Technologia 5G filarem dla rozwiązań Przemysłu 4.0 w zakładach produkcyjnych

Przemysł 4.0 i rozwój sieci 5G nierozerwalnie się łączą. W jaki sposób? Podstawą IIoT jest przesyłanie dużych zbiorów danych, gromadzonych za pośrednictwem rozproszonych urządzeń, a sieć piątej generacji w doskonały sposób to umożliwia.

Z JAKIMI PROBLEMAMI BORYKA SIĘ PRZEMYSŁ?

Nowoczesny przemysł produkcyjny to już nie tylko zautomatyzowane linie, ale cała gama rozwiązań, które precyzyjnie kontrolują cały proces produkcyjny przedsiębiorstwa i łączą go ze światem zewnętrznym. Opomiarowanie poszczególnych etapów produkcji pozwala efektywnie nimi zarządzać, ale też dobrze planować wszystko to, co towarzyszy produkcji: przyjmowanie zleceń, analizę projektów i programowanie elementów linii produkcyjnej, dostawy surowców i podzespołów, logistykę produktów czy współpracę z kontrahentami.

Koordynacja tych wszystkich elementów wymaga bardzo szybkiej i niezawodnej infrastruktury połączeniowej: systemów, które są w stanie gromadzić i przetwarzać ogromne ilości danych, aplikacji obsługujących poszczególne etapy procesu, a także sprawnej infrastruktury krytycznej, która nadzoruje, przewiduje potencjalne problemy, alarmuje i ułatwia przeprowadzanie prac instalatorskich oraz serwisowych.

Integracja z systemami ERP wiąże się z koniecznością transmisji oraz przetwarzania bardzo dużej ilości danych. Z punktu widzenia wolumenu danych oraz tolerancji na opóźnienia, ich przetwarzanie na potrzeby procesów w architekturze centralnej nie zawsze jest efektywne i do zaakceptowania. Inną kwestią jest jeszcze chęć utrzymywania strategicznych zasobów i danych lokalnie w Data Center przedsiębiorstwa.

NAJWIĘKSZE POTRZEBY

Nowoczesna fabryka potrzebuje narzędzi i usług, które zapewnią sprawną komunikację: załogi, maszyn, autonomicznych pojazdów, elementów automatyki przemysłowej z systemami sterowania. Do realizacji tego celu potrzebne jest zbudowanie jednej logicznej sieci w oparciu o różnego rodzaju infrastrukturę teleinformatyczną, centralnie zarządzanej i sterowanej przez aplikacje niezbędne do obsługi wszystkich aspektów procesu, jak również odpowiadające za komunikację z zewnętrznymi kontrahentami, logistyką oraz innymi firmami zaangażowanymi w proces dystrybucyjny.

Dostosowanie zakładów produkcyjnych do potrzeb i wymagań Przemysłu 4.0 nie oznacza wymiany dotychczasowej infrastruktury przemysłowej, ale wiąże się z jej rozbudową i dostosowaniem systemów – poprzez modernizację – do nowych potrzeb.

Podstawowe obszary, w których stosowane są rozwiązania Nokii dla przemysłu produkcyjnego to: dostarczenie wydajnej i niezawodnej infrastruktury telekomunikacyjnej, poprawienie współpracy (aplikacje koordynujące procesy oraz systemy predykcyjne) i bezpieczeństwa (systemy monitorowania i alarmowania), zwiększenie wydajności (narzędzia analityczne), zapewnienie maksymalnej niezawodności, obniżenie kosztów operacyjnych, zapewnienie systemów, które ujednolicają i przetwarzają dane oraz umożliwiają lokalne zarządzanie wszystkimi elementami infrastruktury przedsiębiorstwa.

TECHNOLOGIE STWORZONE, BY ROZWIĄZYWAĆ NAJBARDZIEJ PALĄCE PROBLEMY

Pierwszym zasadniczym elementem odpowiednio funkcjonującej sieci przedsiębiorstwa produkcyjnego jest sprawna komunikacja. Wdrożenie sieci 5G w przemyśle to przede wszystkim znacznie wyższe prędkości i przepustowość niż sieć 4G, ultra niezawodność oraz niskie opóźnienia, co często ma krytyczne znaczenie w przemyśle czy wysoka energooszczędność – sieć 5G może przesyłać do 100 razy więcej danych, przy wykorzystaniu podobnej ilość energii niż w przypadku sieci wcześniejszych generacji.

