5G síť pro každý podnik do několika let aneb na úspěšné cestě k Průmyslu 4.0

Už jen během příštích několika let budou v průmyslových podnicích zřízeny soukromé 5G bezdrátové sítě všude tam, kde budou potřeba robustní, ultrarychlé sítě s vysokorychlostním přenosem dat. Nový standard mobilní komunikace bude moci ovládat stovky tisíc zařízení na kilometr čtvereční v reálném čase od automatizovaných systémů, automaticky řízených vozíků (AGV) a výrobních linek až po rozšířenou realitu a roboty. V Německu se očekává, že průmyslová 5G síť bude k dispozici nejpozději do roku 2023 tak jako ve Velké Británii, USA i jiných zemích.

Pro uživatele chytrých telefonů je atraktivnost 5G sítě naprosto jasná. Umožňuje jim totiž například sledování videí ve 4K rozlišení, kdekoliv chtějí. V průmyslu to však hraje mnohem důležitější roli. Mluvíme totiž o jednom z milníků na cestě k Průmyslu 4.0, ve kterém se inteligentní továrny stávají flexibilnějšími a produktivnějšími díky kompletní digitalizaci a internetu věcí (IoT). 5G je 10 až 20krát rychlejší než dnešní LTE a spotřebuje pouze jednu tisícinu množství energie na přenesený bit.

„Nízké latence, extrémně vysokorychlostní přenos dat, kontrola nad vlastními daty a nad výkonem sítě – to jsou jen některé příležitosti, které se nám jasně otevírají díky privátní síti a byly ještě nedávno pro průmysl nepředstavitelné,“ říká Sander Rotmensen, vedoucí produktového managementu pro průmyslovou bezdrátovou komunikaci společnosti Siemens.

Spolupráce s telekomunikačními společnostmi

Jak ukazuje plán vývoje, ještě před tím, než privátní 5G sítě budou naší denní realitou, v následujících letech musí být dokončeno několik zásadních etap. Například Německo dokončilo první etapu loni v březnu.

„Pokud se podíváme na naše západní sousedy, v Německu je již odsouhlaseno, že vybrané kanály v pásmu 3 700 MHz a 3 800 MHz budou rezervovány pro použití pouze v průmyslu, a to jako kanály privátní. Současně už také běží diskuse o kanálech 24,25 - 27,50,“ vysvětluje Vladimír Ševčík, konzultant portfolia Industrial Networks, Siemens Česká republika a doplňuje, že v Česku se zatím tyto diskuse příliš nevedou. „Pouze se řešil komerční odprodej kanálů mobilním operátorům,“ uvedl Vladimír Ševčík.

V rámci aukce 5G frekvencí provozovatelů mobilních sítí německá federální síťová agentura Bundesnetzagentur (BNetzA) vyhradila část spektra frekvenčního pásma – mezi 3 700 MHz a 3 800 MHz – pro místní sítě v průmyslu, výzkumné instituce a zemědělství.

Úspěšné dokončení první etapy zásadně ovlivnila podpora společnosti Siemens a dalších významných průmyslových společností a asociací. Toto frekvenční pásmo je ideální pro aplikace malého rozsahu.

„Naprosto logicky se nabízí, aby měl průmysl přímý přístup k těmto frekvencím,“ říká Rotmensen. „Požadavky našich závodů známe totiž lépe než kdokoliv jiný. Pro průmysl je zcela zásadní pracovat co nejefektivněji, a to také znamená maximální možnou dostupnost síťové infrastruktury.“

 Úspěšné příklady z praxe

Není žádným překvapením, že německé společnosti jako Audi, Mercedes-Benz, BASF a dokonce i Deutsche Messe AG už nějakou dobu investují do 5G sítí. Základy průmyslových 5G sítí se ale implementují i v jiných oblastech na světě. Například v USA iniciativa Citizen Broadband Radio Service (CBRS) nabízí pro lokální sítě frekvence mezi 3 550 MHz a 3 700 MHz. Nebo britský úřad pro komunikaci Ofcom oznámil v bílé knize zveřejněné v červnu 2019 plán zpřístupnit místním operátorům frekvenční pásma od 3,8 do 4,2 GHz, 1 800 MHz, 2 300 MHz a 26 GHz.

Než průmyslové společnosti budou moci pracovat s těmito frekvencemi, které budou vyhovovat jejich průmyslovým požadavkům, další vývojové kroky jsou zcela zásadní.  K prvnímu kroku už došlo v polovině roku 2020 vydáním „Release 16“ mezinárodním výborem pro mobilní sítě 3rd Generation Partnership Project (3GPP). To umožnilo zahájení vývoje hardwaru – infrastruktury a terminálů – pro lokální výrobní zařízení. A jakmile se také vyjasní poplatky za používání frekvencí – což je důležitým detailem vyžadovaným pro investice do průmyslového 5G – nic už nebude stát v cestě dalším úspěšným projektům.

Další vývoj bezdrátové komunikace

Výhody privátních 5G sítí jsou zásadní. Společnosti mohou sledovat, ukládat, analyzovat, řídit a flexibilně konfigurovat tok svých dat dle vlastního uvážení. To zaručuje rychlost a spolehlivost, kterou jejich logistické a výrobní procesy vyžadují.

