Posvet
AVTOMATIZACIJA STREGE IN MONTAŽE 2023 – ASM '23
Ljubljana, 06. december 2023
ASM '23 1
TEHNOLOGIJA 5G ZA DOSEGANJE UNIVERZALNE POVEZLJIVOSTI
PROIZVODNIH PROCESOV IN SISTEMOV
Miha Pipan, Niko Herakovič
Laboratorij LASIM, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani
POVZETEK
S prihodom tehnologije 5G se odpirajo nove možnosti za doseganje univerzalne povezljivosti v proizvodnih procesih. V
industrijskih okoljih bo ta tehnologija lahko igrala ključno vlogo, saj omogoča hitrejše, bolj zanesljive in prilagodljive
povezave med različnimi komponentami proizvodnih sistemov. V laboratoriju LASIM smo se poglobili v raznolike vidike,
kjer tehnologija 5G izkazuje svoj potencial, od fleksibilnosti in agilnosti proizvodnih sistemov do pametnega vzdrževanja in
logističnih procesov, vse z namenom doseganja izjemne povezljivosti in učinkovitosti v industrijskem okolju. Tehnologija
5G predstavlja preboj v industrijskih procesih, saj omogoča hitrejšo in bolj zanesljivo izmenjavo podatkov med različnimi
napravami in komponentami proizvodnih sistemov. S tem se povečuje agilnost in fleksibilnost proizvodnih procesov, kar
omogoča boljšo prilagodljivost na spremembe in zahteve trga. Pametno vzdrževanje, sledenje delavcem v realnem času ter
optimizacija logističnih procesov so le nekatere izmed aplikacij tehnologije 5G v industrijskem okolju, ki prispevajo k večji
učinkovitosti in konkurenčnosti podjetij.
Ključne besede: 5G, povezljivost, proizvodni sistemi, testiranje
1. UVOD
Za boljše razumevanje potenciala tehnologije 5G
smo v laboratoriju LASIM izvedli temeljite teste,
ki so zajemali širok spekter industrijskih
aplikacij. Ti testi so bili izvedeni na konkretnih
primerih uporabe tehnologije 5G v industrijskih
okoljih, ki so predstavljali pomemben korak
naprej k bolj povezanemu in agilnemu
industrijskemu okolju.
Skozi natančno izvedene teste smo analizirali
različne vidike, vključno s hitrostjo izmenjave
podatkov, odzivnostjo ioT naprav, stabilnostjo
povezave ter kompatibilnostjo z industrijskimi
protokoli. Celovit pregled teh parametrov nam je
omogočil boljši vpogled v potencial tehnologije
5G v industrijskih aplikacijah. Združitev
tehničnih in praktičnih vidikov uvajanja 5G
odpira vrata v prihodnost povezane in učinkovite
proizvodnje, ki lahko prinaša številne koristi tako
za podjetja kot tudi za širšo industrijo.
2. MOŽNOSTI UPORABE TEHNOLOGIJE
5G V INDUSTRIJI
Možnosti uporabe tehnologije 5G v industriji
so številne in ključne za nadaljnji napredek ter
optimizacijo proizvodnih procesov. V kontekstu
proizvodnih procesov kosovne proizvodnje, ki so
osrednji del učinkovite izdelave raznolikih
komponent in končnih izdelkov, je vpeljava
tehnologije 5G izjemno pomembna. S sodobnimi
pristopi k proizvodnji, ki zahtevajo nenehno
prilagajanje in optimizacijo za dosego največje
produktivnosti, tehnologija 5G ponuja hitrejši,
bolj zanesljiv in prilagodljiv prenos podatkov, kar
je ključnega pomena za uspešno konkurenčnost in
učinkovitost v industriji.
Povečanje fleksibilnosti in agilnosti sistemov
je temeljnega pomena pri doseganju zastavljenih
ciljev v proizvodnih okoljih. Tehnologija 5G
omogoča hitrejše odzivanje na spremenjene
zahteve trga ter omogoča nemoteno prilagajanje
proizvodnih procesov, kar omogoča podjetjem, da
ostanejo prožna in konkurenčna v dinamičnem
poslovnem okolju.