Zgodnie z raportem firmy IDC do 2024 roku wydatki na wdrożenia rozwiązań Internetu Rzeczy mają osiągnąć 278 mld dolarów. Firmy więc doskonale zdają sobie sprawę z korzyści, wynikających w inwestowanie w rozwiązania Przemysłowego Internetu Rzeczy oraz sieć 5G, będącą jej nierozerwalnym elementem

(Nie)ZAWODNA SIEĆ

Komunikacja bezprzewodowa jest kluczowym elementem Przemysłu 4.0. Klasyczne sieci bezprzewodowe oparte o standardy WiFi 5 i 6 dobrze sprawdzają się w warunkach biurowych i wszędzie tam, gdzie środowisko pracy jest statyczne oraz umożliwia równomierne pokrycie siatką punktów dostępowych. Niestety, w przypadku dużych obszarów przemysłowych sieci WiFi nie zdają egzaminu. Największe ograniczenia w tym przypadku stanowią: brak możliwości instalacji punktów dostępowych, a w konsekwencji brak możliwości ich odpowiedniego pokrycia, ciągle zmieniające się środowisko (przemieszczające się kontenery, pociągi, etc.), a także duże, wpływające na pracę zakłócenia. W każdym z tych przypadków z pomocą przychodzą sieci bezprzewodowe oparte o technologie LTE i 5G, a Nokia jest czołowym producentem, który wraz ze swoimi Partnerami dostarcza kompleksowe rozwiązania tego typu.

Zapewnia ona kompletny ekosystem: prywatne sieci LTE i 5G, infrastrukturę (przełączniki, routery), a także aplikacje. Sugerowanym, ale nie jedynym dostępnym, modelem wdrożenia jest model hybrydowy, który łączy w sobie bezpieczeństwo danych wrażliwych znajdujących się u klienta z elastycznością i prostotą rozwiązań chmurowych.

Bardzo ważnym aspektem w sieciach przemysłowych jest konieczność zapewnienia nieprzerwanej pracy. Dlatego w rozwiązania Nokia stosowane są moduły redundantne oraz łączność nadmiarowa. Systemy mogą łączyć się z kilkoma centrami zarządzania. W przypadku awarii drugie centrum może przejąć wszystkie zadania i cały proces zostaje podtrzymany.

Uwolnienie w przyszłym roku pasm częstotliwości dla przemysłu z pewnością wpłynie na szersze zastosowanie technologii mobilnych w sieciach przedsiębiorstw poprzez budowę prywatnych sieci 5G. Będą one mogły być realizowane na trzy sposoby:

• w pierwszym z nich cała infrastruktura komunikacyjna 5G z systemem zarządzania i wykorzystywanymi aplikacjami będzie w posiadaniu przedsiębiorstwa,
• drugi model zakłada, że na terenie przedsiębiorstwa zostanie zainstalowana cała niezbędna infrastruktura techniczna, natomiast zarządzanie i wykorzystywane aplikacje będą świadczone w formie usługi w Data Center Nokii,
• trzecia możliwość to usługa świadczona przez operatorów, którzy w oparciu o swoją infrastrukturę na danym terenie świadczą usługi dla przedsiębiorstw. Poszczególne sieci będą od siebie odseparowane logicznie, a zarządzanie i aplikacje zostaną dostarczone z chmury operatora.

Do realizacji tego typu projektów Nokia dostarcza szerokiej gamy rozwiązania radiowe i teletransmisyjne, których pojemność i przepustowość można dostosować do indywidualnych potrzeb na danym terenie. Poszczególne modele pozwalają budować infrastrukturę bezprzewodową zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków.

MODERNIZACJA I WDROŻENIA NOWEJ INFRASTRUKTURY PRZEMYSŁOWEJ

Aby ułatwić proces rozbudowy i modernizacji sieci Nokia dostarcza routery bezprzewodowe pracujące w technologii LTE/5G, wyposażone w różnego typu interfejsy przemysłowe (np.: RS-232C), które umożliwiają podłączenie starych elementów infrastruktury przemysłowej z nowymi technologiami przesyłu i bezpieczeństwa danych. W ten sposób elementy automatyki przemysłowej nie muszą być wymieniane, a poprzez taką modernizację mogą funkcjonować jeszcze przez długi czas.

Oczywiście nowoczesne elementy automatyki przemysłowej oferowane przez producentów są już dostępne w wersjach umożliwiających bezpośrednią komunikację z siecią LTE/5G, która z bardzo małymi opóźnieniami i dużą przepustowością, w sposób przewidywalny i bezpieczny komunikuje je z systemami sterowania oraz dostarcza pozyskane z nich informacje do centrum przetwarzania danych.

Łączność 5G umożliwia implementację dowolnego układu sieci produkcyjnych, ułatwia i upraszcza jej rekonfigurację oraz minimalizuje przerwy techniczne.

