5G odmieni oblicze przemysłu

Wyobraźmy sobie fabrykę w 2025 roku. Wszystkie materiały, części zamienne i gotowe towary krążą między poszczególnymi strefami zakładu, transportowane za pomocą floty pojazdów autonomicznych, skoordynowanych dokładnie z harmonogramem produkcji. Urządzenia połączone ze sobą w sieć przesyłają dane z całej linii produkcyjnej w ciągu zaledwie kilku milisekund. Inżynierowie terenowi bez trudu i precyzyjnie konserwują oraz serwisują podległy im sprzęt, korzystając z rozszerzonej rzeczywistości, bez konieczności opuszczania swoich stanowisk pracy, całkowicie zdalnie.

WSZYSTKO TO DZIĘKI ŁĄCZNOŚCI 5G

Dziś większość maszyn w fabrykach nadal jest połączona kablami. W najbliższej przyszłości najprawdopodobniej to się zmieni. Przewiduje się, że technologia komunikacji bezprzewodowej 5G początkowo będzie obsługiwać prędkości danych w przedziale 1-5 Gb/s, by docelowo wzrosnąć do 20 Gb/s - co uczyni ją 10-20 razy szybszą, niż to możliwe w ramach standardów obowiązujących dla LTE. Bezprzewodowa komunikacja prowadzona na tak dużych szybkościach powinna stać się kamieniem milowym na drodze do Przemysłu 4.0, w którym dzięki kompleksowym usługom cyfrowym i Internetowi Rzeczy fabryki zaczną być znacznie bardziej inteligentne, elastyczne i produktywne niż dziś.

Sieci bezprzewodowe 5G prawdopodobnie połączą w zakładzie przemysłowym niemal wszystko ze wszystkim, od zautomatyzowanych magazynów po roboty, systemy klimatyzacji i sterowanie przemysłowe. Możliwe stanie się przesyłanie za ich pomocą danych wygenerowanych nawet przez milion przemysłowych urządzeń IoT na kilometr kwadratowy. Po raz pierwszy da się reagować na poziomie milisekund, umożliwiając np. natychmiastowe zatrzymanie ramion robota, jeśli kamera zidentyfikuje obcy przedmiot na przenośniku taśmowym. Wysoka przepustowość przesyłu danych pozwoli również w pełni wykorzystać potencjał rzeczywistości rozszerzonej, wyznaczając nowy stopień interakcji między ludźmi a maszynami.

Według raportu "Mobile Economy 2019", opublikowanego przez GSMA, czyli stowarzyszenie operatorów sieci komórkowych, w 2025 r. technologia 5G będzie odpowiedzialna za 15% światowej komunikacji mobilnej. Już teraz w budowę sieci 5G inwestuje się rocznie 160 miliardów dolarów, a w ciągu najbliższych piętnastu lat jej funkcjonowanie zwiększy wartość światowej gospodarki o 2,2 biliona dolarów - głównie w sektorach produkcji i użyteczności publicznej.

"Dzięki rozwojowi i upowszechnieniu się rozwiązań 5G przed przemysłem staną ogromne możliwości", mówi Sander Rotmensen, dyrektor ds. zarządzania produktem w bezprzewodowej komunikacji przemysłowej w firmie Siemens. "Mówimy o sieci bezprzewodowej, która połączy kluczowe elementy zakładów: od automatycznych systemów regałowych i robotów produkcyjnych, po systemy klimatyzacyjne i panele sterowania. Będzie obejmowała wszystko, zapewniając bezprzewodowe, niezawodne, superszybkie i wyposażone w bardzo dużą przepustowość sterowanie zakładem przemysłowym".

Co ciekawe, uważa się, że opracowanie nowych i elastycznych koncepcji dotyczących funkcjonowania fabryk nie będzie wymagało zasadniczej przebudowy samej infrastruktury zakładów, czyli wyburzania hal i stawiania zupełnie nowych, futurystycznych obiektów. Rewolucja może zajść w murach, które już stoją, czasem od dziesięcioleci, polegając na dynamicznym i dokonywanym na bieżąco dostosowywaniu obszarów produkcyjnych do zmieniających się okoliczności.

TRZY KIERUNKI PRZEMIAN

Gdy patrzy się wstecz na rozwój sieci mobilnych w ciągu ostatnich czterdziestu lat, widzi się, że zawsze stanowiły one wartość dodaną zarówno dla użytkowników indywidualnych, jak i dla przemysłu. Pierwsza komercyjna sieć komórkowa - którą z perspektywy czasu możemy nazwać pierwszą generacją (1G) - pozwoliła ludziom rozmawiać ze sobą, poruszając się swobodnie, bez uwiązania do stacjonarnych aparatów. W sieciach 2G pojawiły się wiadomości tekstowe, a w 3G - Internet. 4G zamieniły nasze komórki w zaawansowane stacje nadawcze służące do strumieniowego przesyłania muzyki i wideo.

