5G+工业对产业的影响,所带来的应用市场空间,让人欣喜。然而,这不是消费互联网,更不是一个可以随时卸载和重装的APP。

北京和利时智能技术有限公司的总工程师朱毅明提出一个问题:“(5G在工业场景)到底是增量的应用,还是替代既有的应用?”这个问题听起来很简单,但却异常复杂,原因在于工业网络的复杂性。

5G的来临会对工产生什么影响?

我们知道,工业以太网的通信协议,国际标准就有数十种,如果把不同垂直行业的通信协议都进行统计,这个数量更大。因此,要用5G替代既有的网络应用,需统一设备之间的网络协议,这个难度非常非常大。但如果是做增量应用,做创新性应用,用5G则更容易接入。

从垂直行业特性看5G应用

事实上,在不同的垂直行业,工业网络的应用各不相同。对于离散制造,从生产设备一直到生产管理系统,以及仓储物流、产品设计等等众多系统,它们之间是互联互通的,但内部网络根据不同的场景分不同的层次。

最底层的工业设备,基本都是高速控制设备,比如数控机床、工业机器人,这个层面的网络协议,循环周期在亚毫秒,目前看,用无线的难度比较大。从底层往上,比如生产装备、监控系统等,对时间的要求就没那么高了,但还是要求实时性。

在工业中,实时性不只意味着快,更意味着确定性,对应到网络则是网络服务质量。工业场景对于网络服务质量要求比较高,这也是为什么目前无线用的比较少的重要原因。

流程工业主要指石化、冶金、发电等行业。相比离散制造业,流程工业底层控制的速度并不太快,基本上控制中心对实时性的要求是毫秒级,5G基本可以满足这一需求。但是,流程工业生产规模一般比较大,生产设施结构复杂,部分设备的安装位置不适合无线通讯。此外,如果该企业有保密要求的话,无线肯定不可用。

此外,基础设施的监控某种意义上也是工业的一部分,包括工业设备、电网、热网、市政、交通的监控。由于基础设施是广域的,大范围、大数据量,并且传输的数据主要是结构化的实时数据和非结构化的视频图像,这个领域的5G无线应用存在巨大的机遇。

工业网络特点及5G应用的障碍

目前,工业网络大部分都是以有线局域网的方式来实施的,通过网闸与生产管理系统实现单向数据传输。对于周期性传输的生产过程数据,一般采用无连接的UDP(无连接传输协议)的方式。从安全性的角度,要求网络有冗余。

“如何用无线网络实现冗余,并且能够避免共因故障,提高整个网络传输的可靠性和可用性,这是5G在工业应用中需要考虑的问题。”朱毅明说。他认为,目前工业无线传输存在几大障碍。

设备问题。工业设备基本上是20-30年的使用寿命,大部分设备不支持无线网络。如果要上5G,需要做硬件的升级,这部分成本比较高。

数据安全性。工业数据目前大多数采用明码传输,如果要上无线,考虑到数据安全问题,需改为加密传输,这个要求比较高。

传输可靠性问题。工业现场电磁干扰源多,金属物体多,设备安装位置固定。

设备抗扰度问题。大部分在役工业设备的电磁抗扰度测试标准版本早,仅测试了低于1GHz的场景,5G设备产生的高频信号对于老旧工业设备的干扰,目前还无法确定。

低功耗问题。需要无线传输的工业设备大多体积较小且采用电池供电,电池更换周期至少要求在1年以上或无法更换。

电缆问题。大部分工业设备需要供电,安装有供电电缆,这种情况下同时铺网络电缆或直接通过供电电缆通讯基本上没有难度,这也是一个影响无线网络在工业应用推广的原因。

总体来讲,一个是成本,一个是安全,是目前5G工业应用的两大问题。“工业目前基本上把无线传输作为有线传输的补充,很少作为主要的信息通道,其安全性、实时性都是有待确认的。”

5G在工业通讯的应用

综上,当前阶段的5G+工业应用,“应主要考虑增量的应用”。

通常,5G定义了三大应用场景,这就是大带宽、低时延和大连接,分别是eMBB增强移动宽带,针对大流量移动宽带业务;URLLC超高可靠超低时延通信,如无人驾驶等业务(3G响应为500ms,4G为50ms,5G要求0.5ms);再就是mMTC大连接,针对大规模物联网业务。

对应到工业,eMBB的应用首先就是工业音视频等多媒体数据的传输。其次是工业设备高频瞬态信号采集,包括振动、冲击、噪声、电流、电压等。再次,则是基于云服务的AR、VR辅助现场控制操作,这些都是比较大的应用场景。

URLLC应用,一是包括远程设备操控,这一点已经有很大的突破,目前也是一些工业互联网平台5G场景的重点。二是替代既有的有线工业以太网和IO硬接线信号,还有就是边缘计算的应用。

大连接mMTC主要面向物联网海量机器类通讯,包括高密度的无线传感器网络等。当然,NB-IoT的部署是mMTC的前提,前者在远程抄表、安防报警、智慧井盖、智慧路灯等领域已有创新应用。NB-IoT也是工业互联网专项工作组2019工作计划的重要组成部分。

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