5G通信推动流程行业数字化

无线的见解

• 无线通信可以帮助连接手机和平板电脑等移动设备，从而提高流程工业现场操作的效率。
• 5G正在成为一种满足工业流程要求的先进无线技术，并提供许多潜在的好处，如增加移动宽带、低延迟通信和机器型通信。

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无线通信应用于整个过程工业，有助于高效的工厂操作。例如，ISA100.11a是一个可靠的工业无线标准。符合isa100标准的设备广泛应用于从过程监控到闭环控制的各种应用中。另一种技术是低功耗广域(LPWA)无线网络，用于资产监控应用，其特点是各种节能技术和远程通信。无线通信还用于连接移动设备，如电话和平板电脑，从而提高了现场作业的效率。

加工工业和其他制造业正在引入数字技术，以进一步提高生产率。无线通信作为一项核心技术，可以提供不受位置限制的连接，正变得越来越重要。与此同时，无线通信满足不同应用程序的需求正变得越来越具有挑战性。例如，为了支持现场工作人员，必须确保整个工厂具有可靠的连接。更精确地控制移动机器人需要可靠性和实时交互。此外，为了利用人工智能(AI)实现工厂的自主运营，现场部署了大量传感器。需要大容量通信来连接这些传感器，获取大量数据并将其传输到基于人工智能的分析中。

5G正在成为满足工业流程要求的先进无线技术。下面，回顾5G技术并查看用例，包括实际应用带来的挑战。

5G通信特性概述

“5G”是第五代移动通信系统，继承了最近的3G和4G/LTE代。虽然这几代人更多地是为了个人通信服务而开发的，但5G也打算用作物联网(IoT)的网络基础设施，它将连接日常生活以及制造业和其他行业的所有设备和物体。

如图1所示，国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)为5G定义了三个通信特征:增强移动宽带、超可靠和低延迟通信以及大规模机器对机器通信。下面几节描述每种通信特性的性能要求。请注意，没有必要同时满足所有要求——例如，同时连接100万个终端，使用20 Gbps高速通信。

1.增强的移动宽带

5G的重点是提高宽带无线通信的数据吞吐量，这在前几代已经得到了增强。智能手机和其他移动终端的宽带服务就是利用这一特性的应用程序的典型例子。这些要求包括高达20 Gbps的通信速度，以及与特定区域用户的稳定通信带宽约为100 Mbps。

2.超可靠和低延迟的通信

5G的目标是实现高可靠性和低延迟，实现实时无线通信。该特性适用于关键任务的工业应用，如生产控制、远程手术和智能电网。要求无线时延小于等于1ms，数据包接收成功率≥99.999%。

3.大规模机器式通信

这一特性意味着同时连接多台低通信量的终端。假设应用程序有大量廉价的电池供电设备，如物联网传感器。要求包括每公里容纳超过100万个终端的能力2且省电性能优异，电池供电运行10年以上。

5G专用频谱

现有的大部分无线通信技术，如Wi-Fi和ISA100.11a，使用的是未经许可的频谱(如2.4 GHz频段)，不需要用户获得许可证。这种未经许可的频谱用于各种目的，为无限数量的用户提供服务。然而，在同一频率上有来自其他无线系统的干扰风险。另一方面，5G和其他移动通信系统通常使用只能由持牌人占用的许可频谱，并且不太容易受到其他系统的无线电干扰。这提供了更可靠的无线通信。由于通信可靠性在工业应用中至关重要，频谱的独家使用是5G与未授权频谱上的无线技术的一个区别。每个国家和地区分配给5G的频段各不相同，但预计将使用“sub-6”和毫米波频段:

• Sub-6(小于6ghz):该频段在覆盖区域和通信容量之间具有很好的平衡。在一些国家，3.7 GHz和4.5 GHz频段被分配。
• 毫米波(24 GHz及以上):由于高方向性，这种高频无线电波不能轻易绕过障碍物，但可以使用宽带宽提供更高的通信容量。在日本等国家，已经分配了28 GHz频段。

运营专用网络(本地5G)

现有的移动通信系统旨在通过移动网络运营商(MNO)建立的全国网络提供广泛的通信服务。另一方面，预计5G还将允许非电信运营商在有限地区建立和运营专用网络。私有网络可以根据不同的应用定制不同的通信性能，独立于其他网络和用户，适用于对安全性和稳定性要求较高的应用。

