Xu hướng kết nối di động trong sản xuất
Cơ hội đáng kể đang chờ đợi với làn sóng không dây tiếp theo
Mặc dù kết nối không dây trong lĩnh vực sản xuất hiếm khi nằm trong danh sách ưu tiên công nghệ hàng đầu, nhưng bản chất vô hình và phổ biến của nó đã cho phép vô số đổi mới và cải tiến năng suất. Đây là cơ sở hạ tầng nền tảng cho nhiều xu hướng công nghệ chính mà các nhà sản xuất hàng đầu đã xác định để hội tụ thế giới kỹ thuật số và vật lý, chẳng hạn như robot, Internet vạn vật (IoT) và thực tế ảo / tăng cường.
Sử dụng cả kết nối có dây và không dây cho các cảm biến, máy móc và nền tảng, các hệ thống tự động và phức tạp liên tục phát triển trong các quy trình công nghiệp. Các hệ thống đang tạo ra một lượng lớn dữ liệu, cùng với phân tích, học máy và trí tuệ nhân tạo, có phương tiện để tăng đáng kể năng suất, giảm thời gian chết và dẫn đến các hệ thống tự cải tiến.
Việc có kết nối từ trước đến nay cũng mang lại lợi ích cho các yêu cầu kinh doanh cạnh tranh nhẹ nhàng hơn để cho phép tích hợp cá nhân với máy móc, khách hàng, nhà cung cấp và nhóm làm việc tốt hơn. Kết nối không dây là một kỳ vọng để tuyển dụng và duy trì lực lượng lao động thế hệ trẻ, phân tán và di động hơn. Để đánh giá tác động của nó, bạn chỉ cần nhìn lại ngày 29 tháng 6 năm 2007, khi iPhone đầu tiên được phát hành, và sau đó tua nhanh cho đến ngày nay, khi điện thoại thông minh và máy tính bảng là những công cụ thiết yếu cho cách mọi người làm việc. Sự ra đời của điện thoại thông minh và sự ra đời của mạng 4G Tiến hóa Dài hạn (LTE) được coi là làn sóng đầu tiên của công nghệ kết nối di động trong không gian sản xuất.
Làn sóng thứ hai của công nghệ này đang trên đường chân trời. Khả năng và xu hướng của nó sẽ có tác động đến các nhà sản xuất, khi con người, quy trình và mọi thứ trở nên cơ động hơn. Điều này không loại trừ mạng Wi-Fi, mạng này lý tưởng cho các kết nối vị trí cố định với người dùng và thiết bị đã biết. Khi chúng ta tiến tới một thế giới 5G, Wi-Fi và các phổ không có giấy phép khác sẽ hoạt động trong sự phối hợp và phối hợp với công nghệ kết nối di động như một phần của danh mục kết nối không dây.
Xu hướng số 1: Internet of Things. Mạng di động 4G LTE và các mạng 3G và 2G tiền nhiệm của chúng luôn được hỗ trợ kết nối IoT. Chúng thường sử dụng kết nối tương tự như điện thoại di động và hỗ trợ tốc độ băng thông cao hơn, nhưng phải trả giá, tiêu thụ điện năng và cạnh tranh băng thông. Khi các hệ thống IoT đã trưởng thành cho các ứng dụng công nghiệp, công nghệ di động đã phát triển để hỗ trợ các giao thức kết nối băng thông thấp và công suất thấp cho các cảm biến và thiết bị. Hầu hết các nhà khai thác mạng di động (MNO) hiện hỗ trợ ít nhất một trong các giao thức IoT di động mới trên mạng của họ.
Dựa trên công nghệ LTE, các giao thức này có thể cung cấp cùng mức độ bảo mật, tính di động và độ tin cậy như mong đợi của các mạng di động. Được gọi là CAT-M1 (cho máy loại một) hoặc NB-IoT (cho IoT băng hẹp), chúng hoạt động trên các băng tần di động hiện có, cả bên trong cơ sở sản xuất và bên ngoài trên mạng macrocellular. Các giao thức này được tối ưu hóa để giảm tiêu thụ điện năng, độ phức tạp và băng thông cần thiết cho cảm biến hoặc thiết bị, cho phép triển khai với nguồn pin tuổi thọ cao và giá thành thấp hơn.
