Jak Internet Rzeczy i przemysłowe sieci 4G/5G zmieniają polski przemysł?

• Strona główna
• Artykuły
• Jak Internet Rzeczy i przemysłowe sieci 4G/5G zmieniają polski przemysł?

2022-04-05  / Autor: Dariusz Łukaszewski, Dział Zarządzania Ekspertami, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju

Producenci z różnych sektorów przemysłowych stosują rozwiązania cyfrowe, licząc na ograniczenie rosnących kosztów i poprawę zwrotu z inwestycji. Przemysłowy Internet Rzeczy (Industrial IoT lub IIoT) daje szansę na odwrócenie paradygmatu w zakresie wydajności procesów poprzez wdrożenie najnowocześniejszych rozwiązań wynikających z postępu technologicznego, które zwiększą rentowność i produktywność na hali produkcyjnej¹. Powyższe zabiegi, w zakresie wdrażania 5G i IIoT do przestrzeni produkcyjnej, dzieją się nie tylko na rynkach zagranicznych, ale również w Polsce. W grudniu 2021 roku spółka Orange poinformowała o ukończeniu budowy prywatnej sieć 4G i 5G klasy przemysłowej w Fabryce Nokii i w jej centrum badawczo-rozwojowym, na łącznej powierzchni 13 tys. m^{2 2}. Prezes Orange określił wdrożone rozwiązanie następująco: – Prywatne sieci 5G to bez wątpienia przyszłość efektywnego przemysłu. (…). To rozwiązanie umożliwiające maksymalne dopasowanie łączności do potrzeb klienta, bezpieczne i podnoszące efektywność procesów. W artykule omówiono niektóre z wyzwań, przed jakimi stają producenci planujący wdrożenie IIoT, jak również opisano w jaki sposób sieci 5G mogą pomóc im sprostać, by uzyskać maksymalne korzyści z automatyzacji procesów przemysłowych.

Czym jest Internet Rzeczy?

Internet Rzeczy można zdefiniować jako sieć komunikacji urządzeń samodzielnie zbierających i przesyłających między sobą przetworzone dane. Systemy IoT składają się z kilku niezbędnych elementów:

• warstwy sprzętowej w postaci czujników, stacji roboczych itp.,
• warstwy łączności przewodowej typu Ethernet lub obecnie coraz częściej bezprzewodowej w standardach 5G,
• warstwy informatycznej w postaci systemów/oprogramowania zarządzającego i sterującego oraz dbającego o bezpieczeństwo przesyłu

Rozszerzeniem idei IoT dla potrzeb przemysłu jest przemysłowy Internet Rzeczy skupiający się na digitalizacji elementów procesów przemysłowych i systemów sterowania, w tym optymalizacji interfejsów człowiek – maszyna. Produktami IIoT są oprogramowania do nadzorowania produkcji, umożliwienie kastomizacji produktu przez klienta, podniesienie bezpieczeństwa procesów poprzez włączenie w nie urządzeń autonomicznych.

W zakładach produkcyjnych, w tym w branży chemicznej, pojawia się coraz więcej czujników, dzięki czemu proces zachowuje ciągłość, a ewentualne awarie są wykrywane w krótszym czasie. Wszystkie komponenty składające się na systemy IoT czy IIoT generują dane, pozwalające szkolić zaawansowane algorytmy sztucznej inteligencji, które są w stanie przetwarzać informacje w czasie rzeczywistym i po ich przeanalizowaniu odpowiednio reagować. Dzięki IIoT możliwe stało się zrealizowanie idei cyfrowych bliźniaków, czyli niejako replik całych fabryk w środowisku wirtualnym. Dysponowanie przez firmę dokładnymi danymi, np. o czasie realizacji procesów i potencjalnych opóźnieniach, umożliwia szybką reakcję, a możliwość zamodelowania danego działania w cyfrowym bliźniaku pozwala na precyzyjne przewidzenie konsekwencji i dzięki temu podniesienie całkowitej efektywności.

Poza wspomnianymi elementami systemy Internetu Rzeczy mogą służyć do lokalizowania floty pojazdów, sterowania pojazdami w przypadku pojazdów autonomicznych, lokalizowania pracowników czy też do kontrolowania czynników środowiskowych, takich jak temperatura, wilgotność i zapylenie. Wszystko to prowadzić może do optymalizacji zużycia cennych dla przedsiębiorstwa zasobów, a także do zwiększenia bezpieczeństwa pracy ludzi i maszyn.

5G jako wsparcie Internetu Rzeczy

Potencjał IoT ma szansę być wykorzystany tylko w przypadku zastosowania łączności bezprzewodowej. Łączność stosowana w procesach przemysłowych musi zapewniać stabilny, szybki przesył danych oraz gwarantować bezpieczeństwo.

Dzięki łączności piątej generacji możliwy jest transfer o szybkości 10 gigabitów na sekundę z opóźnieniami wynoszącymi zaledwie kilka milisekund. Dodatkowo pojemność pasma 5G umożliwia obsługę wielu setek tysięcy urządzeń na niewielkim obszarze, bez wzajemnych zakłóceń.

Prace nad sieciami 5G rozpoczęły się około 2012 roku w Wielkiej Brytanii, a pierwsze wdrożenie sieci miało miejsce w Korei Południowej, w grudniu 2018  roku. W pierwszej połowie 2021  roku na świecie było już 290 mln abonentów 5G, a liczba ta stale rośnie. Prognozuje się, że za pięć lat abonentów będzie ponad 3,5 mld. Obecnie 5G znajduje zastosowanie przede wszystkim w dostępie do strumieniowego przesyłania dużych zbiorów danych, niezawodnej transmisji o niskich opóźnieniach oraz bezpiecznej komunikacji w interfejsach człowiek – maszyna.

