Ngành công nghiệp chuẩn bị thử nghiệm khả năng “sáu số chín” của công nghệ 5G

Cho đến khi ra mắt 5G, mọi thế hệ công nghệ điện thoại di động trước đây đều chủ yếu nhằm cải thiện hoạt động của thiết bị cầm tay. Mạng điện thoại di động thế hệ đầu tiên là hệ thống tương tự cung cấp băng thông vừa đủ cho các cuộc gọi thoại. Được giới thiệu vào đầu những năm 1990, 2G là công nghệ di động kỹ thuật số đầu tiên, trong khi 3G vào cuối những năm 1990 đã giúp các thiết bị cầm tay có thể mang email và cung cấp quyền truy cập thô sơ vào các trang web.

• Mạng radio không dây 5G: Trái tim của nhà máy tương lai
• Tác động của các công nghệ mới đối với kiến trúc hệ thống tự động hóa và số hóa

Mãi cho đến khi áp dụng công nghệ 4G vào năm 2008, tiềm năng thực sự của điện thoại thông minh mới được khai phá: Băng thông rộng di động 4G dẫn đến sự phát triển của các ứng dụng điện thoại thông minh, sự phát triển của các dịch vụ đa phương tiện và truyền phát cũng như truy cập Internet tốc độ cao di động.

Việc lắp đặt mạng 5G gần đây lần đầu tiên đánh dấu một thế hệ công nghệ di động mới được xây dựng xoay quanh nhu cầu của máy móc và hệ thống hơn là của người dùng thiết bị cầm tay. Kế hoạch của ngành viễn thông về 5G dự kiến ​​sẽ có những đột phá kỹ thuật ở ba thông số chính:

-Độ trễ, độ tin cậy và tính quyết định

-Mật độ kết nối

-Băng thông và tốc độ truyền dữ liệu

Lý do phải nâng cao hiệu suất ở các thông số này là để cho phép giám sát và kiểm soát theo thời gian thực mật độ dày đặc của các thiết bị giao tiếp đồng thời. Ví dụ, trong kịch bản thành phố thông minh, 5G dự kiến ​​sẽ cho phép hiển thị thông tin theo thời gian thực về vị trí của các chỗ đậu xe có sẵn trong hệ thống định vị của ô tô ở khu vực lân cận. Hệ thống đỗ xe thông minh như vậy sẽ yêu cầu kết nối đồng thời hàng nghìn cảm biến tiệm cận hoặc camera và hàng nghìn ô tô trong một khu vực nhỏ, liên tục truyền dữ liệu theo thời gian thực về vị trí và chỗ trống.

Yêu cầu của ứng dụng này và các ứng dụng khác về độ trễ, mật độ và băng thông được đáp ứng nhờ ba cải tiến công nghệ được thể hiện trong thông số kỹ thuật tiêu chuẩn 5G:

-Giao tiếp có độ trễ thấp (URLLC) cực kỳ đáng tin cậy cho các hệ thống kiểm soát thời gian thực

-Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) để hỗ trợ các trường hợp sử dụng mới phụ thuộc vào băng thông, bao gồm thực tế ảo và thực tế tăng cường

-Giao tiếp loại máy lớn/nâng cao (eMTC) cho mạng không dây diện rộng, tiêu thụ điện năng thấp

Các tính năng công nghệ 5G này giúp nó có khả năng hỗ trợ các yêu cầu của hệ thống điều khiển nhà máy về tính xác định theo thời gian thực và khả năng sẵn sàng “sáu số chín” (99,9999%). Tuy nhiên, trải nghiệm thực tế của hầu hết người dùng điện thoại di động truy cập mạng 2G, 3G hoặc 4G vẫn liên quan đến các điểm đen nơi vùng phủ sóng yếu hoặc không tồn tại cũng như các kết nối bị ngắt không thường xuyên và không thể đoán trước.

Thay thế Công nghệ Mature 4mA thành 20mA

Thực tế là hầu hết việc lắp đặt thiết bị xử lý ngày nay đều bao gồm điều khoản điều khiển thông qua các liên kết có dây 4mA đến 20mA hoàn thiện – một công nghệ có từ những năm 1950. Điều này nói lên nhu cầu của ngành về sự chắc chắn và tránh rủi ro khi triển khai các hệ thống kiểm soát quan trọng về nhiệm vụ hoặc an toàn.

