私人5G在制造行业的驱动因素及应用场景

Leo Gergs主要分析师 引言：制造业中的无线连接解决方案 目录 私有5G应用案例制造业 ...................................4私人5G制造能力...................................3网络安全与完整性.....................................3在接入点之间实现稳健的切换.............................4常用的制造中连接技术概览...............................2引言：制造中的无线连接解决方案......1安全应用与安全配置……5 连接工人与工人安全……5 基于流程和条件的监控……5 近年来，制造业经历了动荡不安，这标志着近期爆发的疫情、地缘政治紧张局势和经济不确定性。这些挑战影响了消费者和企业，由于地缘政治紧张局势加剧，推高了能源和其他资源的成本，并加剧了劳动力短缺，迫使制造商因人员短缺而暂时缩减或甚至停止生产。因此，行业迫切需要采用更多数字化和自动化生产及质量控制的方法，即工业4.0。这种转变对于维持制造商的短期和长期盈利至关重要。增加自动化将减少对人工劳动的依赖，从而保障业务连续性。此外，增加的数字化将加强高效生产，意味着每件生产出的商品成本更低。 在工业4.0的框架下，确保无缝连接和易于访问运营数据是成功的关键。这些要素对于采用资产跟踪、自动导引车（AGV）的使用、机器人技术、数字孪生、连接式工作和连接式工厂等技术至关重要。目前，在制造环境中实现连接性的主要方法是通过固定或Wi-Fi连接。然而，这些方法有其缺点： 解决关键问题：为美国制造商提供专家问答……6 1. 部署前...............................................82. 部署与调试......................93. 部署后.............................................9如何开始：部署私有蜂窝网络指南...8 • 固定连接需要将机器和传感器在特定点物理连接，这使得设施扩张或新增连接变得昂贵，因为与电缆安装相关的成本很高。ABI Research估计，这占到了总连接安装费用的70%至80%，包括硬件和人力成本。 • 尽管Wi-Fi技术在工业领域已有所应用，并且Wi-Fi 6的问世，它仍面临确保可靠性、快速切换和强大通信等挑战，这通常需要使用专门的接入点和设备，从而导致成本增加和价值链受限。 蜂窝连接，遵循全球标准并受益于完整的产业链，提供了一个有吸引力的替代方案。蜂窝网络以其移动性、可靠性、安全性以及支持高设备密度的能力为特点，优于其他通信标准。多年来，蜂窝生态系统也因规模经济而受益，使得设备和连接模块更加经济实惠。 常用在制造业中的通用连接技术 观察今日的工厂车间，有线连接仍然是连接不同生产机器和组件的主要方式。同时，高度的技术碎片化导致工厂车间中出现了一幅由各种连接技术拼凑而成的“补丁毯”，如表1所示。 广泛的异构技术使用和对有线连接的依赖阻碍了制造商充分利用由工业4.0承诺的改进和效率。毫不奇怪，制造商持谨慎态度。©2024 ABI Research为了彻底改造他们当前的网络连接设置，鉴于它们多年的可靠性证明；因此，不同的有线和无线 连接技术将继续并存。此外，将这些系统升级到现代标准需要对生产设备进行广泛的修改，这可能会花费高昂。相反，制造商被鼓励采用能够将各种协议和现有自动化系统集成到无线框架中的连接技术，从而克服有线连接的局限性。在这种情况下，5G技术在制造商的数字化转型道路上可以发挥关键作用——尤其是在绿色场部署中，那里不需要重新配置和/或改造。 当涉及到制造业世界时，5G 连接性提供3. 