„Už teď víme, že 5G sítě jsou ideální pro společnosti, které chtějí sledovat výrobu v reálném čase nebo zpracovávat data z edge aplikací, aniž by museli vše nejdříve posílat do cloudu,“ vysvětluje Rotmensen.

Je pravdou, že bezdrátová komunikace v průmyslu není nic nového. Pomocí systému RUGGEDCOM WIN společnost Siemens už používá soukromé rádiové řešení WiMAX v různých oblastech. Největší důraz je však kladen na oblast smart-grid pro monitorování a řízení energetických sítí. Už také ale existuje několik samostatných privátních LTE sítí v továrnách a přístavech. Společnost Siemens již více než 15 let úspěšně vyrábí průmyslové komponenty SCALANCE IWLAN pro bezdrátovou komunikaci v průmyslu a splňuje všechny nezbytné požadavky až po bezdrátovou bezpečnost. Spolu s průmyslovým 5G se také IWLAN dále vyvíjí, protože soukromé průmyslové frekvence pro 5G nejsou k dispozici všude na světě. Ale žádné z těchto řešení zdaleka nenabízí to, co služby 5G.

Soukromé spektrum a nízké latence zásadní pro celý svět

Na cestě k průmyslovému 5G je důležité, aby bylo soukromé spektrum pro lokální aplikace založeno celosvětově, protože teprve poté mohou být 5G technologie úspěšně používány v průmyslu po celém světě. „Před spuštěním jakékoliv lokální průmyslové sítě, společnost Siemens extenzivně testuje veškerá řešení pro průmyslovou 5G síť,“ doplňuje Rotmensen.

„Pouze pokud budou privátní kanály dostupné a budoucí inkrementy standardu 5G budou kromě vysoké datové rychlosti velkého počtu zařízení, také řešit i tolik potřebné nízké latence, bude 5G opravdovou výhodou pro průmyslové instalace,“ vysvětluje Vladimír Ševčík. „Lze opravdu říct, že pro potřeby průmyslu a zejména pak výrobní automatizaci jsou nízké latence tím zásadním parametrem, který umožní masivní nasazení i v místech, kde kabelové připojení doposud jasně dominuje,“ uzavírá Vladimír Ševčík.     

Reálné předpovědi

Tři otázky na téma příležitosti a limity 5G sítí pro generálního ředitele průmyslové komunikace a identifikace ve společnosti Siemens pana Herberta Wegmanna.

Už nějakou dobu se hovoří o průmyslové 5G sítí. Můžete nám přiblížit její standardy?

Hermann Wegmann: Požadavky průmyslových společností jsou standardizovány v tzv. Release 16 vydané v roce 2020 a jejich převážná část pak v Release 17 (očekávané v roce 2021-2022) mezinárodní organizací pro mobilní rádiové standardy – 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Ještě důležitějším krokem podporující přijetí systému průmyslovými společnostmi bylo rozhodnutí agentury Federal Network Agency povolit společnostem, které chtějí ve svých továrnách využívat 5G technologie, vytváření vlastní lokální 5G sítě. Dnes už víme, že v Německu můžeme použít kmitočtové pásmo 100 MHz mezi 3,7 a 3,8 GHz pro průmyslové aplikace s vysokou kvalitou služeb. Z tohoto máme radost nejen proto, že tyto standardy prosazovala společnost Siemens, ale také proto, že průmyslová 5G síť nám tak poprvé umožní propojení různých částí průmyslu.

Který aspekt 5G je pro vás nejvíce atraktivní?

Wegmann: Jednoznačně čísla – jeden milion připojených jednotek na kilometr čtvereční, rychlost přenosu až 20 gigabitů za sekundu a reakční doba jen několik milisekund. Tato čísla mluví sama za sebe. Ale co mě nejvíce přesvědčuje je to, co nám průmyslové 5G sítě přináší. Dovolí nám vývoj zcela nových a flexibilních konceptů podniků. Společnosti budou moci kdykoliv flexibilně a rychle přizpůsobit své výrobní oblasti dle aktuálních situací, aniž by muselo dojít k zásadním změnám v infrastruktuře podniku. Jakmile si tyto možnosti začneme uvědomovat, nebudeme daleko od dosažení vize kompletně chytré továrny nebo tzv. samoorganizující se továrny.

Kde a jaké jsou limity 5G?

Wegmann: Samozřejmě, že naše realistická očekávání jsou dle vývoje.  Pokud si představíte tři zásadní výhody 5G – vysokorychlostní přenos dat, počet připojených zařízení a kvalita služeb – tak tento trojúhelník, respektive jeho tři strany, nemůžete rozšiřovat donekonečna. Pro průmyslové aplikace to znamená, že pokud budete potřebovat vysokou kvalitu služeb pro dané automatizační systémy, nebudete omezeni rychlostí přenosu dat ani strukturou připojovaných 5G zařízení. Proto je tak důležité pro průmyslové společnosti mít lokální frekvenční pásmo. Je to totiž jediný způsob, jak může každý uživatel optimalizovat bezdrátovou síť pro své aplikace, které jsou podobné Time-Sensitive Networking (TSN) sítím pomocí kabelových připojeních.

^{Společnost Siemens v současné době testuje privátní 5G připojení ve vlastním zkušebním centru automobilového průmyslu (z angl. Automotive Test Center) v soukromé samostatně provozované testovací 5G síti.}