Na potrzeby artykułu należy wyróżnić dwa rodzaje sieci 5 generacji klasyfikowanych ze względu na obszar jej działania:

• sieć publiczna, do której dostęp ma każdy, kto wykupi usługę i posiada odpowiedni sprzęt,
• sieć prywatna, będąca siecią lokalną zastępującą tradycyjny Ethernet i funkcjonującą na terenie jednej organizacji. W ramach sieci prywatnych firmy posiadają własne pasma i mają pełną kontrolę nad infrastrukturą i bezpieczeństwem przesyłu danych.

Wdrażanie prywatnych sieci 5G zapewni firmom możliwość realizacji idei IIoT dla elastycznego, wydajnego i szybkiego kontrolowania procesów. Technologia 5G umożliwia efektywny, nieograniczony infrastrukturalnie przesył danych i jest niezbędna przy wdrażaniu technologii autonomicznych czy też wykorzystujących sztuczną inteligencję. W przyszłości dzięki sieciom bezprzewodowym wszystkie wykorzystywane w ramach danej fabryki urządzenia będą wykrywać się wzajemnie, tworzyć własne środowiska współpracy i samodzielnie podejmować decyzje w zakresie swoich uprawnień.

Scenariusze zastosowania przemysłowych sieci 5G i IIoT

Powyżej wykazano ogromny potencjał w zakresie scenariuszy użycia 5G i IIoT. Firma Telit Communications, która jest jednym z liderów w zakresie rozwiązań IoT definiuje kilka podstawowych obszarów w zakresie zastosowań⁸, które już są wdrażane w fabrykach na świecie, ale również w Polsce ^6,7.

• Automatyka przemysłowa

Idea produkcji w fabrykach opiera się na powtarzalnych zadaniach, historycznie wykonywanych przez ludzi. Automatyka przemysłowa wykorzystuje systemy sterowania do zarządzania tymi zadaniami, często z wykorzystaniem nowych technologii, takich jak czujniki IoT, kamery wizyjne, AI, czy autonomiczne roboty mobilne. Wprowadzenie 5G umożliwia szersze i lepsze przyjęcie automatyki przemysłowej, uelastyczniając jej różne elementy. Komunikacja bezprzewodowa o niskich opóźnieniach upraszcza monitorowanie i sterowanie maszynami w czasie rzeczywistym, jednocześnie dostarczając więcej informacji. Na przykład fabryka chemiczna może zastosować 5G do podłączenia kamer wizyjnych wzdłuż linii montażowej, a szybka łączność bezprzewodowa umożliwi menadżerom zdalne śledzenie kontroli jakości i kontrolowanie produktów, co zwiększy wydajność i produktywność.

• Optymalizacja łańcuchów dostaw

Łańcuchy dostaw mogą czerpać korzyści z 5G na wiele sposobów, ponieważ przepływ informacji o miejscu pobytu towarów w czasie rzeczywistym jest kluczem do optymalizacji. Przykładowo łańcuchy dostaw, które wymagają jednoczesnej synchronizacji przychodzących części, staną się bardziej wydajne dzięki technologiom śledzenia z wykorzystaniem 5G. Na przykład fabryka motoryzacyjna czekająca na dostawę części z zewnątrz może zobaczyć status wysyłki i zintegrować dane śledzenia ze swoim przepływem pracy, umożliwiając konfigurowanie linii produkcyjnych do wytwarzania części, zespołów i podzespołów w sposób zoptymalizowany w czasie rzeczywistym. Łączność 5G o niskim opóźnieniu umożliwia również komunikację między pojazdami, optymalizując łańcuchy dostaw, które opierają się na autonomicznych ciężarówkach i robotach.

Dariusz Łukaszewski,

autor posiada stopień naukowy doktora inżyniera. Reprezentuje Dział Zarządzania Ekspertami w Narodowym Centrum Badań i Rozwoju

Literatura:
1. F. Tao, Q. Qi, New IT driven service-oriented smart manufacturing: framework and characteristics, IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Syst. (2017), https://doi.org/10.1109/ TSMC.2017.2723764
2. Informacja prasowa Orange Polska z dn. 16.12.2021, https://biuroprasowe.orange.pl
3. L. Monostori, B. Kádár, T. Bauernhansl, S. Kondoh, S. Kumara, G. Reinhart, et al., Cyber-physical systems in manufacturing, CIRP Ann. Manuf. Tech. 65 (2) (2016) 621–641
4. J. Lee, B. Bagheri, H.A. Kao, A cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems, Manuf. Lett. 3 (2015) 18–23
5. M.R. Palattella, M. Dohler, A. Grieco, G. Rizzo, J. Torsner, T. Engel, et al., Internet of things in the 5G era: enablers, architecture, and business models, IEEE J. Sel. Areas Commun. 34 (3) (2016) 510 - 527
6. IoT w Polskiej Gospodarce, Raport Grupy Roboczej do spraw Internetu Rzeczy przy Ministerstwie Cyfryzacji, Warszawa 2019
7. Smart Home, Smart Cities, Smart World Rozwój Internetu Rzeczy, Raport Cyfrowa Polska, Warszawa 2020
8. https://www.telit.com/
9.  Analiza trendów badawczych we wnioskach o do­finansowanie składanych do NCBR w ramach PO IR w latach 2016-2019, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Warszawa 2020, ISBN: 978-83-948439-8-4

Narodowe Centrum Badań i RozwojuautomatykaInternet Rzeczy