خلاصه
هر دو نوع شبکۀ با سیم و بی سیم در طول دهۀ اخیر دچار تحولات اساسی شدهاند، و فرصتهای بیشتری را برای پیشرفت فراهم کردهاند.
در پس همۀ روندهای یکپارچه سازی و کاربرد این فناوری ها، شبکه هایی هستند که همۀ آنها را به هم متصل میکنند. هر دو نوع شبکۀ با سیم و بی سیم در دهۀ اخیر دچار تحولات اساسی شده اند، و در نتیجه فرصتهای بیشتری را برای پیشرفت به وجود آورده اند.
تحول اترنت
اترنت، به صورت با سیم و بی سیم، به یک شبکۀ پرکاربرد در زمینۀ ساخت و تولید تبدیل شده است. از اترنت برای همۀ حالتهای ارتباطاتی استفاده میشود، شامل زیرساخت مشترک استفاده از شبکه های کنترل صنعتی، تصویری، صوتی و داده ها. سرعت و عملکرد همچنان با اترنت گیگا بایت (GbE یا 1 GigE) و تسریع در کاربرد شبکه های فیبر نوری بیشتر میشوند. با افزایش قدرت، به طور طبیعی توسعه های جالب توجهی صورت گرفته است.
لایۀ فیزیکی پیشرفته (APL)
لایۀ فیزیکی پیشرفته بر اساس IEEE802.3 است. کارگروه IEEE P802.3cg Mb/s10 Single Pair Ethernet بر استفاده از یک کابل جفتی متمرکز شد که در سرعت Mb/s10 با انتقال توان کار میکند. این باید مطابق با شرایط استفاده در موقعیتهای خطرناک تا ناحیۀ 0، در بخش 1.2.1 5G Wireless باشد. تمرکز اصلی بر جایگزینی بازماندۀ «نقطه به نقطه» و «نقطه به چند نقطه» است، که شامل mA4-20، مودم HART، RS-232، RS-485، CAN (َشبکۀ ناحیۀ کنترلر) و FlexRay میشود.
مشخصات کلیدی APL شامل دسترسی کوتاه و تا حدود فاصلۀ 1 کیلومتر در یک جفت سیم کشی هستند، که میتوانند در شرایط خطا و محیط های دشوار صنعتی و ماشینی دوام بیاورند. کارهایی برای تعریف شرایط و توسعۀ فناوری لازم برای مطابقت با شرایط استفاده در موقعیتهای خطرناک تا ناحیۀ صفر، بخش 1.2.1 5G انجام شده است.
گروه FieldComm ، ODVA، و PI (Profibus & Profinet International) با هم برای توسعۀ اترنت صنعتی و گسترش کاربرد EtherNet/IP™، HART-IP™، و PROFINET™ در موقعیتهای خطرناک در در فرآیندهای صنعتی با کارگروه IEEE 802.3cg تلاش میکنند.
بحث ها و (در برخی دوره ها) هیجان زیادی در مورد شبکه یابی حساس به زمان (TSN) وجود داشته است، که به باور برخی به یک شبکۀ داخلی یکپارچۀ مشترک در بین همۀ برنامه های کاربردی در صنعت کامپیوتر تبدیل خواهد شد. از آنجایی که TSN یک معماری شبکۀ مشترک با مدیریت کلی است، کل ترافیک شبکه – شامل همۀ پروتکل های صنعتی در واحد – باید مطابق و سازگار با مجموعه استانداردهای TSN باشند؛ تا به ارتباطات مطمئن و داخلی دست پیدا کنن. بر اساس مصاحبه ها و بحث هایی که با افراد مشارکت کننده در کمیته های IEEE بوده است، آنها گزارش کردند که استاندارد کامل طی چند سال تکمیل خواهد شد.
