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5G如何由浅入深赋能工业互联网6165金沙总站:?

发布时间:2019-10-17 17:27编辑:通讯产品浏览(126)

    5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

    随着6月6日5G商用牌照的发放,中国5G的发展毫无意外地开始加速。中国移动2019年预计将投入192亿人民币,三大运营商预计今年建设8至9万个基站(对比一下,美国目前只有几千个)。相关数据表明,2026年ICT运营商5G的数字化收入预计将超过12000亿美元,其中约2340亿美元来自相应的垂直制造领域

    5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网,从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸。

    工业正在迎来美好的通讯时代,而工业4.0背后需要的通讯体系,也开始浮出水面。

    01 工业互联网及其体系架构

    工业4.0的新通讯

    工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势,从大数据应用等软服务切入,注重软件、网络、大数据、安全,促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

    工业4.0一开始定义了自身的顶层架构RAMI,它从三个维度对工业4.0进行了框架描述,代表了德国对工业4.0所进行的全局式思考。有了这个模型,各个企业尤其是中小企业,就可以在整个体系中寻找到自己的位置。这是一股从未有过的洪流交融,万物、人机、软硬、虚实都要连接,需要一种全新的通讯观,才能实现这种集成。从国外的工业巨头如西门子的实践来看,基本是按照这样的通讯框架进行全域构建。

    为满足工业智能化发展需求,工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施,5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

    然而,通讯作为工业4.0系统中至关重要的子系统,并不是只需要完成通讯系统的实时性能就可以——这很容易被误解是*重要的点。更大的挑战是,把通讯要求所涵盖的所有网络进行无缝的集成。这些网络包括从有严格确定性要求的就地控制网络,到工厂内部的运行操作管理网络,到企业生产的计划调度网络,并延伸到全球连接的跨企业的通信,以及基于网络通信的自组态和各类网络管理的集成。同时,需要制定不同以往的升级迁移、集成和维护,考虑与上下游企业的关联和连接可能性等复杂的实时策略。

    中国高度重视工业互联网和5G产业发展,聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域,积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

    要从底层的传感器传递到云端,数据需要有多样化的路径。从厂房地板,到企业高管天花板,一路穿越的网络和连接管道的数据,如何实现通讯的无缝集成,将成为一个*的现场挑战。

    国际上,“5G产业自动化联盟”(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected Industries and Automation)于2018年中在德国电气和电子制造商协会基础上正式成立,该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等,又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

    工业4.0正在呼唤一个全新的通讯局面,OPC UA和TSN应声而出。

    工业互联网体系架构包括“两大联接场景+三大业务闭环+四大应用模式”。

    数字化工厂的通讯赢家

    两大联接场景:工厂内和工厂外全面联接。其中工厂内网络主要采用有线方式,包括单对双绞线以太网、时间敏感网络TSN、工业无源光网络PON、确定性网络DetNet等。5G网络将为工厂无线网络部署提供更大可能性。工厂外网络主要包括互联专线(实现分支机构或者上下游企业及用户互联)、上云专线(实现工厂与工业云平台互联)、上网连接(实现工厂和互联网连接)等。

    以往,工厂到处都是机器,它们挨着多年,但生成的信息却相互隔离,很少“交谈”,也很少被利用。然而在离散型工厂或过程自动化工厂中,信息交流有各种不同的流量类型和传输要求。自动化控制设备与工厂级系统和应用之间存在垂直通讯需求,而从控制器到控制器、从控制器到现场设备(例如执行器、传感器和驱动器)、输入和输出等则有水平通讯需求。以往,各种类型的现场总线和工业以太网支持这些不同的通讯需求,从而将流量划分到各个单独的网络上。这种数据“各自为政”的数据治理局面的形成固然有其历史的必然性,可是当前却正在成为制约万物互联的“枷锁”。

    三大业务闭环:面向机器设备运行优化的闭环、面向生产运营优化的闭环、面向企业系统/用户交互/产品服务优化的闭环。

    作为一种打造设备的工厂级世界语,OPC UA出现了。

    四大应用模式:智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸。其中智能化生产包括预测性运维、产品良率、资产优化、虚拟仿真、智能控制、智能管理等;网络化协同包括设计协作、供应协作、制造协作等;个性化定制包括C2B定制、B2B定制等;服务化延伸包括智能服务等。

    近几年来,开放平台通讯统一架构OPC UA的标准发展速度很快,一路领跑。2017年底,德国机械制造协会VDMA与弗劳恩霍夫IOSB发布了针对中小型机械制造企业如何导入OPC UA及其策略的导则。导则明确的强调,OPC UA不是自动化实时通讯的另一个标准,而是一种为目前尚处于信息孤岛的设备之间建立附加通讯通道的工具,为不同生产厂商生产的成套装置、机械设备和部件之间提供一种统一的通讯方式。

