工厂从5G-TSN集成中受益之前需要解决的3个问题
智能制造正在如火如荼地进行,即将达到临界规模,但工业厂房还有一些工作要做,才能为这种转变做好准备。
根据德勤的数据,86%的制造商认为智能制造举措将在未来五年内推动提升行业竞争力;83%的人认为这些举措将改变产品的制造方式。
然而,与此同时,只有5%的制造商拥有全面实现智能化的制造工厂,而只有30%的制造商正在实施智能工厂举措。
5G-TSN集成:智能制造之路的关键
在最近的一篇博客中,我们解释了5G将TSN(时间敏感网络)的实时功能引入无线网络以支持工业通信的潜在可能。
TSN引入了保障服务质量、可靠性和配置的机制,允许不同类型的数据流量共享同一网络,同时确保在特定时间内保持可靠吞吐量。
5G和TSN融为一体可以为完全连接和更高效的工业环境创造新的机会,实现对工厂运营的可见性并查明改进机会,以便经理和员工可以更智能地工作并做出更好的决策。
虽然5G拥有与TSN合作所需的功能,而且标准组织3GPP在将5G系统与TSN集成方面取得了长足的进步,但障碍仍然存在。
在工业自动化从5G-TSN集成中受益之前,该行业需要克服三大挑战。让我们仔细看看。
1. 跨OSI层的数据通信
工业通信通过OSI模型第2层内的以太网协议运行。同时,在第3层运行基于IP的通信。
对于工业网络,这两种寻址同样重要。通常,工业协议使用第2层寻址进行PLC与传感器或执行器之间的通信。SCADA和监控应用程序则使用第3层寻址。
为了实现通过5G网络转发第2层和第3层通信,3GPP开发了两种类型的协议数据单元(PDU)和用户面功能(UPF):以太网和IP。简而言之,用户设备根据数据包中的标头决定5G系统应将数据包作为交换机(用于以太网)还是作为路由器(用于IP)通信进行处理。
但今天的工业5G核心系统不支持这种通信差异化。它们仅支持IP通信。请考虑使用传统的交换机。该设备“学习”第2层地址的位置。交换机收到数据包时,会知道将其放置在哪里。5G系统的行为就像路由器一样。在收到第2层通信时,基本上会将信息弃置一旁,却不会像原本那样传递该通信。该系统不知道如何处理第2层通信。5G目前不支持跨层数据通信。
2. 缺乏时间同步
为了实现工作流程自动化、确保质量并防止设备故障,工业网络或网段需要同步以支持成功的控制回路操作。例如,控制回路使PLC能够控制无线机械臂,或使多个传感器能够将其数据报告给云,时间同步可实现一致的事件序列。
需要时间协议,例如PTP(精确时间协议)来管理控制环路或事件序列。但5G目前不支持IEEE 1588(PTP)和IEEE 802.1AS。
为了将5G系统集成到工业自动化应用中,3GPP提供了实现时间同步的可能性(例如,通过SIB9消息)。尽管标准中已经定义了这些功能,但其尚未全面融入工业网络产品中。
3. 服务质量能力
在传统的以太网LAN中,设备产生的所有数据都以类似的方式处理。但在工业和控制网络中,需要QoS来控制和管理流量,确保关键任务应用程序的适当性能,并最大限度地减少延迟、数据包丢失和抖动等干扰。流量类型的这种差异保证了数据的交付和服务。
由于用于支持QoS的3GPP定义的功能尚未在工业网络的5G核心系统中提供,因此来自一个终端设备的所有流量都将以相同的优先级处理。5G数据传输期间缺乏QoS这一情况会产生性能问题,从而导致应用程序超时等后果。
5G-TSN解决方案即将推出
Belden正在努力开发一种架构,帮助工业环境迈出5G-TSN集成的第一步,以便届时工业环境就能以经济实惠的方式利用上述集成提供的机会。
我们的解决方案将通过集成5G和TSN实现无缝有线和无线集成,帮助制造工厂构建未来。
在未来的博客中,我们将分享更多这些解决方案的进展,以及它们如何帮助工业环境为即将到来的数字化转型做好准备。