Các giao thức IoT mới lý tưởng cho việc theo dõi tài sản, nền tảng di động, robot và cảm biến từ xa. Các nhà khai thác mạng di động đã triển khai các mạng quốc gia với các giao thức IoT này trong hai năm qua với nhiều quốc gia được thêm vào mỗi năm ( Hình 1 ).
Xu hướng số 2: Dịch vụ di động tại chỗ. Trong lịch sử, kết nối di động là lĩnh vực ngoài trời, hay còn được gọi là mạng vĩ mô, bao gồm các tháp di động ngoài trời và các mái nhà. Ngày nay, việc triển khai trong tòa nhà ngày càng gia tăng do sự kết hợp của nhiều yếu tố, bao gồm:
- Nhu cầu trong nhà tăng lên (80% tổng số phút di động xảy ra bên trong 3 )
- Các tần số vô tuyến cao hơn được sử dụng bởi các MNO (giảm sự thâm nhập của tòa nhà và vùng phủ sóng)
- Vật liệu xây dựng tiết kiệm năng lượng giúp giảm sự xâm nhập của các tín hiệu ngoài trời
- Ngày càng có nhiều tòa nhà được chứng nhận LEED® (Dẫn đầu về Năng lượng và Thiết kế Môi trường)
- “Mật độ” của số lượng các vị trí tế bào, dẫn đến giảm công suất và chiều cao ăng ten
- Các tùy chọn cho các trạm gốc di động tập trung vào CNTT và phần mềm và radio vào trung tâm dữ liệu
- Điện toán biên di động (MEC) và tải dữ liệu cục bộ
Ngành công nghiệp di động đang đối phó với thách thức này bằng các hệ thống mới được thiết kế để cung cấp kết nối di động tại chỗ và dựa trên tiền đề. Các hệ thống này bao gồm ( Hình 2 ):
- Hệ thống ăng-ten phân tán (DAS), thường được triển khai bên trong các sân vận động có sức chứa lớn, các tòa nhà cao tầng, khuôn viên và các cơ sở sản xuất lớn. DAS nhận nguồn tín hiệu từ một hoặc nhiều nhà khai thác mạng di động ở đầu cuối và, như tên gọi, phân phối tín hiệu đó qua nhiều ăng-ten.
- Hệ thống vô tuyến phân tán (DRS) có nhiều điểm truy cập vô tuyến với một hoặc nhiều MNO nằm trên toàn bộ cơ sở, thường thích hợp cho các tòa nhà cỡ vừa và các địa điểm sản xuất.
- Các ô nhỏ (SC), được kết nối vào mạng CNTT doanh nghiệp thường với một nhà cung cấp MNO duy nhất và hỗ trợ cho một số lượng hạn chế người dùng. Chúng phù hợp nhất cho các vị trí nhỏ hơn.
Xu hướng số 3: LTE riêng. Cùng với xu hướng hướng tới cơ sở hạ tầng di động dựa trên tiền đề, một tổ chức hiện có thể vận hành mạng LTE của riêng mình giống như một MNO cho cả dịch vụ điện thoại và thiết bị. Không được kết nối với bất kỳ mạng bên ngoài nào, hệ thống LTE riêng, như tên gọi của nó, dành cho việc sử dụng độc quyền và có kiểm soát của tổ chức. Thường được triển khai bằng cách sử dụng cùng một mạng phân phối như DAS hoặc DRS cho dịch vụ MNO thương mại, nó cung cấp hỗ trợ cục bộ cho việc điều khiển máy cũng như truyền thông dữ liệu và thoại nội bộ của người dùng.
Một hệ thống phụ trợ để kiểm soát, quản lý và quản trị người dùng và thiết bị (được gọi là EPC cho lõi gói nâng cao) được triển khai cục bộ như một phiên bản nhỏ của những gì MNO có trong lõi mạng của họ. Giống như mạng di động thương mại, một hệ thống riêng có tất cả các lợi ích của bảo mật đầu cuối, phổ tần chuyên dụng và việc sử dụng các thiết bị đầu cuối thương mại phổ biến. Điện thoại, cảm biến và thiết bị của người dùng có thể có kết nối chuyên dụng với hệ thống LTE riêng hoặc đăng ký kép cho cả mạng riêng và mạng thương mại. Loại thứ hai cho phép tạo hàng rào địa lý tại chỗ cho các thông tin liên lạc trên hệ thống riêng mà không làm mất kết nối bên ngoài tổ chức ( Hình 3 ).