Pametno vzdrževanje je ključni element
optimizacije in zmanjševanja stroškov v
industriji. S tehnologijo 5G je spremljanje
delovanja strojev in naprav v realnem času
učinkovitejše kot kdajkoli prej, kar prispeva k
preprečevanju nepričakovanih okvar in
zmanjšanju časa nedelovanja opreme, s tem pa
Tehnologija 5G za doseganje univerzalne povezljivosti proizvodnih procesov in sistemov
Avtor: Miha Pipan, Niko Herakovič
UL FS LASIM
ASM '23
2
tudi k izboljšanju skupne učinkovitosti
proizvodnega procesa.
V logističnih procesih, tako internih kot
eksternih, tehnologija 5G odpira vrata za številne
inovacije. Avtomatizirano vodenje vozil (AGVji)
je le en primer, kako se lahko izkoristi nizka
latenčnost in visoke hitrosti prenosa podatkov
preko tehnologije 5G za izboljšanje učinkovitosti
prevoza blaga in optimizacijo skladiščnih
procesov.
Usmerjanje delavcev v realnem času in
sledenje delovnim operacijam s pomočjo
tehnologije 5G sta ključna za doseganje večje
učinkovitosti in natančnosti v proizvodnem
procesu. Brezžična povezljivost te tehnologije
omogoča integracijo različnih tehnologij ter
omogoča visoke hitrosti prenosa podatkov, kar
prispeva k optimizaciji proizvodnega procesa.
V poslovnem okolju sta stabilnost in hitrost
povezave, ki ju prinaša tehnologija 5G, ključnega
pomena za nemoteno delovanje. Hitra povezava
omogoča nemoteno izvajanje zahtevnih grafičnih
predstavitev, delo v realnem času ter mobilno
delo, kar prispeva k povečanju konkurenčnosti in
agilnosti podjetja na trgu. S tem se odpirajo nove
priložnosti za inovacije in napredek v industriji,
ki temelji na hitri ter zanesljivi povezljivosti.
3. PASTI UPORABE 5G V
INDUSTRIJSKIH APLIKACIJAH
V zadnjem času se je 5G tehnologija izkazala
za izjemno obetavno v industrijskih aplikacijah, a
kljub temu se pojavljajo nekatere pasti, ki
zahtevajo natančno raziskovanje in premišljeno
načrtovanje. V tem članku bomo raziskali
nekatere pasti uporabe 5G v industriji, ki
vključujejo neznanost in pomanjkanje izkušenj,
nedorečene možnosti zasebnih 5G omrežij ter
vprašanja glede javnih in zasebnih omrežij.
Poleg teh izzivov se lahko pri implementaciji
5G tehnologije pojavijo tudi druge ovire, ki
zahtevajo premišljeno obravnavo in načrtovanje.
Mednje sodi tudi kompleksnost upravljanja velike
količine podatkov, ki jih omogoča 5G omrežje. S
temeljitim raziskovanjem in analizo je treba
določiti strategije za učinkovito upravljanje in
obdelavo podatkov, da se izkoristi celoten
potencial tehnologije brez preobremenitve
sistemov.
Pri prehodu na 5G se lahko pojavi tudi
potreba po nadgradnji ali zamenjavi obstoječe
strojne opreme in infrastrukture, da bi bili
kompatibilni s to tehnologijo. To pa lahko prinese
dodatne stroške in zahteva temeljito načrtovanje
in upravljanje sredstev.
Nadalje je pomembno upoštevati vprašanja
glede usposabljanja in izobraževanja zaposlenih,
saj bo implementacija nove tehnologije zahtevala
nove veščine in kompetence. Investicija v
izobraževanje in usposabljanje zaposlenih je
ključnega pomena za uspešen prehod na 5G
tehnologijo ter za zagotovitev, da bo delovna sila
kos novim izzivom in priložnostim, ki jih prinaša.
Izbira med javnimi in zasebnimi 5G omrežji
predstavlja dodaten vidik pasti. Raziskati je treba
zanesljivost delovanja, hitrost prenosa podatkov,
latenco ter varnost prenosa podatkov pri obeh
možnostih, da bi podjetja lahko sprejele
informirane odločitve.
Poleg tega se soočamo z izzivi glede trenutne
opreme, ki ni vedno primerna za uporabo 5G
tehnologije, na primer nekateri modeli ure. Cena
in poraba energije predstavljata še dva vidika, ki
jih je treba upoštevati pri prehodu na 5G.