    6165金沙总站 15G将成为未来工厂的中枢神经,为工业生产带来颠覆性的变化。

    OPC UA不是来取代现有的通讯协议,而是实现通讯进行统一对话的工具。换言之,这次来的不是抢地盘的,而是劝和使者。更重要的是,它是将设备从灰暗地带、甚至是至暗角落,带向一个高光时刻。从传感器到设备、到云端,那是一路凶险的火焰山。取经途中需要解决的问题包括:统一的语义、实时、大数据量传递、海量并发、异构数据。OPC UA作为一种面向服务的架构SOA,为机械数据(诸如设备描述、测量数值、参数和控制变量)信息交换的标准化,成为西天取经的重要法宝。然而它只解决了上层问题,对于底层纷至沓来的数据,如同从山谷里杀出多个兵种的千军万马,网络体系如何招架?

    02 5G由浅入深赋能工业互联网

    时间敏感网络TSN开始登场,它专门针对不同数据响应速度要求的特点,提供了一种网络弹性的保障机制。例如,在现代工厂控制中,既有大量实时数据的通讯与控制,也有许多监视器的监测,以及各种无线数据,使得现场的数据形成了拥挤的跑道,充满了大量结构化实时信息和非结构化信息等各种不同类型的数据,对数据同步的精度要求比较高。在控制器之间进行通讯时,可以利用TSN的功能按信息传输的优先级加以协调,从而在复杂的现场情况下保障各种通讯的协调一致性。

    未来工业互联网发展将面临三个典型阶段。当下依旧处于工业数字化转型阶段,积极探索工业企业数字化深化应用,实现工业企业各项活动全过程数字化集成;2025年进入全面互联阶段,实现企业全生命周期互联;2030年进入自主智能阶段,实现工况自感知、工艺自学习、装备自执行、系统自组织。

    可以说,TSN搭建了一个数字世界的龟兔赛跑的新场地。这种龟兔同赛道的规则,不再是谁快谁慢,而是承认数据多样性的一种理性选择。

    工业互联网平台的发展需要依托于实现工业数字化、工业互联化、工业智能化。因此,工业互联网平台发展也将是个长周期的过程。

    目前,TSN已达到了实用所需的技术成熟度,具有TSN功能的网络组件、通讯处理器、软件和网络管理系统都已经面世。其实,TSN也并非全新的技术,其来源于AVB(Audio Video Bridging)音视频桥接,是由AVnu联盟组织所倡导开发的协议。AVB协议是为保障实现音频和视频数据提供时间同步的、低延迟的和保证带宽预留的流媒体功能。TSN是AVB的进化版,在原有规格的基础上扩大了标准的范围、功能和应用程序。在2017年,工业互联网联盟和Avnu联盟宣布联手,共同推动TSN开放标准设备的部署。这也意味着TSN正在工业领域得到广泛认可。

    6165金沙总站 21. 从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸

    这样一来,OPC UA在上层,而TSN主要在下层,二者构成了地板与天花板之间的相互呼应。

    工业企业OT和IT底层网络通常是基于有线网络,占比高达90%。随着工业现场环境的复杂化、变化多端、灵活性等影响,很多的工业通信逐步采取无线传输方式。但在工业领域使用到的无线通信协议和通讯行业相比,存在协议众多,标准缺失,难以互联互通等弊端。

    TSN增强了以太网的功能,也使得其更适合于工业应用。即使在高网络负载条件下,TSN也能在机器和工厂之间实现更加强大和可靠的以太网通讯。这种可靠性使得汽车、机械工程等行业的自动化应用拥有显著优势。

    传统工业无线网络包括如下四类:Wifi网络,用于AGV调度、巡逻机器人通信、仓储移动扫码等,但是很明显Wifi覆盖范围小,性能不稳定,尤其是存在非常高的安全隐患;蓝牙、Zigbee、超宽频、RFID射频技术等,用于资产管理和定位、传感器数据采集等,但是该类技术通常存在覆盖范围受限的短板;工业无线技术三大标准HART基金会发布的WirelessHART标准,ISA国际自动化协会(原美国仪器仪表协会)发布的ISA100.11a标准、和我国自主研发的WIA-PA和WIA-FA标准,均工作在2.4GHz,但是该类技术的产业链相对较窄,价格昂贵;蜂窝网络如2G/3G/4G/NB-IOT,用于车辆远程监控等场景,但该类技术很难完成大带宽、广连接和实时性要求高的场景。