ایجاد یک ساختار TSN کاربردی با چند فروشنده چالش هایی داشته و لایه های جدیدی از پیچیدگی را بر شبکه یابی اترنت صنعتی می افزاید. زمان بندی شبکه ارتباط نزدیکی با پیکربندی شبکه و مدیریت آن داشته است. شبکۀ Allen-Bradley و The ControlNet یک شبکۀ این چنینی است. این شبکه دارای برنامه ریزی زمانی دقیق و مدیریت شده بود که به کنترل صنعتی و نظارت اختصاص پیدا کرد، و ارتباطات با برنامه ریزی دقیق به قطعیت بالایی رسیدند. با وجود پیچیدگی، حیطۀ این مسئله به کاربردهای اتوماسیون صنعتی اختصاص یافته است، و یک مجموعه از نرم افزارها و کنترلرهای یک فروشنده، یعنی Allen-Bradley ارائه میشود.
در مقایسه، TSN به عنوان یک شبکۀ مشترک با چند فروشنده برای ارتباطات چند حالتی برای محاسبات عمومی، VOIP، ارتباطات صوتی و تصویری حرفه ایی، انتقال فایل، اتوماسیون صنعتی، اتوماسیون ساختمان، و هر یک از روندهای دیگر ارتباطات داده تلقی میشود.
برای بهره گیری از برنامه ریزی زمانی TSN، به نظر میرسد که برنامه نویسی کنترلی نرم افزار و سخت افزار کنترلر باید مجددا طراحی شوند تا با تعریف نقطۀ I/O و مشخصات زمان بندی متغیر مطابقت داشته باشند.
از آنجایی که هدف اصلی پشتیبانی از چند پروتکل شبکۀ صنعتی همراه با کاربردهای چند رسانه ایی داده است، این مستلزم وجود یک مدیر شبکۀ مشترک در سطح صنعتی و اساندارد API است، که همۀ فروشندگان خود را با آن تطبیق دهند. همچنان، وقتی از چند نفر در مورد استانداردسازی در این سطح سوال میشود، مشخص است که استاندارد تعریف شدۀ مشخصی وجود ندارد و قطعا هیچ گروه ارزیابی در این افق شناسایی نمیشود.
گسترش 5G Wireless و مفهوم آن برای اتوماسیون صنعتی
به طور ویژه، شبکه های بی سیم از نظر ایجاد احتمالات مختلف برای اتوماسیون صنعتی در حال پیشرفت هستند. ایدۀ اتوماسیون صنعتی بی سیم به یک هدف جامع در فهرست خواسته های بسیاری از کاربران تبدیل شده است. اما به زودی تحقق خواهد یافت، زیرا 5G این هدف را به واقعیت تبدیل میکند. در حال حاضر شرکتها شروع به استفاده از شبکه های 5G در واحدهای خود کرده و شاهد افزایش عملکرد، قطعیت، دورۀ تاخیر کمتر، و پایایی بالا هستند. یک مثال از این شرایط مربوط به Hannover Messe است، که در آن Beckhoff و Huawei حرکات هماهنگ پرسرعت و معینی را در ارتباطات بی سیم 5G نشان دادند.
5G نسل پنجم ارتباطات تلفن هوشمند است، که هدف آن برتری یافتن نسبت به 4G (LTE/WiMax)، 3G (UMTS) و 2G (GSM) است. عملکرد 5G رسیدن به نرخ دادۀ بالا، کاهش تاخیر، صرفه جویی در مصرف انرژی، کاهش هزینه، ظرفیت بالاتر سیستم، و اتصال گسترده تر دستگاه است. اتحادیۀ مخابرات بین المللی (ITU) در مشخصات IMT-2020 نیازمند سرعت های تا حدود 20 گیگا بایت در ثانیه است.