制造业的私有 5G 功能具有三个主要能力，能够实现独特广泛的工业用例，即增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communication）和大规模机器类型通信（Massive Machine Type Communication）。当谈到制造业时，5G连接提供三大主要功能图1展示了不同的制造案例。宽带（eMBB）、超可靠低时延通信（URLLC）和大规模通过5G解决。灰色点越轻，实现用例就越容易。 通信（URLLC）和大规模机器类型通信（mMTC）。这可以支持一个独特的广泛工业应用案例，即增强型移动机器类型通信（mMTC）。 • 增强型移动宽带（eMBB）提供高带宽以支持大文件，从而支持如下的应用：•增强型移动宽带（eMBB）提供大文件所需的高带宽，使能 超高清（UHD）视频、增强现实（AR）/虚拟现实（VR）培训或远程操作技术应用如超高清（UHD）视频、增强现实（AR）/虚拟现实（VR） • 超可靠低延迟通信（URLLC）增强5G技术，实现最小延迟和高可靠性，这对于需要持续连接和高度关键应用，如制造业应用至关重要。© 2024 ABI Research制造商。现实（虚拟现实）培训或远程操作制造。 • mMTC扩展设备连接性至5G，支持制造业中的广泛传感器网络，用于监控大型或危险区域。此处包含的材料仅供购买许可证持有者个人使用，不得由该许可证持有者分发给任何其他个人或实体，包括但不限于与该许可证持有者同属一个公司或其他实体的个人，除非获得明确许可。基于条件的危险环境或e的监测（CBM）他须获得许可方的书面许可。紧急关闭/工人安全应用。biresearch.com 私用蜂窝网络的其中一个主要操作优势在于，可以对该网络的访问进行严格监控，并且只有授权设备才能获得访问权限。 这确保了没有任何恶意设备进入网络，并且制造商对其通信基础设施中所有接入设备拥有完全控制权。此外，确定性的网络和专用频段将减少网络中设备总数。Wi-Fi在工业、科学和医疗（ISM）频带上运行，这些频带也被25%的工业设备使用。由于这些设备必须采用“先听后传”的方法，即在使用传输前需要感应其环境，这增加了受到干扰事件的脆弱性。 私有蜂窝网络可以使用合法授权的移动网络频谱，因此设备不受相同机制的约束。这不仅增强了网络对干扰事件的抵抗力，而且对网络可用性和延迟的更可靠和可预测的测量也大有裨益，从而提高了整体连接的可靠性。 无线连接技术的一种重要不足在于，当设备在工厂车间移动，信号需要从一个接入点传递到另一个接入点时。在信号切换过程中，延迟会不可预测地大幅增加，这意味着制造商在规划能够实现完全灵活的车间地面的高度移动使用案例时必须考虑到这一点。 通过结合先进的技术能力，私有5G防止了这种不确定的延迟跳跃，并提供了所谓的稳健的切换。在实际层面，这将允许制造商以更高的速度和更高的可靠性运行任何需要高度移动性的用例——例如AGV（自动导引车）或自主移动机器人（AMR）。 该组合将eMBB、URLLC和mMTC能力与确定性网络相结合，从两个不同维度实现了面向制造应用场景的私有5G。首先，它允许以一种比当前连接替代方案更为高效的方式解决现有的连接应用场景。 其次，5G功能使得制造商能够处理先前必须依赖有线连接的新安全和安全性用例。如ABIResearch联合数字制造与网络安全学院（MxD）在美国对制造商进行的一项调查所示，这些用例是制造商关注的焦点。 通过提供高度可靠、低延迟的通信，5G使得制造商能够比其他无线替代方案更有效地自动化和数字化高度安全和紧急应用。首先，5G将允许制造商部署实时监控与监视在整个生产线上的应用。其次，5G连接性将允许实施确保为制造商的物联网提供安全的远程访问解决方案(IoT)解决方案。这也确保了维护和监控活动不会损害制造过程的完整性。这对于需要远程监督或干预的操作尤其重要。 此外，由私有5G保障的低延迟将使制造商能够自动紧急警报私有5G网络能够迅速将紧急警报传达给设施内的设备和人员，从而促进立即采取行动，无论是疏散受影响区域还是启动封锁程序，而这些，到目前为止，制造商必须通过有线固定线路连接来完成。 