Dodatno, različne regulativne prakse glede
uporabe frekvenc, kot je uporaba nižjih frekvenc
v EU v primerjavi z ZDA, predstavljajo še eno
past, ki jo morajo podjetja upoštevati pri
implementaciji 5G tehnologije.
Glede pasti uporabe tehnologije 5G v
industrijskih aplikacijah lahko zaključimo, da se
5G tehnologija resnično izkazuje za
revolucionarno v industrijskih aplikacijah, vendar
je treba upoštevati številne izzive in pasti, ki
spremljajo njen prehod. S premišljenim
ASM '23
3
pristopom, nenehnim učenjem in prilagajanjem
pa lahko podjetja uspešno izkoristijo potenciale te
tehnologije ter dosežejo izboljšave v svojih
poslovnih procesih.
4. POVEZLJIVOST PROIZVODNIH
SISTEMOV
Z namenom pomoči podjetjem pri
razumevanju 5G tehnologije in predstavitvi
praktičnih primerov uporabe, smo v laboratoriju
LASIM nadgradili s 5G tehnologijo. Ta sedaj
omogoča delovanje posameznih komponent
preko WiFi, LAN ali 5G omrežja (Slika 1).
Slika 1: Osnovno gradniki demo centra pametna
tovarna in komunikacija med njimi.
S tem smo dobili tudi testno mesto za omrežje
5G, ki ga uporabljamo za testiranje lastnosti 5G
omrežja, saj je uvajanja 5G tehnologije v
industrijske procese ključnega pomena [2]. Ta
zahteva temeljito testiranje in analiza različnih
vidikov delovanja omrežij ter povezovanja
naprav. Spodaj predstavljamo razširjene točke, ki
zajemajo testiranje opreme, hitrost izmenjave
podatkov, odzivnost IoT naprav, stabilnost
povezave, kompatibilnost s komunikacijskimi
protokoli ter primerjalne analize z obstoječimi
tehnologijami.
Testiranje Opreme za Povezovanje
Industrijskih Sistemov v 5G Omrežje: to je
ključen korak pri uvajanju tehnologije v
industrijsko okolje. Pri tem se izvajajo različni
testi, ki zajemajo preverjanje interoperabilnosti,
zanesljivosti, zmogljivosti in odzivnosti opreme.
Interoperabilnost opreme se preizkusi z
integracijo različnih naprav in sistemov ter
preverjanjem, ali lahko med seboj komunicirajo
in delujejo usklajeno. Preverja se tudi združljivost
s standardi in protokoli, ki so pomembni za
uspešno delovanje v 5G omrežju.
Zanesljivost opreme je ključnega pomena za
nemoteno delovanje proizvodnih procesov. Zato
se oprema testira v različnih delovnih pogojih,
vključno s ekstremnimi temperaturami,
vibracijami in elektromagnetnimi motnjami, da se
zagotovi njena stabilnost in trajnost.
Identifikacija morebitnih težav je pomembna
za izboljšave in prilagoditve opreme. Med
testiranjem se beležijo morebitne nepravilnosti ali
omejitve ter se iščejo rešitve za njihovo odpravo.
Celovito testiranje opreme omogoča izbiro
najboljše možne rešitve za integracijo v 5G
omrežje ter zagotavlja učinkovito delovanje
industrijskih sistemov v novem okolju.
Analiza Hitrosti Izmenjave Podatkov v 5G
Omrežju (Slika 2): Analiza hitrosti izmenjave
podatkov v 5G omrežju je ključna za
razumevanje zmogljivosti omrežja pri prenosu
informacij. S temeljito analizo lahko ugotovimo,
kako hitro se podatki prenašajo med različnimi
točkami v omrežju, kar nam omogoča
identifikacijo morebitnih ozkih grl ali možnosti
za izboljšave.
Pregled hitrosti prenosa podatkov nam
pomaga oceniti, ali je omrežje sposobno
zagotoviti potrebno pasovno širino in odzivnost
za različne aplikacije. Poleg tega nam omogoča
tudi primerjavo dejanske hitrosti prenosa s
pričakovano, kar lahko razkrije morebitne težave
ali nepravilnosti v delovanju omrežja.
