управление на амортизацията, селективни подобрения на инфраструктурата и готовност да се изследват функциите на следващата версия на технологията в разнообразен набор от приложения.

Сред най-интересните е проследяването и инвентаризацията на производствени активи и инструменти, които биха могли лесно да бъдат изгубени или поставени в грешна локация. С помощта на специален софтуер и IoT-базирани сензори, интегрирани в оборудването, производителите могат непрекъснато и прецизно да следят кога дадена машина или инструмент не е на мястото си, не се използва по предназначение или се нуждае от ремонт и обслужване. Така експлоатацията на производствените активи се улеснява, пести се ценно време и се удължава сервизният им живот.