5G和無線連接：讓智慧工廠更靈活！

在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，工廠的固定串行生產(chǎn)線模式正迅速演變?yōu)楦`活的工廠環(huán)境。

今天的消費(fèi)者推動(dòng)了這一制造業(yè)轉(zhuǎn)型趨勢(shì)：他們希望自己的產(chǎn)品提供更多選擇，要求工廠擺脫“一刀切”的制造模式，轉(zhuǎn)變?yōu)楦`活且復(fù)雜的工廠。

將5G作為專用網(wǎng)絡(luò)添加到工廠可實(shí)現(xiàn)所需的靈活性，從而改善協(xié)調(diào)并提高工廠車間的可視化。專用網(wǎng)絡(luò)還支持工廠運(yùn)營的預(yù)測(cè)性維護(hù)，并幫助制造商創(chuàng)建“數(shù)字孿生”。

專用網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)步崛起

移動(dòng)專用網(wǎng)絡(luò)是一種行之有效的方法，在許多行業(yè)中已使用多年。例如，鐵路已經(jīng)在專用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營了很長時(shí)間，而部分2G移動(dòng)頻譜早在幾十年前已提供給本地和私人使用。5G連接的新功能是3GPP（定義蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的組織）明確界定為支持垂直業(yè)務(wù)要求的專用網(wǎng)絡(luò)的使用場景。

強(qiáng)調(diào)專用網(wǎng)絡(luò)在一定程度上是對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的回應(yīng)，工業(yè)領(lǐng)域正推動(dòng)用無線連接取代或增強(qiáng)有線以太網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也為廣泛的業(yè)務(wù)流程帶來了新功能。

典型的制造環(huán)境

為什么？全球人才短缺、新的使用場景、地緣政治變化，工廠需要提高能效以及產(chǎn)品趨勢(shì)迅速變化等因素都在推動(dòng)對(duì)專用網(wǎng)絡(luò)的需求。

讓我們從產(chǎn)品趨勢(shì)開始。如果長期只生產(chǎn)一種產(chǎn)品，那么整體采用有線連接的工廠便能夠運(yùn)轉(zhuǎn)良好。這種經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的方法使用以太網(wǎng)、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 和其它有線技術(shù)進(jìn)行通信。

然而，在各個(gè)行業(yè)，這種單一產(chǎn)品生產(chǎn)線模式正迅速向更靈活的工廠環(huán)境轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在的工廠需要更高效的多功能連接解決方案。

靈活性：未來工廠必備要素

每當(dāng)必須重新配置生產(chǎn)時(shí)，在工廠車間移動(dòng)電纜效率太低。工廠仍需要電纜，但可將5G專用網(wǎng)絡(luò)視為無線基礎(chǔ)設(shè)施的補(bǔ)充覆蓋層，從而提供更大的靈活性。

無線技術(shù)對(duì)于連接在倉庫或工廠車間四處移動(dòng)的機(jī)器人尤為重要。對(duì)于需要使用和移動(dòng)的大型系統(tǒng)而言也同樣重要。移動(dòng)性是這些機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵，它們的靈活性不是特別高，但如果每次機(jī)器人位置改變時(shí)不需要鋪設(shè)新的電纜，不需要從屋頂上拉電纜下來，之后再放回原位，就會(huì)帶來很多好處。無線網(wǎng)絡(luò)提供了更簡單、更靈活的解決方案。

將5G和無線連接視為支持工廠運(yùn)營移動(dòng)性的關(guān)鍵技術(shù)。例如，現(xiàn)代汽車生產(chǎn)線可能借助無線連接，實(shí)現(xiàn)裝配流程向汽車集中，而不是汽車沿裝配線移至不同的流程。

在這個(gè)更大的飛機(jī)制造應(yīng)用場景中，客機(jī)機(jī)身保持靜止，而機(jī)翼組件、配線束和涂裝設(shè)備移動(dòng)到飛機(jī)的相應(yīng)區(qū)域。

靈活的混合工廠環(huán)境

隨著越來越多的工廠變得更加靈活，完全采用有線連接的工廠可能會(huì)變得障礙重重。但這并不意味著使用云來管理每個(gè)設(shè)備和子系統(tǒng)。

在高級(jí)工廠中，最高層級(jí)使用無線連接和5G無線專用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)工廠車間的流程，而注重時(shí)效的系統(tǒng)仍采用有線連接方式。

在混合層級(jí)，機(jī)器人內(nèi)部采用TSN有線連接，并與無線網(wǎng)絡(luò)連接，支持在各工廠子系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。這種方式可減少對(duì)機(jī)器人的干擾，同時(shí)通信變得至關(guān)重要。