S poglobljeno analizo hitrosti izmenjave
podatkov lahko pridobimo dragocene vpoglede v
delovanje 5G omrežja in identificiramo področja,
Tehnologija 5G za doseganje univerzalne povezljivosti proizvodnih procesov in sistemov
Avtor: Miha Pipan, Niko Herakovič
UL FS LASIM
Tehnologija 5G za doseganje univerzalne povezljivosti proizvodnih procesov in sistemov
Avtor: Miha Pipan, Niko Herakovič
UL FS LASIM
ASM '23
4
ki zahtevajo izboljšave ali optimizacijo. To nam
omogoča boljše načrtovanje in upravljanje
omrežja ter zagotavljanje optimalne izkušnje
uporabnikov.
Slika 2: Primerjava pritočnih hitrosti LAN, WiFi
in 5G omrežja.
Analiza Hitrosti Odziva Posameznih ioT
Naprav v 5G Omrežju: Poleg splošne hitrosti
omrežja je ključnega pomena tudi preučevanje
odzivnosti posameznih IoT naprav znotraj 5G
omrežja. To vključuje oceno časa od poslane
zahteve do prejema odgovora, kar je bistveno za
industrijske aplikacije, ki zahtevajo hitre odzive.
Takšna analiza omogoča oceno, ali je omrežje
sposobno zagotoviti zadostno odzivnost za
specifične aplikacije, ki temeljijo na IoT
napravah. Zaznavanje morebitnih zamud pri
odzivu lahko pomaga identificirati potencialne
težave v omrežju ali na strani naprav ter omogoča
izvajanje potrebnih prilagoditev za izboljšanje
odzivnosti sistema.
Poleg tega je treba upoštevati, da lahko
variacije v odzivnosti IoT naprav vplivajo na
celotno delovanje omrežja, zlasti v industrijskih
okoljih, kjer je odzivnost ključnega pomena za
nemoteno delovanje proizvodnih procesov. Zato
je nujno, da se izvedejo temeljite analize in
preizkusi, ki bodo omogočili razumevanje in
optimizacijo odzivnosti posameznih naprav ter
celotnega omrežja. S tem se lahko zagotovi, da bo
5G omrežje učinkovito podpiralo potrebe
industrijskih aplikacij in omogočalo hitre,
zanesljive ter prilagodljive povezave med
napravami.
Stabilnost Povezave 5G Omrežja:
Stabilnost povezave je ključnega pomena za
nemoteno delovanje industrijskih sistemov.
Raziskava vključuje ocenjevanje pogostnosti
izpadov, časov trajanja prekinitev in rešitve za
izboljšanje stabilnosti 5G povezav v
industrijskem okolju. Ta analiza omogoča
identifikacijo morebitnih vzrokov za izgubo
povezave, kot so motnje v signalu ali
preobremenjenost omrežja, ter omogoča razvoj
strategij za zmanjšanje pogostosti izpadov in
izboljšanje stabilnosti 5G povezav v
industrijskem okolju.
Poleg tega je treba raziskati možnosti za
nadgradnjo infrastrukture, kot so dodatne antene
ali ojačevalniki signala, ki lahko izboljšajo
stabilnost in pokritost omrežja v industrijskih
obratih. Prav tako je pomembno preučiti možnosti
za izboljšanje programske opreme in protokolov,
ki lahko optimizirajo upravljanje omrežja ter
preprečijo izpade zaradi preobremenjenosti ali
prekinitev signala.
Dodatno je ključno izvajanje rednih
vzdrževalnih pregledov in testiranj, ki omogočajo
zgodnje odkrivanje morebitnih težav ter njihovo
hitro reševanje, še preden te postanejo resnejše. S
tem se zagotovi nemoteno delovanje in zanesljiva
povezljivost, ki sta ključnega pomena za
učinkovito delovanje industrijskih procesov in
preprečevanje izgub zaradi nedelovanja sistema.
Kompatibilnost 5G Omrežja z
Induktorskimi Komunikacijskimi Protokoli:
Industrijski sektor pogosto uporablja specifične
komunikacijske protokole. Raziskava se
osredotoča na preverjanje kompatibilnosti 5G
omrežja z obstoječimi industrijskimi protokoli,
kot so Modbus, Profibus, in drugi. Namen tega
preverjanja je zagotoviti, da se lahko 5G omrežje
ASM '23
5
uspešno integrira v obstoječe industrijske sisteme
brez večjih težav ali izpadov v komunikaciji.
