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5G+智能制造=未来工厂

日期: 2019-10-25
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5G的超高无线速度,将给社会的一切带来一场升级革命,这就是由量变引起质变的社会变革。那么,5G通讯技术将给智能制造带来了什么影响呢?

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智能制造对5G网络有哪些需求?

显而易见,智能制造过程中云平台和工厂生产设施的实时通信、以及海量传感器和人工智能平台的信息交互,和人机界面的高效交互,对通信网络有多样化的需求以及极为苛刻的性能要求,并且需要引入高可靠的无线通信技术。

高可靠无线通信技术在工厂的应用来看,一方面,生产制造设备无线化使得工厂模块化生产和柔性制造成为可能。另一方面,因为无线网络可以使工厂和生产线的建设、改造施工更加便捷,并且通过无线化可减少大量的维护工作降低成本。

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在智能制造自动化控制系统中,低时延的应用尤为广泛,比如对环境敏感高精度的生产制造环节、化学危险品生产环节等。智能制造闭环控制系统中传感器(如压力、温度等)获取到的信息需要通过极低时延的网络进行传递,最终数据需要传递到系统的执行器件(如:机械臂、电子阀门、加热器等)完成高精度生产作业的控制,并且在整个过程需要网络极高可靠性,来确保生产过程的安全高效。

此外,工厂中自动化控制系统和传感系统的工作范围可以是几百平方公里到几万平方公里,甚至可能是分布式部署。根据生产场景的不同,制造工厂的生产区域内可能有数以万计传感器和执行器,需要通信网络的海量连接能力作为支撑。

5G使能工厂无线自动化控制

在自动化控制中,倒立摆是典型的应用。倒立摆原理用于机器人各种姿态控制、航空飞船对接控制等姿态控制等工业应用。国内实验室通过倒立摆验证5G对极低试验自动控制的价值,研究表明,当倒立摆运行在4G模式下时,4G的过高时延,使得倒立摆的控制指令不能得到快速执行,倒立摆起摆到稳态的时间过长,达到13.2秒。

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当运行在5G模式下时,5G的1ms超低时延,使倒立摆的控制指令快速执行,起摆到稳态只用4秒。通过对比,可以看到5G低时延网络在自动控制的巨大价值,网络端到端时延从4G的50ms减低至5G的1ms。

自动化控制是制造工厂中最基础的应用,核心是闭环控制系统。在该系统的控制周期内每个传感器进行连续测量,测量数据传输给控制器以设定执行器。典型的闭环控制过程周期低至ms级别,所以系统通信的时延需要达到ms级别甚至更低才能保证控制系统实现精确控制,同时对可靠性也有极高的要求。如果在生产过程中由于时延过长,或者控制信息在数据传送时发生错误可能导致生产停机,会造成巨大的财务损失。

此外,在规模生产的工厂中,大量生产环节都用到自动控制过程,所以将有高密度海量的控制器、传感器、执行器需要通过无线网络进行连接。

闭环控制系统不同应用中传感器数量、控制周期的时延要求、带宽要求都有差异,典型来看,周期时间和通信带宽大小的一些典型值如下:

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5G切片网络可提供极低时延长、高可靠,海量连接的网络,使得闭环控制应用通过无线网络连接成为可能。基于国内5G的实测能力:空口时延可到0.4ms,单小区下行速率达到20Gbps,小区最大可支持1000万+连接数。由此可见,移动通信网络中仅有5G网络可满足闭环控制对网络的要求。


随着智能制造场景的引入,制造对无线通信网络的需求已经显现,5G网络可为高度模块化和柔性的生产系统提供多样化高质量的通信保障。和传统无线网络相比,5G网络在低时延、工厂应用的高密度海量连接、可靠性、以及网络移动性管理等方面优势凸显,是智能制造的关键使能者。


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