工業(yè)自動化從通信的視角看待5G對行業(yè)的賦能

這周，世界移動通信大會MWC21在上海舉辦。作為通信領域年度性的盛會，MWC見證了全球移動通信的發(fā)展與變化，可以說是產業(yè)演進的風向標。

根據大會中最新披露的數據，目前中國已經建設近72萬座5G基站，5G基站數量全球領先。截至2020年底，全球5G連接數的75%以上來自中國?？梢哉f，中國在5G取得的卓越成績舉世無雙。

隨著MWC的舉辦，5G的關注度又一次提升，5G融入千行百業(yè)的進程正在加速。

關于MWC上發(fā)布的最新觀點和產品，物聯網智庫此前已有多篇報道，本文就不再一一贅述。

MWC提供了從通信的視角看待5G對行業(yè)的賦能。

然而，更令我好奇的是，從各個行業(yè)的角度，他們又是如何看待5G的加入和應用。

尤其在工業(yè)領域，當工程師們進行技術評估時，必須針對特定應用，綜合考慮各種因素和可能性，比較和權衡各種無線通訊技術。

不夸張的說，幾乎沒有什么情況比工業(yè)無線通訊更復雜。

因此通過遠程訪談和資料匯總，本文嘗試呈現在工業(yè)領域，工程師們面對5G時的一些思考。

先說結論：

第一次，有大量的工業(yè)自動化工程師，推動著同一個通用無線標準à5G。

沒有單一的無線協(xié)議可以滿足所有應用，5G時代也不例外。

5G雖然目前能力有限，但各種增強功能正在路上，宜用動態(tài)的目光來看待她。

在本文的最后，我將送你兩份有價值的白皮書，一份是中國移動最新發(fā)布的《5G無線技術演進白皮書》，描繪了接下來5G國際標準的發(fā)展藍圖;另一份是愛立信發(fā)布的《5G時代的蜂窩物聯網--通過蜂窩物聯網實現產業(yè)轉型》。

01

工業(yè)無線，工業(yè)自動化的熱點領域

由于5G的加入，讓超高可靠與低時延的無線通訊有了更多選擇。

為了防止在眾多的工業(yè)無線通訊技術之間迷失，產生選擇困難癥。于是，有人畫了上面這幅決策樹。

工業(yè)無線的選型復雜性可見一斑。

下圖是在工業(yè)傳感網絡中，常見的幾種無線通訊和市場占比。

根據調研機構ON World的分析，在工業(yè)傳感網絡中，23%的企業(yè)使用WirelessHART，10%的企業(yè)使用ISA100.11a無線通訊標準，這些技術具備很強的抗干擾能力、超低功耗、支持實時通信等特征。

必須承認，工業(yè)無線，一直是工業(yè)自動化的一個熱點領域，工業(yè)無線產品被認為是新的發(fā)展支點。

在家庭和個人連接中，我們所熟悉的Wi-Fi、BLE和UWB，普遍難以滿足工業(yè)的嚴苛要求，比如低功耗、安全等級高、抗干擾性強等，使得為工業(yè)場景量身定制無線通訊技術，成為一種趨勢。

上圖中，很多基于802.15.4的技術，包括ISA100.11a、WirelessHART、Zigbee等，在工業(yè)應用中大放異彩。

尤其是最近幾年，上述幾種適合在惡劣的工業(yè)現場環(huán)境中使用，滿足工業(yè)設備之間近距離、低速率信息交互的無線通訊技術，市占率都取得了不錯的增長。

同時，工業(yè)自動化領域的無線通訊技術持續(xù)迭代，業(yè)界對于低功耗廣域網LPWAN的興趣在逐步提升。

ON World每兩年進行一次調查，最近一次該機構調研了全球273家工業(yè)自動化廠商中使用的無線技術，LPWAN的使用率翻了一番。

在工業(yè)落地生根的無線技術，雖然根據各自擅長的場景進行了優(yōu)化，但都具有很多共性：

低功耗：盡量降低無線傳輸中的功耗，節(jié)省電池電量。

低帶寬：大部分場景發(fā)送的數據量有限，而且?guī)挼透捉档凸摹?/p>

更新速率低：設備發(fā)送數據的間隔較長，目的同樣也是為了節(jié)省功耗。

雙向傳輸：數據的讀取和寫入同樣重要。

可靠性高：關鍵數據必須確保傳輸無誤。

安全等級高：只有特定的接收者才能解讀數據。

02

業(yè)界首次，圍繞無線標準形成合力

為了推進工業(yè)無線的發(fā)展，工業(yè)領域有很多成熟的無線通訊標準組織，典型的包括HART基金會、ISA協(xié)會、ODVA和Avnu聯盟，他們都在積極研究如何將現有通訊技術與5G結合使用。