W zastosowaniach przemysłowych postęp ten nie szedł jednak tak szybko, napotykając ograniczenia technologiczne i kosztowe. Na dobrą sprawę dopiero wersja 4G zapewniła mobilny dostęp do wysokowydajnego obiegu danych, ale by wykorzystać to do stworzenia sprawnie działającego i zintegrowanego fabrycznego mechanizmu, potrzeba było wciąż czegoś więcej. Konkretnie: szerszych pasm przenoszenia danych, większej niezawodności transmisji, mniejszych opóźnień i możliwości podłączenia większej niż dotąd liczby urządzeń.

Potrzebna była też globalna standaryzacja sieci komórkowych. Odpowiada za nią 3GPP (3rd Generation Partnership Project) - międzynarodowa organizacja normalizacyjna, zajmująca się rozwojem systemów telefonii komórkowej, stworzona w roku 1998 w celu opracowania norm dla telefonii komórkowej trzeciej generacji. Wypracowała dotąd trzy kluczowe scenariusze, czy raczej kierunki, rozwoju i wykorzystania sieci 5G, które rozpisano na osiem szczegółowych cech wraz z opisami technicznymi (patrz tabela).

Firma HMS Networks zapytała pięćdziesięciu międzynarodowych ekspertów branżowych o to, czy firmy, z którymi są związani, wierzą w przyszłość komunikacji bezprzewodowej i jak przygotowują się one do wdrażania sieci 5G. Na podstawie uzyskanych odpowiedzi powstał dokument "5G: Czy przemysł jest gotowy?". Ponad połowa respondentów (54%) przyznała, że ich firmy już stosują rozwiązania bezprzewodowe do zdalnego monitorowania i sterowania urządzeniami. Jedna trzecia (34%) potwierdziła korzystanie z komunikacji bezprzewodowej powiązanej z różnymi rodzajami IIoT. Prawie połowa pytanych (48%) pozytywnie traktuje stosowanie technologii 5G do produkcji, oczekując m.in., że wyeliminuje ona z fabryk tradycyjne okablowanie, WLAN i wiele obowiązujących obecnie standardów przemysłowych. Dla większości ankietowanych (58%), również tych reprezentujących działy IT i OT, głównymi zaletami systemów bezprzewodowych są niezawodność i stabilność chroniąca przed zakłóceniami. Małe opóźnienie w przesyłaniu sygnału zostało uznane za ważne przez ponad jedną czwartą (26%) respondentów.

Pierwszy dotyczy tzw. rozszerzonego mobilnego szerokopasmowego dostępu do Internetu (Enhanced Mobile Broadband, eMBB). Celem jest tu stworzenie aplikacji obiegu danych, które wymagają dużych prędkości transmisji przy dużym zasięgu sieci. Będą one stosowane w rozwiązaniach powiązanych z wirtualną i rozszerzoną rzeczywistością, które w odniesieniu do wykorzystania w przemyśle wesprą pracowników linii montażowych i inżynierów terenowych, wyposażonych w inteligentne okulary.

Drugi kierunek oznacza prace nad tzw. ultraniezawodną transmisją o niskich opóźnieniach (Ultra-Reliable Low-Latency Communication, URLLC). Chodzi tu o opracowanie standardów komunikacyjnych dla wymagających zastosowań opierających się na wysokiej niezawodności i niskim opóźnieniu transmisji danych przemysłowych, przydatnych zwłaszcza w obszarze robotów mobilnych, autonomicznej logistyki, pojazdów AGV i kwestii bezpieczeństwa.

W trzecim scenariuszu skoncentrowano się na masowej komunikacji pomiędzy maszynami (Massive Machine-Type Communication, mMTC), czyli na kwestii wymiany informacji między wieloma urządzeniami zamontowanymi na niewielkim obszarze. W praktyce oznacza to upowszechnianie Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT). Podłączone do niego urządzenia będą wysyłać lub odbierać dane w dłuższych odstępach czasu, wykorzystując możliwie najwęższe pasmo. Komunikacja mMTC może być również stosowana w sektorze procesowym, w którym mnóstwo czujników monitoruje każdy etap wytwarzania.