Nhưng làn sóng thay đổi không thể bị đẩy lùi mãi mãi và những đổi mới trong cách vận hành của nhà máy mang lại cho các nhà thiết kế hệ thống điều khiển lý do chính đáng để đánh giá các giải pháp thay thế cho công nghệ 4mA thành 20mA. Khi Công nghiệp 4.0 và các hiện tượng toàn cầu khác đẩy nhanh tốc độ phát triển của hoạt động nhà máy, hai xu hướng đang thúc đẩy việc áp dụng các công nghệ mạng mới: sự ra đời của máy móc di động tự động và sự phát triển của các cơ sở sản xuất linh hoạt hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng về cá nhân hóa hoặc cấu hình các sản phẩm.

Trong môi trường nhà máy và nhà kho, việc sử dụng phương tiện dẫn đường tự động (AGV), cobot và các loại thiết bị tự động khác mang lại một cách hiệu quả để tăng hiệu quả và năng suất. Khi thiết bị tự động đảm nhận gánh nặng thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại và nhàm chán, người lao động được tự do chuyển sang các hoạt động nhà máy cần thiết và thú vị hơn mà máy móc không thể thực hiện được.

Thế hệ thiết bị di động tự động mới như AGV yêu cầu kết nối liên lạc không dây có độ trễ thấp để điều khiển thời gian thực, băng thông cao để truyền tín hiệu từ nhiều cảm biến như máy quét LIDAR và máy quay video, đồng thời có khả năng kháng nhiễu cao – các điểm nổi bật của mạng di động 5G.

Khi người vận hành nhà máy thay thế kết nối có dây bằng không dây, họ cũng có được sự linh hoạt để nhanh chóng cấu hình lại thiết bị của nhà máy nhằm đáp ứng nhu cầu mới hoặc đa dạng của người tiêu dùng. Sự phát triển của thương mại điện tử đã nâng cao kỳ vọng của người tiêu dùng về việc giao hàng gần như ngay lập tức cho các sản phẩm đã đặt hàng và khả năng lựa chọn từ nhiều lựa chọn sản phẩm hơn bao giờ hết. Khả năng di chuyển thiết bị sản xuất hoặc xử lý nhanh hơn và dễ dàng hơn đang tăng giá trị. Cơ sở hạ tầng truyền thông có dây, cố định kém linh hoạt hơn mạng không dây mà thiết bị có thể kết nối từ bất kỳ vị trí nào. Mạng không dây cũng giảm chi phí, sự bất tiện và khó khăn kỹ thuật liên quan đến việc lắp đặt hệ thống cáp truyền thông.

Về lâu dài, các nhà điều hành nhà máy sẵn sàng đón nhận những lợi ích của khả năng điều khiển không dây bên cạnh các công nghệ truyền thông có dây đã được thiết lập. Tuy nhiên, trước mắt, ngành phải ưu tiên những yêu cầu quan trọng nhất của mình, đó là:

-Độ tin cậy và tính sẵn sàng cao

-Bảo vệ

-Mạnh mẽ để đối phó với các điều kiện vận hành công nghiệp đầy thách thức

-Độ trễ cực thấp

Những yếu tố này tạo nên tuổi thọ của tiêu chuẩn 4mA và 20mA cho truyền thông nhà máy. Và trong khi các nhà điều hành nhà máy đang tìm cách thay thế công nghệ 4mA thành 20mA, thì trọng tâm ngày nay của họ là triển khai tiêu chuẩn mạng nhạy cảm với thời gian (TSN) cho truyền thông Ethernet công nghiệp có dây, thay vì cho bất kỳ thiết bị không dây nào.

TSN đã nổi lên như một tiêu chuẩn được ưa chuộng cho truyền thông dữ liệu có dây, băng thông cao trong nhà máy vì nó mang đến sự kết hợp lý tưởng giữa độ tin cậy, độ bền, tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp được tính bằng micro giây và khả năng tích hợp dễ dàng với các hệ thống mạng CNTT của doanh nghiệp.

Và bởi vì đặc tả TSN là một tiêu chuẩn được hưởng lợi từ sự hỗ trợ liên ngành nên nó đang nhanh chóng phát triển một hệ sinh thái phong phú gồm các nhà cung cấp linh kiện và hệ thống TSN, bao gồm cả Analog Devices.