此外，它允许在断电情况下远程控制安全系统并实现可靠的通信。5G连接的低延迟和高可用性使得制造商可以通过私有5G网络远程控制关键安全系统，从而实现即时响应行动，例如激活通风系统或紧急停机，从而减轻风险和潜在损害。此外，私有5G网络即使在断电期间也能保持操作通信渠道，确保在紧急情况下关键通信不受中断。 除了安全和应急应用之外，私有5G网络还可以在加强全面联网的劳动力方面发挥关键作用，从而改善工人的安全。私有5G网络特别适合这一用途，因为它提供全面的服务。覆盖整个制造设施在Wi-Fi可能存在困难的地域达到覆盖。金属基础设施和生产机器的普遍存在常常给无线电频率（RF）波带来挑战。由于私有5G网络发射的波功率高于Wi-Fi，5G可以达到Wi-Fi可能无法触及的最偏远的生产区域。 工人配备了物联网设备、可穿戴设备和移动技术，可以获取实时数据、设备状态和运营见解，从而促进明智的决策和快速应对生产变化或问题。这种连通性还支持使用增强现实（AR）或虚拟现实（VR）进行培训和维修，使工人在执行复杂任务时能够更加精准和高效。此外，私有5G网络的强大安全特性可以帮助制造商在结合专用安全软件解决方案的情况下，确保其最有价值的生产数据安全。 基于过程和条件的监测制造环境通常特别危险。能够持续监控制造过程和生产资产状况将成为预测性和预防性维护的重要推动因素。因此，这将成为制造商强化其弹性和增加其业务连续性努力的重要基石。 从连接性角度来看，这有两个主要要求。首先，任何网络都需要支持大量连接的设备/传感器。毕竟，制造过程是高度复杂的程序，通常涉及数千个单独的资产。其次，任何无线连接网络也需要在所有时间都非常可靠和可用。这些监控系统将被用来警告工人危险条件，因此任何网络故障都可能带来灾难性的后果。 通过引入大规模机器类型通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（URLLC）功能，5G将完美定位，以提供增强制造过程和条件监控的连接性，为下一节讨论的重要改进做出贡献。 应对关键关切：美国制造商专家问答 尽管目前对制造运营中私有5G网络的益处已经得到了充分研究，但与Wi-Fi等成熟的连接技术相比，在制造过程中使用蜂窝连接——特别是5G——仍然较为新颖。为了帮助制造商对部署私有蜂窝网络建立信心，本节将解答最突出的问题。 ?私人5G如何提高制造过程中的运营效率和生产率？ 私有5G网络可以显著提高制造过程中的运营效率和生产力，正如对现有制造空间部署的观察所显示的。 • 不同ABI Research与制造商的讨论总结认为，设施已观察到通过最小化停机时间和优化运营，实现高达30%的生产率提升。在部署了私有蜂窝网络之后。此外，强大的切换功能使得制造商能够以30%更高的速度运行AGVs。 • 据ABI Research的质量研究讨论，制造商已记录运营成本降低，包括能源节约高达20%以及维护成本降低25%至30%。由于运营效率的提高和预测性及预防性维护的驱动。 • 随着连接性的提升，制造商可以实施更全面的安全措施，包括对设备和环境的实时监控。根据ABI Research在定性讨论中了解到的情况，这导致了报告中的以下内容：工作场所事故减少，在某些情况下减少幅度超过40%。 ?与公共网络或之前的无线技术相比，私有5G网络在安全性方面有哪些优势？ 与其他无线连接技术相比，私有蜂窝网络的部署为保护网络免受未经授权的访问提供了众多机制。首先，私有网络需要特别指定的用户身份模块（SIM）卡来授权设备访问该网络，从而创建一个额外的物理安全层。此外，私有5G网络的部署允许所有连接基础设施保留在企业场所内。因此，所有敏感的联网数据都可以保留在制造现场，并且可以通过流量隔离、加密和细粒度访问控制等组合方式，清楚地与任何公共网络分离。 但是，如果没有同行制造商的经验，所有这些理论讨论都将毫无意义。如图2所示，已经为运营部署了私有蜂窝网络的美国制造商对复杂的安