S preučevanjem kompatibilnosti se
identificirajo morebitne izzive ali omejitve pri
združevanju 5G tehnologije s standardnimi
industrijskimi protokoli, kar omogoča razvoj
ustreznih rešitev za uspešno in učinkovito
uporabo 5G omrežij v industrijskem sektorju. To
vključuje prilagoditve ali posodobitve obstoječih
sistemov, če je potrebno, ter razvoj novih
protokolov za optimalno delovanje v kombinaciji
z 5G tehnologijo.
Poleg tega je treba izvajati tudi teste
združljivosti, ki omogočajo preverjanje delovanja
sistema v realnem okolju ter identifikacijo
morebitnih težav ali nezdružljivosti med 5G
omrežjem in obstoječimi protokoli. S tem se
zagotovi nemoteno delovanje komunikacijskih
sistemov v industriji ter optimizacija izkoristka
5G tehnologije za podporo različnim
industrijskim aplikacijam.
Primerjalne Analize med LAN, WiFI in 5G
(SA in NSA): Za celovit vpogled v prednosti 5G
tehnologije v industrijskem okolju se izvajajo
primerjalne analize z obstoječimi tehnologijami,
kot so lokalna omrežja (LAN) in brezžična
omrežja (Wi-Fi).
Poleg tega se izvaja primerjava med
samostojnim (SA) in ne samostojnim oz. javnim
(NSA) delovanjem 5G. Te primerjalne analize
omogočajo oceno razlik v hitrosti, zanesljivosti,
odzivnosti in zmogljivosti med različnimi
tehnologijami.
Pri primerjavi hitrosti se analizira, kako hitro
lahko 5G prenaša podatke v primerjavi z LAN in
Wi-Fi omrežji ter kateri način delovanja 5G (SA
ali NSA) ponuja boljšo hitrost. Poleg tega se
preučuje tudi zanesljivost povezave v različnih
pogojih delovanja ter odzivnost omrežja na
zahteve po prenosu podatkov v realnem času.
Primerjalne analize omogočajo oceno
zmogljivosti 5G v primerjavi z obstoječimi
tehnologijami, vključno s prilagajanjem
obremenitvam in podporo raznolikim
industrijskim aplikacijam. Te analize pomagajo
podjetjem bolje razumeti prednosti in slabosti 5G
ter optimizirati njegovo uporabo v industrijskih
procesih.
5. ZAKLJUČEK
Tehnologija 5G obeta revolucijo v
industrijskih aplikacijah, kjer bo igrala ključno
vlogo pri izboljšanju povezljivosti, agilnosti in
učinkovitosti proizvodnih procesov. Kljub temu
pa je uspeh te tehnologije v industriji odvisen od
njene uspešne integracije in sprejetja med
industrijskimi uporabniki. Testi, izvedeni v
laboratoriju LASIM, so nedvoumno potrdili njen
ogromen potencial, ki se kaže v hitrejših
povezavah, izjemno nizki latenci ter izboljšani
zanesljivosti komunikacije.
Natančno preučevanje hitrosti izmenjave
podatkov, odzivnosti IoT naprav ter stabilnosti
povezave je razkrilo potencial tehnologije 5G pri
ustvarjanju bolj povezanih in agilnih industrijskih
okolij.
Združitev tehničnih in praktičnih vidikov
uvajanja 5G predstavlja pomemben korak naprej
v smeri optimizacije proizvodnih sistemov. S tem
odpiramo vrata inovacijam ter soustvarjanju
industrijske prihodnosti, kjer bo univerzalna
povezljivost ključnega pomena.
Združitev tehničnih in praktičnih vidikov
uvajanja 5G predstavlja pomemben korak naprej
v smeri optimizacije proizvodnih procesov in
odpira vrata novim inovacijam, ki bodo
oblikovale industrijsko prihodnost.
Literatura
[1] Alexandra Lagorioa et al., 5G in Logistics 4.0:
potential applications and challenges, Procedia
Computer Science 217, 2023
[2] Gustavo P. Cainelli, Lisa Underberg, Performance
testing of a 5G campus network in real-world
propagation conditions from the application's point of
view, IFAC-PapersOnLine, Zvezek 56, Izdaja 2, 2023
Tehnologija 5G za doseganje univerzalne povezljivosti proizvodnih procesov in sistemov
Avtor: Miha Pipan, Niko Herakovič
UL FS LASIM