شبکه های 5G مطابق با IEEE سه مزیت اساسی دارند:
- نرخ های دادۀ بالا (Gbit/s1-20)
- تاخیر کم (ms1)
- ظرفیت و تبدیل مقیاس بزرگتر شبکه
یک مثال دیگر از کاربرد آن تلاش های شعبۀ Daimler’s Mercedes-Benz Cars برقراری یک شبکۀ محلی 5G برای پشتیبانی فرآیندهای تولید اتومبیل در “Factory 56” در Sindelfingen Germany. است. SNS Telecom&IT برآورد میکند که در حدود 30% سرمایه گذاری ها تقریبا برابر 5/2 میلیارد دلار برای ایجاد شبکه های خصوصی 5G هستند، که یک محیط اتصال بی سیم ترجیح داده شده برای پشتیبانی از تحولات صنعتی 4.0 برای اتوماسیون و دیجیتالی کردن کارخانه ها، انبارها، بنادر و سایر محل های صنعتی خواهند بود، علاوه بر این که کاربردهای متعدد دیگری نیز دارند.
Corning و Verizon 5G Ultra-Wideband تاسیسات تولید کابل فیبر نوری Corning را در Hickory، NC، نصب کرده اند. Corning از فناوری 5G Verizon برای آزمایش تقویت عملکردها وبا کمک آن ، مثل اتوماسیون کارخانه و تضمین کیفیت، در یکی از بزرگترین تاسیسات تولید کابل فیبر نوری جهان استفاده خواهد کرد. این شرکتها برای ابداع راهکارهایی با کمک 5G با یکدیگر همکاری میکنند، که به طور بالقوه تحولی را در بسیاری از کالاها و خدمات تولید شده به وجود خواهد آورد. تاخیر کم، سرعت بالا، و پهنای باند بالای 5G سبب بهبود فرآیند تولید شده و ظرفیت هایی مثل یادگیری ماشین، واقعیت افزوده، و واقعیت مجازی (AR/VR) را افزایش میدهند. مهندسان Verizon و Corning بررسی خواهند کرد که کارخانه ها در آینده چگونه میتوانند از 5G برای تسریع جمع آوری داده ها استفاده کنند، دستگاه ها را به صورت نزدیک به زمان واقعی(Real Time) با یکدیگر مرتبط کنند، و به صورت بی سیم به بررسی و بازرسی موجودی خود با استفاده از دوربین های متصل به 5G بپردازند. آنها همچنین بررسی میکنند که 5G چگونه سبب بهبود عملکرد وسایل نقلیۀ خودران (AGV) میشوند، تا به آنها در حرکت موثرتر در سطح کارخانه کمک کنند.
پشتیبانی از رشد 5G
بسیاری از افراد برای پشتیبانی از رشد 5G Wireless در سازمان های صنعتی کار میکنند. اتحاد برای صنایع پیوسته و اتوماسیون 5G (5G-ACIA) یک پایگاه مرکزی و جهانی برای توجه، بحث، و ارزیابی جنبه های فنی، قانونی، و تجاری مرتبط با 5G در دامنۀ صنعتی است. 5G Alliance اعلام میکند که یکی از تفاوتهای اصلی بین 5G و نسلهای قبلی شبکه های سلولی به تمرکز قدرتمند 5G بر ارتباطات ماشینی و اینترنت اشیا (IoT) مربوط میشود. بنابراین قابلیتهای 5G فراتر از کاربردهای موبایل هستند و نرخهای انتقال دادۀ آنها به طور مداوم در حال افزایش است. 5G به طور ویژه از ارتباطات با پایایی بالا و تاخیر کم پشتیبانی کرده، و در عین حال سبب تسهیل اتصالات گستردۀ IoT میشود. این سازمان اشاره میکند که در بخش تولید، 5G تاثیر گستردهای بر اجزای اصلی مرتبط خواهد داشت، مثل اتصالات بی سیم، محاسبات لبه ایی، یا تفکیک شبکه، که به کارخانه های هوشمند آینده راه پیدا میکند. این سازمان مقالۀ سفید 5G-ACIA، 5G برای صنایع پیوسته و اتوماسیون را منتشر کرده و مروری بر پتانسیل اولیۀ 5G برای صنایع مرتبط داشته است، مخصوصا صنایع ساخت و تولید، و موارد کاربردی، شرایط و سایر اطلاعات را شرح داده است.