    5G工厂的数据观

    5G网络本身具备的大带宽、广连接、高可靠低时延特性,令5G成为支撑工业互联网的无线网络最佳选项。虽然当前工业通信连接中无线连接占比仅10%,但在未来几年会进入高速发展期。预计到2026年,工业通信连接中无线连接占比将达58%,其中5G将发挥重要作用。

    OPC UA是在作为物理层和数据链路层的以太网的基础上作为应用层的协议,而TSN则是为了改进现有数据链路层的协议。目前工厂里的以太网可以是有线的,也可以是无线的。目前大部分的OPC UA均运行在有线以太网中。然而,对于万众瞩目的5G,作为无线通信的基本载体,正在引起工业领域的全新兴趣。

    工业企业的OT(Operation Technology)和IT(Information Technology)系统采取分级架构。其中OT系统从下往上包括Level 0级外部仪器、传感器、执行器等;Level 1级控制系统PLC,DCS等;Level 2级监督控制和数据采集SCADA。IT系统从下往上包括Level 3级生产管理系统MES、PMS;Level 4级商业和物流系统管理ERP、MRP、CRM等;Level 5级云计算、数据分析和AI等。5G的无线接入技术和网络技术对OT和IT系统的支撑,将从架构底层向上层逐步延伸。

    在以引领行业未来著称的2019年德国汉诺威工业博览会上,5G*次以专门展区形式出现,多家企业进行了集中展示与宣讲。5G和上一代蜂窝网络的主要区别之一是,5G可以直接应用于机器之间通讯和物联网。包含5G和工业wifi6在内的无线通讯,将大幅度提高智能工厂的灵活性、通用性和生产率。

    另外,现有的OT和IT系统分层架构,数据难以跨层交互,存在明显弊端。未来5G网络技术,尤其是网络切片、边缘计算、TSN等的使用,将加速工业企业OT和IT系统深度融合,从传统的分级架构过渡到基于微服务的新型网状交互架构。

    国际标准化组织3GPP定义了5G的三大场景,其中每个场景都与制造业相关。增强型移动宽带eMBB,可以用于增强或虚拟现实、3D/超高清视频等大流量高速移动宽带业务;而海量机器类通讯mMTC,用于智能抄表、智能农业、过程自动化等大规模物联网业务;而超可靠低时延通讯URLLC,则可以用于无人驾驶、工业自动化控制、移动机器人,远程制造等需要低时延、高可靠连接的业务。而在所有工业应用中,运动控制应该是极有挑战性和高要求的。这就落在URLLC的头上。

    6165金沙总站 32. 从辅助功能向生产过程控制逐步延伸

    新的数据自治秩序,呼之欲出。

    当前进行的5G工业应用,大多聚焦在辅助功能上,比如基于5G的远程监控、AR装配辅助、运维和巡检辅助等。

    看上去,工厂里的无线数据,正在处于准备炸锅的局面。5G在制造业中的应用,变成了一种期待。一些企业开始盼望未来把5G融到工业应用领域中去。

    6165金沙总站,远程监控:例如钢铁生产工厂,生产环境复杂,移动设备多,数据回传设备线路铺设难度大、成本高。另一方面,生产设备监控系统需要根据生产任务,配合产线频繁地进行调整,因此采用有线组网的方式极为复杂,且工期长。可以将生产视频监控数据和设备运行状态数据通过5G网络进行回传。

    不过且慢,需要泼点冷水的是,5G在工厂现在仍然处于不断尝试,寻找场景应用的青春萌动期。三大场景频率资源,其实是不可能同时进行的。用标准的协议与工业应用去做对应和适配,仍然是相对现实的做法。

    6165金沙总站 4AR装配辅助:例如飞机制造工厂,装配工艺复杂,工人需要经过严格培训认证。而AR眼镜及其后台技术,可实现基于空间定位和物体识别的数模全息显示,应用在飞机装配的辅助装配、线缆端接、支架拆装、虚拟测试等各个环节。如可以做到自动识别线缆,然后直观地在连接器上指示这根线缆对应的孔位,工人根据指示直接插入即可。利用该解决方案,原来需要同时工作的3个工人将会缩减为1个,装配时间大幅缩短,而装配准确性也会进一步提高,同时整个装配过程会通过视频自动记录在云端,方便后续查验。

    较之有线通讯系统来说,无线系统显然能快速突破技术和经济上的限制。未来会在工业生产中运用数量巨大的低成本传感器和执行器,除了使用有效的无线系统,别无它法。蓝牙和无线局域网都在开发低成本的结构,但至今为止仅有非常有限的机制来解决抗干扰、信息安全和响应时间等问题。单一的无线工业解决方案局限于很少的频带,由于只能容纳数量不多的传感器和执行器,不太可能有很好的经济效应。因此,可能仍然需要5至10年,5G才会在工业应用中起到巨大作用。

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