5G和无线连接：让智慧工厂更灵活！

在无线网络技术进步的推动下，工厂的固定串行生产线模式正迅速演变为更灵活的工厂环境。

今天的消费者推动了这一制造业转型趋势：他们希望自己的产品提供更多选择，要求工厂摆脱“一刀切”的制造模式，转变为更灵活且复杂的工厂。

将5G作为专用网络添加到工厂可实现所需的灵活性，从而改善协调并提高工厂车间的可视化。专用网络还支持工厂运营的预测性维护，并帮助制造商创建“数字孪生”。

专用网络稳步崛起

移动专用网络是一种行之有效的方法，在许多行业中已使用多年。例如，铁路已经在专用网络运营了很长时间，而部分2G移动频谱早在几十年前已提供给本地和私人使用。5G连接的新功能是3GPP（定义蜂窝标准的组织）明确界定为支持垂直业务要求的专用网络的使用场景。

强调专用网络在一定程度上是对工业领域的回应，工业领域正推动用无线连接取代或增强有线以太网专用网络，同时也为广泛的业务流程带来了新功能。

典型的制造环境

为什么？全球人才短缺、新的使用场景、地缘政治变化，工厂需要提高能效以及产品趋势迅速变化等因素都在推动对专用网络的需求。

让我们从产品趋势开始。如果长期只生产一种产品，那么整体采用有线连接的工厂便能够运转良好。这种经过实践检验的方法使用以太网、时间敏感网络 (TSN) 和其它有线技术进行通信。

然而，在各个行业，这种单一产品生产线模式正迅速向更灵活的工厂环境转变。现在的工厂需要更高效的多功能连接解决方案。

灵活性：未来工厂必备要素

每当必须重新配置生产时，在工厂车间移动电缆效率太低。工厂仍需要电缆，但可将5G专用网络视为无线基础设施的补充覆盖层，从而提供更大的灵活性。

无线技术对于连接在仓库或工厂车间四处移动的机器人尤为重要。对于需要使用和移动的大型系统而言也同样重要。移动性是这些机器人系统的关键，它们的灵活性不是特别高，但如果每次机器人位置改变时不需要铺设新的电缆，不需要从屋顶上拉电缆下来，之后再放回原位，就会带来很多好处。无线网络提供了更简单、更灵活的解决方案。

将5G和无线连接视为支持工厂运营移动性的关键技术。例如，现代汽车生产线可能借助无线连接，实现装配流程向汽车集中，而不是汽车沿装配线移至不同的流程。

在这个更大的飞机制造应用场景中，客机机身保持静止，而机翼组件、配线束和涂装设备移动到飞机的相应区域。

灵活的混合工厂环境

随着越来越多的工厂变得更加灵活，完全采用有线连接的工厂可能会变得障碍重重。但这并不意味着使用云来管理每个设备和子系统。

在高级工厂中，最高层级使用无线连接和5G无线专用网络监测工厂车间的流程，而注重时效的系统仍采用有线连接方式。

在混合层级，机器人内部采用TSN有线连接，并与无线网络连接，支持在各工厂子系统之间进行通信。这种方式可减少对机器人的干扰，同时通信变得至关重要。

当今的机器人应用基于微控制器和处理器，可使用云管理软件轻松地管理和更新嵌入式软件。嵌入式设备中的实时软件可以更新和监控，其所有优势已在数据中心得到验证。使用云管理服务通过专用网络来增强工厂性能，可实现更好的协调，增加可视化，提高软件敏捷性并简化生命周期管理。

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服务质量：首要指标

工厂一旦摆脱了有线模式，无线链路提供的服务质量 (QoS) 对工厂运行变得至关重要，因为链路中断会导致工厂停机。在QoS指标中，链路可用性 (在整个工厂中测量) 是最重要的因素，其次是受限的延迟和吞吐量。工厂环境无法接受无线链路较弱或不存在无线链路。必须保证无线链路在整个工厂车间都可用 ，毕竟，没人想看到配货机器人在工厂中途失去其通信链路。

配货机必须与所携带的无线设备完全连接，否则设备可能会停机。众所周知，工厂车间受到电气和电磁干扰以及RF信号阻隔器的困扰，对无线连接不友好。还有钢梁、发动机和其他所有对射频信号不友好的金属物体。

Wi-Fi和3GPP现在都已认识到这些挑战，并积极制定实现真正智能工厂所需的具体标准。通过扩大移动专用网络的吸引力，3GPP将把5G打造为在未来改善运营、推动数字化转型和实现增长的标准。

专用网络的安全性

在工厂正常运行时，安全性的重要性不亚于QoS。一旦工厂实现了连接，就会成为潜在目标。工厂环境中的有线和无线网络都是黑客和网络罪犯的主要攻击面，这些不法分子试图干扰网络的正常运行、安装勒索软件或非法访问有价值的数据。元数据等工厂数据具有巨大的价值，绝不能泄露。

传统的安全技术也非常重要。互联工厂设备的身份/身份验证非常重要，无线链路加密也非常重要，以确保数据不会被恶意行为者篡改。回到对Wi-Fi和3GPP的比较上，工厂安全性归根结底取决于设备的最佳配置方法。设备是否由SIM卡、密码、二维码或其他技术进行配置？配置对于每个工厂站点、设备供应商或网络类型是不是唯一的？生命周期管理是安全工厂的一个重要方面，目前整个行业都着手处理这个方面。

结束语

芯片供应商和部署在工厂环境中的无线专用网络解决方案之间存在强大、持续的价值链。作为一家全球半导体公司，恩智浦为多种标准的无线连接提供全面的芯片和软件解决方案，从蓝牙和NFC等物联网协议到Wi-Fi和5G基础设施以及客户端解决方案。恩智浦与多个工业通讯和设备供应商合作，确保每个终端产品都符合工业对QoS、安全和工厂自动化其他重要方面的要求。

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(本文作者Wim Rouwet，恩智浦半导体杰出技术人员)