當(dāng)今的機(jī)器人應(yīng)用基于微控制器和處理器，可使用云管理軟件輕松地管理和更新嵌入式軟件。嵌入式設(shè)備中的實(shí)時(shí)軟件可以更新和監(jiān)控，其所有優(yōu)勢(shì)已在數(shù)據(jù)中心得到驗(yàn)證。使用云管理服務(wù)通過專用網(wǎng)絡(luò)來增強(qiáng)工廠性能，可實(shí)現(xiàn)更好的協(xié)調(diào)，增加可視化，提高軟件敏捷性并簡化生命周期管理。

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服務(wù)質(zhì)量：首要指標(biāo)

工廠一旦擺脫了有線模式，無線鏈路提供的服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 對(duì)工廠運(yùn)行變得至關(guān)重要，因?yàn)殒溌分袛鄷?huì)導(dǎo)致工廠停機(jī)。在QoS指標(biāo)中，鏈路可用性 (在整個(gè)工廠中測(cè)量) 是最重要的因素，其次是受限的延遲和吞吐量。工廠環(huán)境無法接受無線鏈路較弱或不存在無線鏈路。必須保證無線鏈路在整個(gè)工廠車間都可用 ，畢竟，沒人想看到配貨機(jī)器人在工廠中途失去其通信鏈路。

配貨機(jī)必須與所攜帶的無線設(shè)備完全連接，否則設(shè)備可能會(huì)停機(jī)。眾所周知，工廠車間受到電氣和電磁干擾以及RF信號(hào)阻隔器的困擾，對(duì)無線連接不友好。還有鋼梁、發(fā)動(dòng)機(jī)和其他所有對(duì)射頻信號(hào)不友好的金屬物體。

Wi-Fi和3GPP現(xiàn)在都已認(rèn)識(shí)到這些挑戰(zhàn)，并積極制定實(shí)現(xiàn)真正智能工廠所需的具體標(biāo)準(zhǔn)。通過擴(kuò)大移動(dòng)專用網(wǎng)絡(luò)的吸引力，3GPP將把5G打造為在未來改善運(yùn)營、推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)增長的標(biāo)準(zhǔn)。

專用網(wǎng)絡(luò)的安全性

在工廠正常運(yùn)行時(shí)，安全性的重要性不亞于QoS。一旦工廠實(shí)現(xiàn)了連接，就會(huì)成為潛在目標(biāo)。工廠環(huán)境中的有線和無線網(wǎng)絡(luò)都是黑客和網(wǎng)絡(luò)罪犯的主要攻擊面，這些不法分子試圖干擾網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行、安裝勒索軟件或非法訪問有價(jià)值的數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)等工廠數(shù)據(jù)具有巨大的價(jià)值，絕不能泄露。

傳統(tǒng)的安全技術(shù)也非常重要?；ヂ?lián)工廠設(shè)備的身份/身份驗(yàn)證非常重要，無線鏈路加密也非常重要，以確保數(shù)據(jù)不會(huì)被惡意行為者篡改?；氐綄?duì)Wi-Fi和3GPP的比較上，工廠安全性歸根結(jié)底取決于設(shè)備的最佳配置方法。設(shè)備是否由SIM卡、密碼、二維碼或其他技術(shù)進(jìn)行配置？配置對(duì)于每個(gè)工廠站點(diǎn)、設(shè)備供應(yīng)商或網(wǎng)絡(luò)類型是不是唯一的？生命周期管理是安全工廠的一個(gè)重要方面，目前整個(gè)行業(yè)都著手處理這個(gè)方面。

結(jié)束語

芯片供應(yīng)商和部署在工廠環(huán)境中的無線專用網(wǎng)絡(luò)解決方案之間存在強(qiáng)大、持續(xù)的價(jià)值鏈。作為一家全球半導(dǎo)體公司，恩智浦為多種標(biāo)準(zhǔn)的無線連接提供全面的芯片和軟件解決方案，從藍(lán)牙和NFC等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議到Wi-Fi和5G基礎(chǔ)設(shè)施以及客戶端解決方案。恩智浦與多個(gè)工業(yè)通訊和設(shè)備供應(yīng)商合作，確保每個(gè)終端產(chǎn)品都符合工業(yè)對(duì)QoS、安全和工廠自動(dòng)化其他重要方面的要求。

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(本文作者Wim Rouwet，恩智浦半導(dǎo)體杰出技術(shù)人員)