5G priemyselné zariadenia (2), Nové trendy, Rubriky,

Charakteristiky údajov

Najmenšia údajová jednotka snímača alebo akčného člena je jeden bit, ktorého hodnota môže indikovať vstup alebo výstup. Analógové hodnoty sú bežne vyjadrené ako 16- alebo 32-bitové hodnoty. Mnohé snímače a akčné členy však vysielajú viacero hodnôt a komunikujú sa aj protokolové údaje. Minimálna veľkosť rámca v ethernete je 64 bajtov, čo je tiež minimálna veľkosť správy, ako je uvedené v tab. 1. Predpokladá sa, že maximálna veľkosť správy je 1 522 bajtov, čo zodpovedá najväčšej veľkosti ethernetového rámca s VLAN tagovaním. Požadovanú prenosovú rýchlosť možno vypočítať z intervalov prenosu.

	veľkosť správy	toky	bitová rýchlosť
snímače/akčné členy s malým oneskorením	64 až 1 522 bajtov	1	< 200 kbit/s až 2 Mbit/s
snímače/akčné členy s malou spotrebou	64 bajtov alebo viac	1	niekoľko kbit/s až 2 Mbit/s
PLC a riadiace systémy	64 až 1 522 bajtov	>1	až do rýchlosti linky (100 Mbit/s, 1 Gbit/s)
brány	64 až 1 522 bajtov	>1	až do rýchlosti linky (100 Mbit/s, 1 Gbit/s)
porty TSN	64 až 1 522 bajtov	>1	až do rýchlosti linky (100 Mbit/s, 1 Gbit/s)

Tab. 1 Typické dátové parametre priemyselných 5G zariadení

Bitové rýchlosti uvedené v tab. 1 zodpovedajú prenosovej rýchlosti aktívnych priemyselných zariadení 5G. Charakteristiky údajov pre PLC a iné riadiace jednotky, porty TSN a priemyselné zariadenia brán závisia od základných prípadov použitia. Keď sa napr. roboty pohybujú medzi dvoma bodmi, dopravné modely sa líšia v závislosti od typu použitej navigácie:

navigácia riadená infraštruktúrou alebo traťou: veľkosť paketu približne 250 bajtov a prenosová rýchlosť 50 až 250 kbit/s,
navigácia založená na snímači alebo kamere: veľkosť paketu približne 1 500 bajtov a rýchlosť prenosu dát 60 Mbit/s,
spolupracujúce riadenie: veľkosť paketu približne 250 bajtov a rýchlosť prenosu dát 125 kbit/s,
interakcia so stacionárnymi perifériami (uchopenie neroztriedených kôp) a zhluk 50 správ: veľkosť paketu 1 500 bajtov a rýchlosť prenosu dát približne 400 Mbit/s.

Objemy údajov generované 2D snímačom závisia od jeho rozlíšenia, snímkovej frekvencie, farebnej hĺbky a použitej kompresie. Napríklad 4K video so 60 snímkami za sekundu a 24 bitmi na pixel má nekomprimovanú bitovú rýchlosť 11,9 Gbps. Videostream môže byť komprimovaný pomocou generického alebo aplikačne špecifického algoritmu.

Ak sa napr. 4K videokamera používa na monitorovanie kvality produktu vo výrobnom procese, možno namiesto odosielania všetkých snímok videa na centrálny server použiť algoritmus špecifický pre aplikáciu na výber iba tých snímok, ktoré skutočne zobrazujú každý nový zachytený produkt. To môže výrazne znížiť tok údajov. 3D snímače generujú ešte viac údajov ako 2D snímače. 2D aj 3D údaje zo snímačov možno komprimovať pomocou generických alebo aplikačne špecifických algoritmov.

Charakteristiky prevádzky zariadení HMI a xR sa značne líšia v závislosti od prípadu použitia. Na vyššej úrovni sa video streamuje do zariadenia s bitovou rýchlosťou, ktorá je zvyčajne medzi 1 a 25 Mbit/s.

Výkonové charakteristiky

Jedným z hlavných dôvodov nasadenia súkromných priemyselných sietí 5G je zvýšenie flexibility prevádzok. Aby sa podarilo flexibilitu zvyšovať, bude čoraz viac používaných strojov a zariadení bezdrôtových a napájaných z batérie.

Zariadenia HMI a xR sú normálne napájané z batérie. Typický prípad použitia je, keď pracovník používa jedno alebo viac zariadení počas zmeny. Na konci zmeny sa uložia do nabíjačiek. Predpokladom takéhoto systému využívania zariadení je, že batéria každého HMI alebo xR má dostatočnú kapacitu na prevádzku počas celej zmeny, ktorá zvyčajne trvá 8 – 10 hodín vrátane prestávok. Rovnaké úvahy platia pre prenosné zariadenia. Nízkoenergetické snímače a akčné členy sú tiež zvyčajne napájané z batérie.

Hlavným dôvodom využívania bezdrôtových zariadení je zníženie nákladov na elektroinštaláciu. Batérie môžu byť nabíjateľné alebo jednorazové. V niektorých prípadoch sa vyhodí celé zariadenie spolu s batériou. Väčšina ostatných priemyselných zariadení 5G je zvyčajne napájaná strojom, na ktorom sú nainštalované. Napríklad na AGV vozíku môže byť namontovaná brána. V tomto prípade je brána napájaná z batérie AGV. Podobný prístup možno uplatniť napr. aj pri mobilných robotoch.