我們依次來說。

HART是過程工業(yè)中規(guī)?；渴鸬耐ㄓ嵓夹g之一。HART通信基金會是一個國際非盈利性組織，是HART通信協(xié)議的技術所有者和標準修訂團隊。

WirelessHART是用于過程自動化的無線網狀網絡通信協(xié)議。除了保持現有HART設備、命令和工具的能力，它增加了HART協(xié)議的無線能力。

如今，WirelessHART擁有超過45,000個可運行的網絡，連接來自眾多廠商的數百萬個獨立設備。

在HART基金會的眼中，5G不是WirelessHART的替代者，而是神助攻。

有時，WirelessHART被應用于偏遠的石油或天然氣井場、壓縮機站或類似的場景，這些數據的遠程傳輸則要用到5G。

5G讓WirelessHART用戶的傳輸距離得以擴展，同時滿足工業(yè)環(huán)境的需求。5G與WirelessHART搭配使用的方案

類似的，其他組織也在考慮將自身的無線技術與5G無縫對接。

成立于1945年的ISA國際自動化協(xié)會，下屬的ISA100工業(yè)無線委員會主要定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)相關規(guī)程和實現技術。ISA100與5G結合的思路與WirelessHART類似。

ODVA開放設備網供應商協(xié)會，是一個由全球知名的工業(yè)自動化公司組成的國際性協(xié)會。ODVA及其成員通過利用通用工業(yè)協(xié)議(CIP)共同支持網絡技術。

在2020年疫情之前舉辦的最后一場大型面對面年會中，ODVA重點討論了如何將5G、WiFi 6和EtherNet/IP進行融合。

眾多獨立的第三方組織，包括Avnu聯盟、工業(yè)互聯網聯盟等，紛紛積極參與TSN與5G的測試、推廣及產品認證等各項工作。

TSN(Time-Sensitive Networking)時間敏感網絡。因其標準的以太網架構和精準的流量調度能力，非常符合工業(yè)場景中確定時延、不被中斷、可靠傳輸的要求。

TSN與5G的結合已有諸多成果，它們搭配使用可以在更廣范圍內實現“時鐘同步即服務”(Clock Synchronization as a Service)。

與此類似，正在琢磨著如何與5G接壤的通訊技術和相關組織，可以拉出一個長名單。

03

一個選項，但5G面對的并不是單選題

從更大視角來看，無線通訊只是工業(yè)通訊汪洋中的冰山一角，在2020年占比約為6%。

站在行業(yè)的角度，5G是一種選擇，但并不是唯一選擇。

作為其中的一個選項，5G所參與的并不是一道單選題。

行業(yè)用戶希望根本感受不到通訊技術之間的切換，而是一張網能夠解決通話、傳輸、控制等各種問題。

以煤礦行業(yè)為例，井下有上萬種設備，大約70%固定位置，30%可以移動。如果聯網問題全部用5G解決，花費的代價很大。如果使用“5G + WiFi 6 + 有線網絡”的組合方案，更具可行性，但這對企業(yè)整合各種技術與產品的能力提出了嚴苛的挑戰(zhàn)。

網絡同樣復雜的還有石油石化行業(yè)。

考慮到石油和天然氣企業(yè)廣泛的數字化要求，使用混合的網絡模型，將有線和無線結合、5G和其他無線技術結合，也是首選方案。

將油田和天然氣的傳輸需求劃分為上游、中游和下游三種形態(tài)，提出針對性的混合模型。

在工廠自動化領域，情況同樣繁復。

車企是身先士卒的嘗鮮者，我們擇其一為例。

根據某車企的實測，5G URLLC(超可靠、低時延通信)的能力可以和PROFINET RT和PROFIsafe這樣的通訊技術相媲美。

我們都知道，PROFINET RT實時通信，適合周期性數據交換，還必須保證一定的實時性的場合。這里的實時性，一般要求循環(huán)周期小于10ms。

而PROFIsafe是一種安全通信協(xié)議，它將安全設備和標準設備的數據流整合在一起，使標準設備和安全設備能同時共用一條通信鏈路。

這個結論對于工業(yè)自動化有重要意義。它意味著此前只能通過有線手段完成的工業(yè)現場人機交互，現在可以通過無線方式進行。

在這個測試中，5G同樣只是團隊“成員”之一，與其他有線和無線網絡“隊友”，共同完成數據通訊任務。

----寫在最后----

5G的應用場景80%是面向各種產業(yè)。

根據最新統(tǒng)計數據顯示，2020年全球各類5G行業(yè)項目總數接近6000個，其中超過20個運營商發(fā)布了5G行業(yè)解決方案。

5G進入千行百業(yè)正在如火如荼的開展。

在行業(yè)用戶嘗試5G的過程中，現有5G網絡存在能力不足、難以滿足行業(yè)需求等問題尚待攻克。雖然5G目前能力有限，但各種增強功能正在路上，宜用動態(tài)的目光來看待她。

標簽： 工業(yè)自動化