Xu hướng số 4: Phổ chia sẻ, CBRS. Kết quả từ một sáng kiến chung của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) và ngành công nghiệp di động, Dịch vụ Vô tuyến Băng tần Công dân (CBRS), một phổ tần không dây mới mà các tổ chức có thể sử dụng và ưu tiên sử dụng trong công nghiệp, sẽ có sẵn trong đầu năm 2019. CBRS được ủy quyền trong quy định FCC Phần 96 phát hành năm 2016 ở tần số 3,55 GHz đến 3,70 GHz. Ở độ sâu phổ tần 150 MHz, nó bằng mức trung bình của bốn băng tần được cấp phép MNO chính của Hoa Kỳ hoặc những gì có sẵn trong các băng tần 2,4 GHz và 5 GHz không được cấp phép và thường bị tắc nghẽn cho Wi-Fi ( Hình 4 ).
CBRS được biết đến và dự định là một băng tần “đổi mới”, nơi các tổ chức và địa điểm có thể cấp phép nhẹ hoặc ưu tiên phổ tần hơn những người dùng khác. Nó không dành riêng cho bất kỳ một giao thức nào và có thể hỗ trợ đồng thời LTE, các dịch vụ dữ liệu hoặc các giao thức độc quyền. Kết hợp với xu hướng 2 và 3, nó sẽ cung cấp cho các tổ chức phương tiện để sở hữu và kiểm soát tất cả các khía cạnh của kết nối di động cho mục đích sử dụng công nghiệp.
Các tổ chức sản xuất có thể sử dụng Bậc 3 có mức ưu tiên thấp nhất là 80 MHz đến 150 MHz, được gọi là quyền truy cập được ủy quyền chung, miễn phí. Vị trí của các điểm truy cập phải được đăng ký với FCC và việc sử dụng các kênh 10 MHz riêng lẻ được cấp từ mạng kiểm soát quốc gia để không xung đột với người dùng chính phủ đương nhiệm hoặc những người khác được ưu tiên. Nếu tổ chức muốn có quyền truy cập chuyên dụng và mức độ ưu tiên cao hơn, tổ chức có thể có được hoặc cấp phép giấy phép truy cập ưu tiên cho việc sử dụng riêng của mình lên đến bốn kênh 10 MHz. (LƯU Ý: 10 MHz có thể cung cấp dung lượng lên đến 100 Mbps theo quy tắc chung.) Các cơ sở sản xuất không gần bờ biển Hoa Kỳ hoặc một trong các địa điểm cố định của chính phủ đã biết có thể sẽ không bao giờ được ưu tiên bởi người dùng ưu tiên đương nhiệm Cấp 1 ( Hình 5 ).
Không giống như phổ tần công cộng hoặc không có giấy phép được sử dụng bởi Wi-Fi, CBRS cho phép các cơ sở sản xuất sở hữu và kiểm soát phổ tần chuyên dụng. Điều này lý tưởng cho các quy trình sản xuất quan trọng và yêu cầu độ tin cậy và khả năng dự đoán cao hoặc độ trễ thấp.
Xu hướng số 5: 5G. Không thể không nghe về 5G trên báo chí và truyền thông, nhưng thật khó để hiểu ý nghĩa của nó đối với sản xuất. Đây là một tập hợp đa dạng các sáng kiến công nghệ với sự đầu tư, hỗ trợ và đổi mới đáng kể của ngành truyền thông. Đồng thời, chính trong giai đoạn đầu của việc quảng bá và nhận thức có thể làm lu mờ những gì nó có thể làm cho người dùng cuối. 5G không phải là một thứ hay một công nghệ. Thay vào đó, nó là một tập hợp của cả công nghệ mạng 4G mới và cải tiến, tập trung vào ba mục tiêu:
- Tăng tốc độ và dung lượng băng thông rộng.