Synchronizácia času

Všetky priemyselné zariadenia 5G musia byť synchronizované s rôznymi časovými doménami. Patria sem domény pracovných a globálnych hodín. K dispozícii je tiež 5G hodinová doména, ktorá je potrebná na 5G rádiovú komunikáciu. Doména pracovných hodín je potrebná na synchronizáciu snímačov a akčných členov, ktoré sú súčasťou riadiacej slučky. Príkladom je spolupráca robotov a kooperatívna jazda, pri ktorých je synchronizácia času prvoradá. Časová synchronizácia môže byť explicitná pomocou protokolov ako PTP (IEEE 1588) alebo gPTP (IEEE 802.1AS), alebo implicitná s príkazmi na čítanie a zápis prijatými z PLC. Globálna časová doména je potrebná pre sekvencie udalostí a časové označovanie údajov a diagnostických udalostí. Zvyčajne sa zdieľa v rámci priemyselného zariadenia a je v súlade s UTC.

Keď priemyselné zariadenia 5G aktívne nekomunikujú s infraštruktúrou, hodinové domény sú udržiavané lokálnymi hodinami. Tieto hodiny však postupne strácajú presnosť a treba ich znova synchronizovať. Možno si tiež predstaviť priemyselné 5G zariadenia, ktoré nie sú synchronizované ani s pracovnými, ani s globálnymi hodinami. Príkladom je snímač nádrže, ktorý spustí alarm, keď hladina v nádrži klesne pod stanovenú hodnotu.
Aby PTP alebo gPTP cez 5G komunikáciu fungovalo, musí byť v priemyselných zariadeniach 5G implementovaná funkcia časovo citlivého prekladača na strane zariadenia (DS-TT) definovaná 3GPP.

Polohovanie

Jedným z hlavných využití priemyselnej 5G komunikácie je umožnenie mobility strojov, materiálov a ľudí, okrem iného vo výrobných a spracovateľských zariadeniach. Mobilita prináša potrebu polohovania. Niektoré zariadenia HMI a xR umožňujú spúšťať aplikácie v závislosti od svojej polohy. Iné priemyselné 5G zariadenia môžu vyžadovať polohovanie; brána na AGV vozíku môže napríklad poskytnúť informácie o polohe, ktoré vozíku pomôžu pri navigácii. Ďalším príkladom sú nízkoenergetické snímače a akčné členy používané na sledovanie materiálov v továrni. Poloha zariadenia sa hlási pri každej zmene.

V nasledujúcej časti uvádzame niekoľko príkladov požiadaviek na polohovanie pre analyzované prípady použitia [6], [7]:

Keď sa robot pohybuje medzi dvoma bodmi, stačí presnosť 0,3 m alebo lepšia s 99,99 % dostupnosťou. Na miesto určenia však potrebuje doraziť s presnosťou ±0,05 m.
Keď robot interaguje s inými periférnymi zariadeniami, môže byť potrebné dosiahnuť presnosť na jeden milimeter.
V prípade mobilných nástrojov, ktoré musia byť individuálne konfigurované v závislosti od ich polohy vo výrobnej linke, je potrebná vertikálna a horizontálna presnosť lepšia ako 20 cm.

Výzvy

Priemyselné 5G zariadenia prezentované a opísané v predchádzajúcich častiach vyžadujú veľmi rôznorodé komunikačné schopnosti. Komunikačné moduly (obr. 11) a technológie spájajúce rôzne časti toho istého zariadenia musia tiež spĺňať potreby aplikácie, ktorá ho používa. Dá sa teda s istotou predpokladať, že žiadna konkrétna konfigurácia nemôže poskytnúť celý rozsah komunikačných parametrov pre všetky aplikácie; aspekty ako spotreba energie, veľkosť a zložitosť sa môžu líšiť. Na druhej strane by nasadzovanie veľmi špecializovaných modulov pre každú aplikáciu viedlo k fragmentácii trhu a znemožnilo smerovanie k štandardizácii. Pri analýze komunikačných požiadaviek rôznych prípadov použitia a zodpovedajúcich zariadení sa objavujú tri hlavné situácie.

Prvou je energeticky efektívna (batériová) komunikácia a nízka priepustnosť (do niekoľko Mbit/s; pre priemyselné bezdrôtové senzory to špecifikuje 3GPP 22.104 [1]), nízka celková aktívna prevádzka s dlhším časom nečinnosti, žiadne zásadné časovo citlivé doručovanie údajov a tolerancia dočasnej straty údajov. Zariadenia navrhnuté pre tento typ situácie sú vo všeobecnosti optimalizované na nízku spotrebu energie, majú malé rozmery a potenciálne nízke náklady. Druhá situácia zahŕňa veľmi vysokú priepustnosť (veľká šírka pásma), nízke oneskorenie a vysokú spoľahlivosť. Tretia ešte viac zvyšuje latku z hľadiska rozsahu a rýchlosti prenosu údajov a zahŕňa ultranízke oneskorenie a ultravysokú spoľahlivosť, aby sa uspokojili aj tie najprísnejšie požiadavky časovo citlivých aplikácií.

Komunikačné moduly a interná komunikácia v rámci zariadení sú navrhnuté a prispôsobené tak, aby poskytovali vlastnosti, ktoré sú zvyčajne spojené s jednou z týchto situácií. Tieto tri situácie sú charakterizované vzájomne sa vylučujúcimi charakteristikami, ktorým nedokáže vyhovieť jediný modul. V konečnom dôsledku sa treba rozhodnúť pre konkrétny produkt na základe toho, či by mal komunikačný modul a zodpovedajúce stavebné bloky pre nejaké zariadenie úplne vyhovovať potrebám konkrétnej situácie, alebo by mal pokryť len niektoré z požiadaviek viacerých situácií.