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多种无线技术融合,推动5G+工业智能化升级

应用天地郭庆│文

5G时代的到来,引爆了人们对未来变化的遐想,开始展望更多未来的可能。移动通信对于智能制造又有什么样的意义?智能工厂对无线网络的应用需求如何?随着工厂智能化转型的推进,关键支撑技术正受到企业的高度关注。大唐移动结合垂直行业客户的需求与痛点,将多种无线技术融合,打造适用于行业智能化发展的端到端解决方案。

信息物理融合系统(CPS:Cyber-Physical system)被德国《工业4.0实施建议》以及美国的工业互联网和《中国制造2025》认为是实现智能制造的关键路径和核心技术体系,其本质就是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系,解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题,提高资源配置效率,实现资源优化。

CPS的四大核心技术包括:“一硬”(感知和自动控制),“一软”(工业软件),“一网”(工业网络)和“一平台”(工业云和智能服务平台)。其中,工业网络技术起到关键神经传输作用,是一项关键支撑技术,是工厂智能化的基础。

CPS网络从技术角度来看,主要涉及到工业异构异质网络的互联互通和即插即用。如现场总线技术、工业以太网技术和现场无线技术(WirelessHart、ISA100、WIA-PA)等多种现场工业控制通信技术。分层网络向网状网演进,这种网状网结构主要解决的是网络的可靠性。

值得一提的是工业SDN网络技术,软件定义的网络,管理平面与业务平面的分离,实现网络资源可编排能力,网络运行状态的主动检测与控制可以保证网络流量均衡和故障的快速恢复。而平稳的流量有利于稳定时延抖动,使得时延可以控制在一个有限的范围内,从而满足工业网络控制的需求。

工业网络技术现状与需求

智能工厂,企业级IT管理运营系统对现场实时工艺过程数据和设备状态数据有着强烈需求。如何高效便捷部署现场设备的通信互联,以及如何利用先进的网络技术实现现场与管理级系统间高实时性、高可靠性数据通信,是目前工业网络系统技术领域普遍面临的焦点问题。

此外,网络架构的融合趋势,表现在网络结构的扁平化、控制信息和过程数据共网传输、有线无线协同;网络的开放趋势,表现在技术开放、数据标准化、产业开放;灵活友好趋势,表现在网络形态灵活、网络管理友好。如下图所示:

基于前述CPS信息物理融合系统以及智能工厂对工业网络的需求,大唐移动给出了多技术融合的工业通信网络解决方案。

SmartLTE及复杂工业环境的覆盖方案

SmartLTE是大唐移动针对能源、电力、轨道交通以及港口码头等行业提供的基于第四代移动通信国际标准TD-LTE技术定制研发的无线专网解决方案,系统工作在国家无委批准的行业专用频率1785-1805MHz/1447-1467MHz。

SmartLTE提供生产监控管理、无线视频监控、语音数据通信、集群对讲、指挥调度等功能。

SmartLTE方案凭借在石油炼化行业的开拓探索,已经在青海油田、新疆油田、中海油湛江分公司涠洲、文昌海上作业区、独山子石化、青岛石化等地得到成功应用。在7-8年的应用中产品不断完善改进,增加了一体化小基站、直放站等产品,为不同场景提供合适的产品及解决方案。

为了解决炼化厂装置区的覆盖难题,大唐移动研发了一体化基站。其防爆等级Exd IIC T4 GB,该种站型发射功率<5W,220V供电,重量<8.5Kg,可方便安装在装置区的设备间。一体化小基站可以与大覆盖的宏站采用异频组网,实现装置区的补盲。

工业MESH以及免授权频率的协调使用

在推广SmartLTE专网技术中,发现存在频率申请困难的情况,如炼厂大多处于城市,为规避与公网间的干扰,只能获得5MHz。当有周边其它企业已经申请到后,基本不太可能再申请到频率。

另一个方面,当企业业务需要大量无线视频的情况下,4G承载也存在困难。因此,大唐移动考虑4G LTE+工业MESH的方案。4G LTE提供大范围的无线覆盖,WLAN在容量上提供补充。在行业专网频率申请不到的情况下,采用工业WiFi MESH技术实现覆盖,保证工厂的移动作业和无线应用需求。