- Kích hoạt một số lượng lớn các thiết bị.
- Hỗ trợ cho các ứng dụng quan trọng và có độ trễ thấp.
Các mục tiêu này rất phù hợp với các yêu cầu đối với dự báo công nghệ chuyển đổi cho sản xuất.
Để đạt được những mục tiêu này, ngành công nghiệp truyền thông đã đặt ra một số mục tiêu về hiệu suất cho quá trình phát triển 5G, chẳng hạn như độ trễ dưới 1 phần nghìn giây; 1 Gbps là tiêu chuẩn, tất cả các cách lên đến 20 Gbps là tốc độ cao nhất; và sử dụng năng lượng mạng ít hơn 90%. Ngành công nghiệp đang làm việc thông qua việc phát triển và triển khai nhiều công nghệ và tiêu chuẩn để thực hiện các mục tiêu này, chẳng hạn như làm cho các thành phần công nghệ mạng di động tập trung hơn vào CNTT, sử dụng phần cứng thương mại sẵn có, cho phép các chức năng mạng thông qua phần mềm và triển khai gần mép mạng hơn. Với hầu hết các tiêu chuẩn và công nghệ 5G, khả năng tương thích và khả năng tương tác với mạng 4G là điều cần thiết do sự phổ biến của các thiết bị 4G. Một số tính năng 5G đã được triển khai trên mạng 4G.
Khi các nhà sản xuất tìm cách đầu tư vào cơ sở hạ tầng kết nối di động, họ nên đánh giá và ưu tiên các công nghệ cụ thể trong danh mục 5G phù hợp với các yêu cầu hiện tại và tương lai của họ. Có khả năng là cơ sở hạ tầng 4G hiện tại có thể được tăng cường để cung cấp các khả năng cần thiết từ các sáng kiến 5G. Hệ sinh thái end-to-end hoàn chỉnh của các thiết bị, mạng và tính năng chỉ có 5G sẽ mất nhiều năm để hoàn thiện. Các nhà sản xuất có thể mạo hiểm một cách không cần thiết về lợi thế cạnh tranh, học hỏi có giá trị và thời gian triển khai bằng cách chờ đợi 5G.
Bộ công nghệ 5G phù hợp tốt với môi trường sản xuất. Một trong những công nghệ cốt lõi trong 5G là việc bổ sung phổ tần số cao hơn cung cấp độ trễ thấp, băng thông cao và nội địa hóa từ các đặc tính lan truyền. Các tần số này lý tưởng cho các hoạt động của máy móc và các quy trình chính xác trong môi trường dày đặc, như sàn nhà máy. Phổ tần cao hơn sẽ hoạt động với các dải phổ hiện có được cấp phép và không được cấp phép, cho phép sử dụng đồng thời chuyên biệt, kết hợp hoặc chung. 5G cũng sẽ mang lại tính toán và thông minh vượt trội cho hệ thống kết nối có thể cung cấp sự tích hợp của các tài nguyên kết nối và hoạt động với các quy trình và nhu cầu sản xuất khác.
Kết nối, cho dù là công nghệ có dây, Wi-Fi hay di động, là nền tảng cho làn sóng công nghệ công nghiệp thứ tư, một làn sóng thu thập, tổng hợp, phân tích và cuối cùng mang lại kết quả tự động, được hỗ trợ, dự đoán và chỉ định cho con người và quy trình. Khi cơ sở hạ tầng của nhà máy và lực lượng lao động trở nên di động hơn, cần phải có một cơ sở hạ tầng không dây an toàn và đáng tin cậy khi 4G chuyển sang 5G. Tính năng động và khả năng cạnh tranh của chuỗi cung ứng và sản xuất toàn cầu đòi hỏi các thiết bị phải hoạt động hài hòa với kết nối bên ngoài cơ sở, quy mô theo cấp số nhân và có thể được quản lý bởi tổ chức. May mắn thay, các xu hướng về công nghệ và cơ sở hạ tầng cho mạng di động đang tiến dần về phía rìa của mạng và trở nên dễ dàng hơn để có đủ khả năng chi trả và tích hợp vào mạng CNTT của nhà máy.