5G国际标准化

在一些国家，预计企业和地方政府将建设和运营自己的私有5G网络。该表格比较了全国运营商5G和地方5G的主要特征。除MNOs分配频段外，还将sub-6 (4.5 GHz)频段和毫米波频段分配给本地5G。获得许可证后，本地运营商可以在本地区独家使用这些频段。

3 gpp

3理查德·道金斯由主要国家和地区的标准化组织主导的Generation Partnership Project (3GPP)正在制定移动通信系统的标准。继3G和4G/LTE之后，3GPP正在制定符合ITU-R规定要求的5G标准。

5 g-acia标准

5G有望在传统移动通信行业和其他行业得到应用。纳入工业使用的新要求是成功制定标准的一个重要因素。每个行业都建立了关注5G使用的国际论坛，并正在与3GPP合作制定5G标准。在制造业，5G互联工业和自动化联盟(5G- acia)于2018年4月成立。制造业和电信行业的主要企业正在参与并讨论5G技术在制造业中的应用。

流程工业的五个潜在用例

在制造业中，现场应用对通信的要求各不相同，如资产远程监控、过程监控、现场工人移动终端连接、移动机器人操作等。如前所述，5G预计将被用作无线基础设施，能够引入各种无线工厂应用。此外，正在开发那些最能利用5G通信特性的应用程序，以促进制造业的数字化远程操作。图2显示了一个工厂中潜在的5G用例。

1.移动设备现场操作支持

为了提高巡查和检查工厂设施等现场工作的效率，正在部署移动设备。目前现场网络覆盖和带宽的限制限制了通过无线通信的工作支持应用。5G将允许在工厂的任何地方以更快的速度和更低的延迟进行宽带无线通信。

增强现实(AR)是5G增强移动宽带的用例之一。虽然AR需要大量数据，但它可以提供直观的解决方案，将高清图像叠加在待处理设备上，并实时显示在工人的平板设备或可穿戴终端上。现场工作人员可以在参考覆盖工作程序的同时操作目标设备，或与远程位置的技术人员实时共享现场图像，并获得具体建议。该用例不仅可以提高现场工作的效率、可靠性和安全性，而且可以通过实践更有效地传授技能。

2.高清图像远程监控

5G的容量比上一代4G/LTE更大，特别是在上游通信方面。这使得4K或更高的高分辨率视频可以实时传输。在工厂中一个潜在的应用案例是使用无线摄像机进行远程监控。当图像的清晰度足够高，可以区分液体表面颜色的细微变化或管道的腐蚀时，可以远程进行视觉检测。高分辨率图像还可以用作AI分析的输入，可以自动检测异常情况，如未经授权的人员入侵或火灾。

3.云机器人

随着劳动人口的减少，移动机器人有望确保工厂的安全可靠运行。这些机器人可以在工厂内自主移动，并代替工人在危险区域执行检查等任务。无人机可以在高空操作，这对人类工人来说是有风险的。“云机器人”是一项很有前途的技术。由于云中的控制功能不受机器人内部计算性能的限制，因此可以部署高级控制功能。

5G将利用其高速度和大容量的优势，使移动机器人能够实时无线连接到云端的控制功能。通过利用云中丰富的计算资源，实时处理来自机器人的摄像头图像和位置数据等大量传感器数据，将有可能执行更精确的态势分析和控制。5G提供的超可靠和低延迟通信可用于紧急、时间敏感的通信，以避免机器人和移动处理单元之间的碰撞等事故。

4.无线/云控制系统

现有的无线技术无法同时实现高可靠性和低延迟，但5G可以实现。这使得5G在关键任务应用中可行。一种可能的应用是使分布式控制系统(DCS)网络的一部分无线化，以降低在工厂的广大区域内安装和维护通信电缆的成本。监控点也可以添加和修改，而无需对通信电缆进行任何工作。

此外，如果5G能够确保现场设备和云之间的高可靠性、低延迟通信，则控制器和其他DCS功能可以放在云中，同时保持关键任务性能。除了外部云系统，5G预计将与多接入边缘计算(MEC)一起使用，该计算在网络中构建低延迟计算平台。当控制应用在MEC平台上实现时，可以在不需要互联网或其他网络的情况下，充分利用5G的高可靠性和低延迟，实现云控制服务。