MESH可用频率相对多,如2.4G频段有83.5M可用频宽,5.8G则有125M可用频宽,可提供更高的传输带宽。该系统主要优势功能如下:

  • 无线覆盖采用频率2.4G/5GHz,良好效果的覆盖半径100米,单设备最大接入客户端80台,最大接入速度450Mbps,支持无缝漫游切换;
  • 无线回传采用5.8GHz,最高传输带宽可达800Mbps;最大支持35跳;单跳视距传输距离5-10km;
  • 系统支持自动配置、自动发现、自动性能调节、自动链路修复/自愈组网、冗余容错等特性,使用AES加密的隧道建立无线模块之间的通信,有效保护用户和管理数据;
  • 提供弹性的无线网络基础架构,消除了传统点到点、点到多点无线网桥组网的拓扑限制,消除了光纤组网受地理条件等因素的限制,最大限度地组成无单点故障、灵活快速组网的自组网架构;
  • 网络拓扑结构不需要中心节点,任意两个无线节点之间均可通过有一条以上无线链路实现连接,易通过不同路由解决非视距无线覆盖问题;
  • 在QoS和业务实时性方面也做了较大优化,支持802.11eWMM,VLAN Priority优先级别和无线带宽控制;
  • 安全方面支持RADIUS接入认证、多种加密算法、二层隔离和SSID广播抑制等功能。

此外,由于使用免授权频率,因此在厂区需要实现免授权频律使用的协调管理。大唐移动提供WLAN频率管理系统,可以实现WLAN信号频率采集与管理,系统由采集设备和WLAN频率信号管理服务器构成,可以检测来波信号的频率、强度以及方向,对于未登记的设备和频率进行告警。信号监测范围,对于AP监测,可以达到1-2Km,WiFi手机100米。

5G新技术4G中的创新应用

智能工厂存在大量的无线应用需求:

  • 设备健康在线监测、安全环保、绿色节能无线监测等无线传输需求
  • 智能巡检、集群调度、人员安全定位、现场许可证办理等移动作业无线通信需求
  • 安防监控无线视频需求
  • 仓储理货数据传输需求

上述需求连接数量上千个。

本文前面介绍过炼化企业专网频率申请难题以及上行视频传输能力受限的问题。如果使用公网,存在如下问题:

  • 无线公网服务公众,业务以下行为主,与工厂生产业务相反,业务的QoS不能保证;
  • 受潮汐效应影响,容易在高峰期出现生产业务掉线;
  • 生产业务数据绕行运营商核心网,信息安全存在隐患,企业对于业务数据绕行公网带来的信息安全隐患非常担忧。

而5G的移动边缘计算技术可以很好地解决上述问题,实现业务QoS有保障、专网专用、业务不出厂区的功能。

MEC(移动边缘计算)是5G架构的核心组件之一。5G终端和网络还未大规模商用,成熟度还无法满足工业通信的应用需求,当前建设成本较高,因此考虑采用MEC+4G网络技术方案,企业与运营商共建的模式。

运营商授权企业使用其Small cell频率,在工厂区域内建设覆盖厂区的4G网络,采用防爆型Small cell型基站。在企业部署MEC设备,Small cell 通过MEC汇聚后接入运营商核心网EPC,MEC通过防火墙与企业内网连接。如下图所示:

其中,包括大量现场无线视频在内的企业内部业务通过MEC被本地分流到企业内网的应用系统,而厂内非防爆区的个人业务直接到运营商核心网。该方案一方面解决了企业专网建设的频率问题,为企业的各种业务提供支持,另一方面也为运营商进入行业业务市场提供了一定的模式。

多种无线技术融合方案经过大规模工厂现网验证证明其可行性和优势。未来,大唐移动将继续结合垂直行业客户的需求与痛点,利用融合安全、智能化、数字化、业务丰富的SmartLTE无线专网解决方案及系列化产品,打造适用于能源、电力、交通等丰富行业的端到端解决方案,致力于推动LTE宽带专网快速发展而不懈努力。