Nie wszystkie opracowywane funkcje poszczególnych modeli komunikacji będą dostępne od samego początku, a w wielu przypadkach nie da się ich również połączyć ze sobą. 3GPP zdefiniowała jednak szereg warunków, które 5G musi spełniać, aby osiągnąć podstawowe cele w trzech kluczowych scenariuszach. Obejmują one pasma częstotliwości o szczytowej szybkości transmisji danych 20 Gb/s i maksymalnym opóźnieniu 1 ms, a także specyfikacje dotyczące mobilności, gęstości, wydajności energetycznej, wydajności widma i przepustowości sieci. Specyfikacje publikowane są etapami. Pod koniec 2018 r. pojawiły się standardy dla komponentów 5G do użytku w komercyjnych mobilnych sieciach bezprzewodowych, a na wymagania dotyczące wersji przemysłowych wciąż czekamy.

OCHRONA DANYCH

Jedną z najważniejszych kwestii związanych z tworzeniem sieci 5G stanowi zagadnienie, które można nazwać "publiczne kontra prywatne". Pierwsza wersja 5G obejmuje działanie sieci publicznych, podczas gdy standaryzacja sieci prywatnych powinna pojawić się w połowie przyszłego roku, dotycząc również modelu URLLC, a więc mając zastosowanie do aplikacji przemysłowych.

Rozpowszechnione dziś sieci komórkowe są publiczne. Obsługują je operatorzy, którzy odpowiadają za wszystkie przesyłane dane. Z punktu widzenia użytkowników stanowi to zagrożenie dla ochrony tych danych, ponieważ właściwie nie podlegają one ich kontroli. Sieci prywatne działają w tej mierze na podobieństwo WLAN, czyli bezprzewodowej sieci LAN. Dane pozostają w ich obrębie i nie opuszczają domeny prywatnej. Są zatem bezpieczniejsze.

Wzorzec 5G potrzebuje jednak szerszego spektrum niż dotychczasowe generacje komunikacji mobilnej. Częstotliwości przesyłu danych są tu niejako "własnością" rządów. Niektóre z nich pozostają bezpłatne - np. pasma ISM (przemysłowe, naukowe i medyczne), ale w przypadku zwykłych mobilnych sieci publicznych rządy sprzedają częstotliwości ich operatorom, którzy w oparciu o przyznane miejsce przystępują do tworzenia krajowych sieci. Zazwyczaj koncentrują się na aplikacjach typu eMBB, zapewniających użytkownikom najwyższe możliwe prędkości transmisji i przepustowość.

W przemysłowych wersjach 5G pewne elementy będą jednak działały nieco inaczej. Możliwe stanie się np. "dostosowanie" sieci do aplikacji. W niektórych branżach skoncentrowanie się na URLLC i mMTC może okazać się bardziej korzystne niż eMBB. W sieciach prywatnych użytkownicy końcowi mogą określić, które parametry są dla nich istotne, by móc obsługiwać sieć w optymalny sposób dla określonej aplikacji. Potrzebne jednak będzie do tego wystarczające widmo radiowe, czyli pasmo.

W każdym państwie może to wyglądać nieco inaczej. W Niemczech Federalna Agencja Sieci (Bundesnetzagentur) przeznaczyła do lokalnego użytku przemysłowego pasmo 3,7-3,8 GHz. Tamtejsze firmy będą mogły rezerwować sobie w nim za roczną opłatą przestrzeń do wyłącznego użytku we własnych obiektach, zapewniając przy okazji ochronę swoich zakładowych i biznesowych danych. Rozwiązanie to zostało osiągnięte częściowo dzięki staraniom grupy 5G-ACIA, czyli 5G Alliance for Connected Industries and Automation, której członkami są tacy giganci niemieckiego i globalnego rynku, jak firmy ABB, Beckhoff, Festo, HARTING, HMS, Mitsubishi Electric, Phoenix Contact, Sick, Siemens, WAGO i Weidmüller.

W Polsce, zgodnie z przygotowanym projektem rozporządzenia ministra cyfryzacji, Urząd Komunikacji Elektronicznej powinien do czerwca 2020 r. wydać decyzję w sprawie rezerwacji częstotliwości 3,7 GHz przeznaczonej pod sieć 5G. Do tego celu wytypowano też pasma 700 MHz, 3,5-3,6 GHz i 26,5-27,5 GHz. Na odpowiedź na pytanie o miejsce w tym zakresie dla sieci przemysłowych musimy chyba jeszcze trochę poczekać. Podstawę do wszystkich konkretnych rozwiązań stanowi dokument Ministerstwa Cyfryzacji "Strategia 5G dla Polski" opublikowany w styczniu 2018 roku.

(wsk)