5.同时连接多个传感器的数字双胞胎

数字双胞胎是网络空间中实际工厂的数字对等体，被用作实现工厂运营数字化转型的基础。应用并不局限于静态数字工厂设计信息。数字双胞胎实时反映现实世界的工厂状况，并可通过模拟和AI分析用于预测维护和优化操作。为了更精确地同步物理工厂和数字双胞胎的状态，需要准确掌握设备、管道和其他资产的状态以及天气和其他条件。为了实现这一点，必须安装许多传感器。为了满足这一要求，每个传感器必须是无线的，价格便宜，并且能够在不需要更换电池的情况下工作数年。5G多台设备同时连接的特性是这一应用的关键。

5G工业应用的现状和挑战

虽然5G在工厂中的潜在用例很多，但5G尚未在过程工业中得到积极实施。5G的引入面临挑战，如下所述。

5G产业能力的成熟

5G必须支持多种功能，以满足消费者和工业应用。5G标准正在分阶段优先制定。第一个标准3GPP Release 15于2018年发布，重点是为消费者支持增强型移动宽带。截至2021年7月，大多数5G网络都符合版本15。然而，这意味着今天的5G应用尚未充分利用该技术的全部潜力，仅限于增强的移动宽带特性。

发行版16及以后的标准包含了可用于全面工业应用程序的功能。它们增强了高可靠性、低延迟通信和专用网络，还支持与时间敏感网络(TSN)的互操作性，TSN是自动化领域的一种基本网络技术。尽管第16版于2020年7月发布，但截至2021年7月，合规产品尚未在工业市场广泛使用。

用于工业用途的功能将在Release 17(预计于2022年发布)、Release 18和后续(5G-Advanced)标准中得到增强。虽然5G提供了高可靠性、低延迟和多个同时连接等先进的工业功能，但还需要进一步开发5G标准、兼容产品和基础设施来支持这些功能。

5G创造商业价值

为了在工厂中广泛实施潜在的用例，标准、产品和基础设施必须成熟。此外，有必要证明新5G技术的投资回报率。虽然规格表明5G技术优于现有的无线通信，但5G的商业价值才刚刚显现。

使用5G、云和人工智能的远程控制技术概念验证

横河电机公司和NTT都科摩公司成功完成了使用5G远程控制技术的概念验证(PoC)测试。5G-ACIA (Docomo和横河是成员)在汉诺威工业博览会上展示了演示结果。

PoC包括一个基于人工智能的自主控制云环境，使用横河和奈良科学技术研究所开发的阶乘核动态策略规划(FKDPP)算法，结合Docomo提供的5G移动通信网络。该测试控制了模拟工厂处理操作，确定了5G在远程控制实际工厂流程方面的技术优势。

虽然这一PoC是一个有希望的步骤，但仍需进一步测试，以为工业5G解决方案开发明确的商业价值。例如，通信可靠性和延迟相关问题仍有待长期研究。

近年来，将生产设施设在偏远和/或危险地区的趋势推动了对远程工业操作的需求不断增长，并改变了人们的工作方式。一种可能的解决方案是在工厂安装用于高速无线通信的边缘设备，并采用基于云的自主AI技术实时控制设备。

代替PID, APC: 5G，自主控制AI

FKDPP算法已被证明是一种可行的自主控制人工智能解决方案。在2022年2月结束的一项为期35天的化工厂现场测试中，FKDPP成功地控制了使用现有的比例-积分-导数(PID)和手动执行的先进过程控制(APC)控制技术难以自动化的过程。FKDPP和云技术与5G相结合，提供低延迟和连接许多设备的能力，有望成为实现工业自主的核心技术。

该演示是为了验证是否可以通过5G网络在云中使用FKDPP控制三储罐级系统。设定了目标水位，进行了低至高速控制周期的测试，确认了移动通信延迟对FKDPP控制的影响。与4G相比，测试表明，特别是在高速控制下，5G提供了更低的延迟，相对于目标水位的超调更少，并且能够处理短至0.2秒的控制周期，实现了更稳定的质量和更高的能源效率的改进控制。

实现5G的潜力和好处

许多行业开始考虑使用5G无线通信技术来加速数字化转型。高可靠性、低延迟和同时连接到多个设备的特性对工业应用至关重要。要实现5G的广泛应用，必须完善5G标准、成熟5G合规产品、完善5G基础设施。向潜在用户展示5G的差异化和价值也是必要的。

Hideo西村标准化和技术经理;山本认，无线经理，都在日本横河．由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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关键词:5G，无线通信

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