Bardzo ważnym i krytycznym elementem w funkcjonowaniu przedsiębiorstwa jest modernizacja i planowanie zmian. W tym zakresie Nokia dostarcza środowisko umożliwiające tworzenie tzw. „cyfrowych bliźniaków”, tj. kopii infrastruktury przemysłowej w świecie wirtualnym. W tak przygotowanym środowisku są wprowadzane zmiany oraz następuje ich weryfikacja, czyli sprawdzenie jaki efekt będą wywierać na wszystkie aspekty procesu produkcyjnego. Przetestowane, mogą zostać następnie wdrożone w rzeczywistym środowisku produkcyjnym.

OPTYMALIZACJA PROCESU PRODUKCYJNEGO

Aby optymalizować działanie sieci przemysłowej konieczne jest zbieranie informacji na temat przebiegu poszczególnych etapów procesu produkcyjnego. Na podstawie analizy gromadzonych danych dotyczących poszczególnych elementów procesu, dostarczane przez Nokię narzędzia analityczne usprawniają pracę, poprzez modyfikację zachowań elementów infrastruktury przemysłowej. Wykorzystują do tego celu różne narzędzia, jak np.:

• Asset tracking – monitorowanie w czasie rzeczywistym, gdzie znajdują się poszczególne elementy, od ciężarówki czy kontenera po komponenty w fabryce czy towary w magazynie,
• Real Time Vehicle Guidance – lokalny GPS, który umożliwia m.in. kierowanie samochodami dostawczymi w dużych zakładach,
• (AGV – Automated Guided Vehicles) – drony monitorujące teren, wózki w fabrykach i magazynach itp., sterowanie robotami, które komunikując się bezprzewodowo, przewożą komponenty pomiędzy halami produkcyjnymi.

OBSŁUGA SERWISOWA

Ciągłe monitorowanie stanu technicznego i anomalii w pracy elementów automatyki, maszyn, urządzeń i pojazdów (predictive maintenenace) – oprócz standardowych przeglądów okresowych – jest bardzo pożądanym mechanizmem, który umożliwia reagowanie na zdarzenia w czasie rzeczywistym. Wykrywając nieprawidłowości można uniknąć awarii sprzętu (z pewnością można ograniczyć prawdopodobieństwo ich wystąpienia) poprzez zaplanowanie i uruchomienie prac serwisowych, ograniczając jednocześnie czas przestoju.

Warunkiem koniecznym jest wiedza, ze nieprawidłowości mają miejsce w sieci. Do tego celu Nokia dostarcza narzędzia analityczne. Platforma „Impact” zbiera komunikaty ze wszystkich rodzajów urządzeń teletransmisyjnych, OT, IoT, systemów sterowania, różnego rodzaju czujników, kamer, a nawet latających nad infrastrukturą przemysłową dronów i na tej podstawie szacuje ryzyko wystąpienia awarii oraz alarmuje, jednocześnie zapewniając bezpieczeństwo i usługi niezbędne do poprawnego funkcjonowania procesów.

Szybka łączność w standardzie 5G pozwala wykorzystać narzędzia, które minimalizują czas obsługi serwisowej. Zastosowanie narzędzi Assisted Maintanence (wideokonferencje z wykorzystaniem tabletu, rozszerzona rzeczywistość – Augmented Reality, itp.) sprawia, że nie ma konieczności sprowadzania na miejsce specjalistów z różnych dziedzin. „Ręce” na miejscu zapewnia lokalny personel, a specjaliści oglądają obraz w wysokiej rozdzielczości i w czasie rzeczywistym i podejmują działania lub przekazują wytyczne. Technik na miejscu skanuje kod QR i ma dostęp do pełnych danych na temat danego urządzenia, oraz informacji niezbędnych do przeprowadzenia weryfikacji i naprawy.

CENTRUM STEROWANIA I PRZETWARZANIA DANYCH

Sprawne funkcjonowanie przedsiębiorstwa produkcyjnego opiera się na analizie dużej ilości danych, które trafiają do centrum sterowania, a następnie są przetwarzane przez rożne systemy i aplikacje współpracujące ze środowiskiem ERP, które służy do zarządzania przedsiębiorstwem.

Nokia Digital Automation Cloud (NDAC) to centralne, chmurowe środowisko, umożliwiające zarządzanie elementami ekosystemu Nokii wraz z zestawem łatwo dobieralnych i konfigurowalnych aplikacji opracowywanych przez firmę oraz niezależnych producentów oprogramowania ISV. Tworzą one spójny system, który: zarządza infrastrukturą teletransmisyjną, automatyzuje i modeluje procesy produkcyjne, monitoruje i kontroluje procesy fizyczne, urządzenia oraz elementy infrastruktury, przetwarza dane w czasie rzeczywistym, reaguje na zdarzenia i umożliwia współpracę z systemami zewnętrznymi. Nokia DAC jest zcentralizowanym systemem zarządzania przedsiębiorstwem obejmującym wszystkie aspekty techniczne, który pozyskuje dane, przetwarza je i na tej podstawie kontroluje procesy pomagając w transformacji do automatycznego i skomunikowanego ze światem przemysłu 4.0.