OpenRAN: Mạng phi công cộng cho phép xác thực các tuyên bố về hiệu suất 5G

Bên cạnh việc triển khai mạng TSN, phạm vi tăng cường hoạt động của nhà máy thông qua việc triển khai mạng không dây cũng đang được đánh giá tích cực. Một số đơn vị áp dụng sớm trong cộng đồng công nghiệp đã bắt đầu công việc thử nghiệm, xác nhận và đánh giá hoạt động của hệ thống mạng 5G bên trong nhà máy, đồng thời thay thế các hệ thống 4mA và 20mA cũ bằng mạng Ethernet TSN mới. Quá trình xác nhận này sẽ tìm ra những ứng dụng phù hợp nhất cho công nghệ 5G.

Vì vậy, các nhà điều hành nhà máy hiện đang bắt đầu thử nghiệm các tính năng cải tiến của thông số kỹ thuật 5G, chẳng hạn như khả năng MIMO quy mô lớn – việc sử dụng các dãy ăng-ten để cung cấp nhiều đường truyền vật lý giữa máy phát và máy thu. Một mảng có thể được cấu hình để tạo thành các chùm nhiều ăng-ten truyền tới nhiều máy thu. Điều này cho phép triển khai các kỹ thuật như tăng cường kênh, tạo chùm tia, ước tính kênh nhanh và phân tập ăng-ten (không gian), tác động của chúng là cải thiện đáng kể độ tin cậy và giảm độ trễ so với mạng di động 4G.

Thật vậy, một trong những mục tiêu của các nhà phát triển tiêu chuẩn 5G là cho phép mạng không dây đạt được độ tin cậy 99,9999% khi phân phối gói, tương đương với mạng Ethernet có dây và tương đương với tỷ lệ lỗi gói là 1:1.000.000. Độ trễ chỉ 1ms cũng có thể xảy ra, nằm trong giới hạn mà nhiều ứng dụng điều khiển công nghiệp áp đặt.

Câu hỏi đặt ra là liệu hiệu suất này có thể đạt được trong điều kiện thực tế diễn ra bên trong nhà máy, nơi thiết bị liên lạc có thể phải chịu nhiều nguồn nhiễu tần số vô tuyến biên độ cao, các điện áp nhất thời, nhiệt độ cao và các nhiễu loạn khác?

Khi xác thực hiệu suất thực tế của việc lắp đặt 5G, các nhà thiết kế hệ thống nhà máy có một lựa chọn: họ có thể tận dụng vùng phủ sóng 5G do các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động cung cấp. Nhưng tiêu chuẩn 5G cũng đưa ra điều khoản cho việc triển khai các hệ thống riêng, hay còn gọi là mạng phi công cộng (NPNs), chẳng hạn như bao phủ một khuôn viên công nghiệp hoặc một tổ hợp nhà máy lớn. Những người dùng công nghiệp và các trường hợp sử dụng khác nhau sẽ ưu tiên lựa chọn mạng công cộng hoặc mạng riêng khác nhau.

Việc triển khai mạng 5G trong nhà máy cũng được hỗ trợ bởi sự phát triển từ các nhà khai thác mạng di động về đặc tả OpenRAN (mạng truy cập vô tuyến mở). Điều này đã mở ra thị trường thiết bị lõi và vô tuyến 5G cho nhiều nhà cung cấp hơn ngoài những nhà cung cấp truyền thống phục vụ thị trường thiết bị viễn thông. Điều này có khả năng mở rộng sự lựa chọn thiết bị sẵn có để đáp ứng nhu cầu của các trường hợp sử dụng khác với nhu cầu của các nhà khai thác mạng công cộng trên thị trường đại chúng và khuyến khích phát triển các sản phẩm 5G của các nhà cung cấp tập trung vào thị trường công nghiệp.

Là nhà cung cấp các thành phần lớp vật lý và phần mềm giao thức cho các nhà sản xuất cả thiết bị TSN và cơ sở hạ tầng 5G, Analog Devices nơi lý tưởng để đánh giá triển vọng của từng công nghệ để triển khai trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Mặc dù tương lai trước mắt thuộc về công nghệ Ethernet công nghiệp có dây, nhưng thật dễ dàng để tưởng tượng một tương lai nơi AGV và robot bên trong nhà máy truyền và nhận tải trọng dữ liệu quan trọng về thời gian và nhiệm vụ thông qua mạng 5G -và sự sẵn có của vùng phủ sóng mạng 5G chứng minh đây là một khả năng thực tế chứ không phải là lý thuyết.

Minh Trí (theo https://www.analog.com/)