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5G何时能成为未来工业互联网的网络基石?

许方敏 2018-09-13 2817 355

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作为工业互联网的重要基础设施,工业网络正向着IP化、智能化、无线化的方向发展,相比于传统的工业现场总线和有线网络, 5G在工业互联网中将会发挥着怎样的作用? 是否能够成为未来工业互联网的网络基石?

  摘要:作为工业互联网的重要基础设施,工业网络正向着IP化、智能化、无线化的方向发展,相比于传统的工业现场总线和有线网络, 5G在工业互联网中将会发挥着怎样的作用? 是否能够成为未来工业互联网的网络基石?

  2013年起,德国、美国、日本等制造业先进的国家开始积极推动工业4.0、智能制造和智能工厂的发展。而作为制造业大国的中国却长期在全球制造业价值链中处于中低端环节,大而不强。在新一轮工业革命来临之际,我国迫切需要借助在互联网、人工智能等相关领域的优势地位,实现弯道超车。

  工业2.0和3.0的标志是电气化和自动化,而4.0的标志是智能化,而实现智能化的基础是数字化,只有通过对设备和生产过程的数据采集才有可能通过人工智能、大数据分析等手段提供智能应用。

  无论是智能制造、工业互联网还是智能工厂,其本质都是信息的集成与分享,即在工厂实现数字化的基础上,利用网络技术和感知技术加强信息管理服务,提高生产过程可控性、减少生产线人工干预,并合理安排生产。

  但是根据笔者对国内不同领域的大中型工厂的走访,目前国内大部分制造企业的生产设备只实现了电气化和部分自动化,很多生产数据仍然无法采集,也没有对设备进行联网,因此还处在从工业2.0迈向工业3.0过程中,只有极少数行业领军大企业处在从3.0向4.0演进的过程中。因此,目前国家相关政策的侧重点之一在于夯实相关网络基础设施基础,推动企业的制造业的数字化与网络化建设。

  从工业互联网典型业务看网络需求

  目前智能工厂网络中承载的数据业务,可以根据各类业务分为三类,这三类业务对网络性能的要求也各不相同。

  控制类业务(传输设备控制指令)对网络的端到端时延和时延抖动要求分别达到毫秒级和微秒级,数据传输成功率大于99.999%。承载采集类业务(如采集设备状态数据的传感器数据)的网络需要提供高密度接入(百万连接/平方公里)和低功耗(使用超过10年以上)的能力,部分场合下需要具有移动接入能力。承载交互类业务(如文件传输、网页浏览)的工业网络需要提供高传输速率(Gbit/s)和较高的频谱利用率。

  总之,与普通的网络应用场景相比,工业场景对网络传输有着更严苛的低时延、高可靠性需求,工业场景中数据包小,工作环境较为恶劣,这些特点都决定着工业网络中不同网络技术的应用推广。

  传统的工厂网络

  传统的工厂控制网络主要是现场控制网络等有线网络为主,如工业以太网/现场总线(CAN,ModBus, ProfiBus,ProfiNet,FF,HART)等,其优点主要在于价格低廉,稳定可靠,方案成熟。但是由于历史原因,各种总线标准方案众多,兼容性,互联互通性差

  此外,有线网络普遍具有灵活性/移动性差、网络线缆在恶劣环境(高温高压腐蚀)无法工作等缺点。随着无线通信技术的成熟,一些工业控制标准组织也陆续推出了WirelessHART,ISA100.11a等无线工业控制网络标准,短距离无线通信,如Zigbee,Wifi,NB-IoT,Lora等,也在陆续被工业网络采用。这些短距离通信方案大多基于IEEE802.15.4标准,数据率低问题、可靠性不高、传输时延长、传输距离短,可靠性和时延不保证使得其不太适合于承载上述控制类业务。Wifi基于IEEE802.11标准,但是由于其主要针对的场景是节点数量低、功耗高的场景,同样其时延和可靠性无法保障。

  5G的三大应用场景和工业网络业务

  众所周知,5G主要有三大应用场景,URLLC(超可靠、低时延通信) 、 mMTC(海量机器类通信)、eMBB(增强型移动宽带)。

  URLLC主要关注无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。对于URLLC,ITU制定的用户面上行时延目标是0.5ms,下行也是0.5ms。通过采用更短的子帧结构和TTI周期,更灵活的调度和高层协议优化,目前从各大主要厂商的测试结果来看,其指标都低于ITU的时延上限,因此承载工业场景中运动控制和闭环控制类业务在时延、可靠性等方面问题。

  mMTC针对大规模物联网业务,主要关注的指标包括海量连接、低成本和低功耗,是一种低优先级的不确定网络,适合于数据采集,监测应用,尤其是恶劣环境的传感器数据上报。因此,很契合工业场景中数据采集类业务。

  eMBB针对3D/超高清视频等大流量移动宽带业务,关注的指标包括高移动性、高带宽和高传输速率。通过超密集网络和多连接,适合工厂环境的远距离大数据量的检测应用(如视频监控、产品质量视觉检测)和远程维护类应用。

  因此,笔者展望在未来的工业网络中,如下图所示,5G的三大应用场景分别适合于承载工厂网络中的不同业务。

  

5G的三大应用

图1 5G的三大应用

       5G在工业互联网中应用存在的问题

  虽然在技术性能指标上,5G可以承载工业网络不同的典型业务,但是目前来看,仍然存在以下有待解决的问题。

  安全性和可靠性的问题,由于不少工业企业更看重的是工业互联网带来的生产体系改造和业务模式创新,而无线网络相对于有线网络天然存在安全性和可靠性的问题,网络中断对于工厂设备和生产的正常运营影响非常大,尤其是控制类业务。

  兼容性的问题,传统生产设备上装备的现场总线和数据采集设备兼容性存在很多问题,因此,升级改造技术难度较大,成本较高。通过部署网关等设备实现互联互通,又必然引入额外的时延。

  驱动力不足的问题,中小微企业对工业互联网和网络建设的价值认识不足,企业升级的驱动力不足,投入产出比低,存在资金、技术、人才等多方面的制约。虽然工信部等国家部委通过工业互联网等资金项目在鼓励5G等先进网络技术在工业中的应用,但是目前仍然还是一些大型企业在积极行动。

  此外,5G技术和设备的成熟程度,5G频谱规划和部署这些问题都存在着诸多约束。

  因此,总的来看,在2020年以前,5G技术在工业互联网中承载控制类业务仍然看不到广泛应用的前景,但是有望在一些大中型领军企业看到一些5G在工业互联网中承载数据采集类业务和交互类业务的事例。

  结语

  智能制造和工业互联网是未来制造业升级改造的必然重点,网络基础设施又是工业互联网的基石,5G有望在未来数年内在工业场景中占据一席之地,但是仍然存在着安全性、兼容性、驱动力不足的挑战。因此,通过政策引导、典型示范和局部突破等方式,逐步推动5G在工业互联网中的应用是比较切实可行的路线。


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