Z punktu widzenia wolumenu danych oraz tolerancji na opóźnienia, przetwarzanie danych na potrzeby procesów w architekturze centralnej nie zawsze jest efektywne i do zaakceptowania. Inną kwestią jest jeszcze chęć utrzymywania strategicznych zasobów i danych lokalnie w Data Center przedsiębiorstwa.

Odpowiedzią Nokii na te zagadnienia jest platforma Nokia MX Industrial Edge, która podłączona lokalnie do infrastruktury przedsiębiorstwa np. z wykorzystaniem łączności bezprzewodowej Private LTE/5G lub światłowodowej, pozwala zarządzać elementami infrastruktury, zbiera i przetwarza informacje płynące z sieci w czasie rzeczywistym, chroni dane przedsiębiorstwa utrzymując je lokalnie, realizuje intensywne obliczeniowo zadania wspierane mechanizmami uczenia maszynowego oraz sztucznej inteligencji zapewniając sprawną i optymalną obsługę procesów produkcyjnych. Wyposażona w aplikacje, które do tej pory były dostarczane tylko w postaci usług chmurowych pozwala elastycznie dostosować się do potrzeb konkretnej implementacji. Może stanowić lokalne centrum zarządzania lub być elementem skalowalnej sieci przedsiębiorstwa, gdzie wymagające zasobów operacje przetwarzania danych oraz bieżąca obsługa elementów sieci przemysłowej są realizowane lokalnie a tylko ich wyniki trafiają do centrum zarządzania w Data Center.

Nokia MX Industrial Edge jest bardzo efektywnym rozwiązaniem dla przedsiębiorstw wielooddziałowych, które cechuje się dużą wydajnością i odpornością na awarie, a producent dostarcza je w wersjach przystosowanych do obsługi małych, średnich i dużych wdrożeń przemysłowych.

MONITORING WIZYJNY

Nowoczesny monitoring wizyjny w przedsiębiorstwie produkcyjnym może spełniać wiele zadań: pilnowanie wirtualnych granic (geofencing), wsparcie kontroli jakości (kamery i zaawansowana analityka monitoruje wytwarzany element), poprawa bezpieczeństwa zarówno infrastruktury przemysłowej (wykrywanie nieprawidłowości w działaniu maszyn i urządzeń) jak również załogi (glokalizacja, wykrywanie upadku i uderzenia, wykrywanie używania kasków, monitoring szoku termicznego, przycisk SOS, itp.).

Aby informacje pozyskiwane z monitoringu były użyteczne, rozproszona infrastruktura teleinformatyczna musi umożliwiać przesyłanie płynnego obrazu w wysokiej jakości. Można to zrealizować w sposób elastyczny i przewidywalny dzięki zastosowaniu technologii 5G.

Jednak analiza obrazu z dużej ilości kamer przez człowieka nie jest efektywna. W dużych zakładach produkcyjnych gdzie mamy do czynienia z dziesiątkami i setkami urządzeń wideo wspieranych niekiedy przez drony wyposażone w kamery, niezbędne stają się systemy automatycznej analizy obrazu, które wspierane przez mechanizmy sztucznej inteligencji oraz uczenia maszynowego identyfikują i klasyfikują obiekty, analizują ruch, aby na tej podstawie wykrywać anomalie. Jest to szczególnie istotne z punktu widzenia firm wielooddziałowych, w których informacje są pozyskiwane w innym miejscu niż dane są przetwarzane. Dla takich implementacji stosowane są systemy analityczne w poszczególnych lokalizacjach, a z nich do centrum danych przesyłane są jedynie przetworzone informacje. To ogranicza wolumen ruchu i usprawnia proces analizy alarmów i podejmowania decyzji. Centrum sterowania może być wyposażone w tzw. „wideo ścianę”, która zbiera dane z różnych systemów, interpretuje różne alarmy i przekazuje informację o nich do odpowiednich służb.

Jak widać, możliwości implementacji rozwiązań sieciowych w zakładach przemysłowych są nieograniczone. Podobnie jak ilość problemów, które każdego dnia muszą rozwiązywać firmy produkcyjne.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat tego, w jaki sposób nadążać za Przemysłem 4.0 dzięki sieci 5G oraz chciałbyś poznać technologie, dostępne dla przemysłu w ofercie Nokii skontaktuj się z firmą Veracomp – Exclusive Networks, która jest jedynym dystrybutorem rozwiązań tego producenta w Polsce: nokia@veracomp.pl