IIoT 5G 5G NR 智慧製造 工業物聯網 工業自動化

布建彈性/傳輸穩定度兼備 IIoT結合5G實現智慧製造

除了物聯網與人工智慧等技術,5G通訊因為具備高可靠度與低時延遲的特性,更成了製造業進行數位轉型的關鍵一環,同時也是製造產業最受注目的議題之一,盼能透過工業物聯網與5G技術的合流,加速實現智慧製造願景。

在工業4.0風潮的帶動下,各國陸續響應推出智慧製造所需之相關發展策略,如:5G通訊、物聯網、大數據、人工智慧技術等,已成了製造業進行數位轉型的必然之路,也是全球製造業智慧化最受注目的議題之一。根據資策會產業情報研究所(MIC)於2019年5月發表之產業焦點評論中提到,預估2023年全球5G智慧製造下的應用服務市場初步可達到2.52億美元;但隨著5G通訊技術的成熟,可動需求與供給的上揚,預期在2026年全球5G智慧製造下的應用服務市場可達約400億美元(圖1)。

圖1 5G全球智慧製造應用市場規模。
資料來源:MIC(05/2019)

而隨著全球廠商布局5G市場,國家通訊傳播委員會(NCC)於先前發表將於2019年12月釋出3.5GHz與28GHz等頻段的使用執照,以跟隨國際腳步儘速進行5G網路部署,台灣也將順勢開啟5G商用元年;同時也在5G電信業者與設備業者的推波助瀾之下,5G智慧製造被認為將在下世代通訊中大放異彩。

工業物聯網的5G通訊需求

隨著現代工廠各式自動化生產、檢測、搬運設備推陳出新,工廠數位化所需之網通系統需求隨之提高。目前工廠的通訊主要是工業級Ethernet有線網路(如Sercos、PROFINET、EtherCAT)或Fieldbuses(如PROFIBUS、MODBUS、CC-Link、CAN等)。有線傳輸固然具備穩定、快速的優勢,但無法支援移動機具,布線與維護成本高、機動性差,只適用於工廠之固定流程。無線通訊有機會解決這些問題,目前工廠採用之無線通訊以Wi-Fi為主,但因其傳輸品質不夠好、不夠穩定、傳輸距離短,所以通常只用於少數應用場景。隨著工業4.0發展,少量多樣成為未來生產模式,工廠生產線的機動性、彈性變得重要,各式移動機具如移動機器人、無人搬運車(AGV)、人機協作都變得更重要,所以更進步的工業無線通訊需求非常殷切。

而進一步來看,IIoT「智慧製造」的核心主要在於連結與優化,前者連接生產過程感知層的人、事、物等資料(Data),後者則是藉採集的所有資料,透過分析轉為資訊,提供相關單位進行不同決策,包含製造現場的作業管理、業務規畫與運籌以及整體企業日常應用之管理等。綜合上所述,工業物聯網在5G通訊的需求可歸納為:低延遲無線通訊技術、可靠的感測器資料回傳技術及穩固的資料安全性。

未來工廠要變得更有效率、更彈性,提昇自動化與智慧化,降低營運成本,以便在變化快速的市場保持競爭力。這有賴於生產線或生產流程趨向模組化發展,採用更多網通與資訊系統,進行及時無縫的工廠設備、流程、工件、成品、環境等資料收集、分析、監視、管理、控制。例如產線設備監控需要資料蒐集和分析技術,機器手臂與無人搬運車的控制需要低延遲與高可靠的無線通訊技術。未來工廠導入ICT技術的應用領域包含工廠自動化、處理自動化、人機介面與標準IT設備、物流與倉儲、監控與維護:

・工廠自動化

工廠生產、運作流程的自動控制、監控與優化,如機器人應用、回授控制應用、電腦整合製造等。工廠自動化是提升工廠效率、降低成本最關鍵一環,往往需要高可靠低延遲的網通系統來支援。

・處理自動化

工廠的原料、半成品、化學品等的處理與製造自動化。處理自動化可改善工廠的生產效率、能源效率、提高安全。感測器常常用來偵測機器設備的油、水是否充足,壓力是否適當等。

・人機介面與標準IT設備

工廠操作人員與機器的互動介面,最常見的是各式機器的控制面板(Panel)。另外操作人員使用PC、手機、AR/VR裝置、ERP/MES資訊設備等。

・物流與倉儲

工廠對各種原料、貨物、產品在各個生產過程階段的運送、存放或取出的作業。

・監控與維護

對工廠特定作業程序或設備的監視,但不進行立即的回授控制。如對機器設備狀態監視,作為預測性維護(Predictive Maintenance),或是對某一個製造流程採集中長期大數據,作為相關流程參數優化的作業。

工廠的各式使用案例皆可歸類於上述的應用領域,例如機器手臂或馬達的動作控制,就是一項工廠自動化的應用案例。表1是工廠常見的使用案例,與其應用領域的對照。

表1 工廠使用案例與應用領域對應
資料來源:3GPP TS 22.804

有動作控制(Motion Control)、控制次系統間協調(Control-to-Control)、移動性控制面板(Mobile Control Panel with Safety)、移動機器人(Mobile Robot)、巨量無線感測網路(Massive Wireless Sensor Network)、遠端存取與維護(Remote Access & Maintenance)、擴充實境(Augmented Reality)、閉鎖式迴路程序控制 (Close-loop Process Control)、程序監控(Process Monitoring)、工廠資產管理(Plant Asset Management)等。

這些使用案例都需要使用到完善的工廠網通與資訊系統,尤其許多案例的主角是移動機具或操作人員,必需使用高品質無線通訊才能完整提供,這是5G通訊運用在未來工廠的很大機會。

換言之,5G主打的增強型行動寬頻通訊(enhanced Mobile Broad Band, eMBB)、大規模機間通訊(massive Machine Type Communication, mMTC)、以及超高可靠度與低延遲通訊(Ultra Reliable Low Latency Communication, URLLC)能力,可支援各式各樣從人類到機器到感測器的通訊需求(圖2);行動通訊標準制定機構3GPP也在2017年12月推出5G NSA(Non-stand-alone)的版本,並於2018年6月完成5G SA(Stand-alone)標準。5G行動通訊標準剛好在工廠智慧製造轉型時機頒布,盼能成為未來工廠自動化及智慧化的關鍵推手。

圖2 5G三大特性運用於智慧製造之情境
資料來源:5G ACIA,MIC整理(05/2019)

工業物聯網標準演進

國際電信聯盟(ITU)規畫於2020年公布第五世代(5G)全球無線行動寬頻通信規範IMT-2020相關文件。有鑑於此,3GPP在4G標準完成後,即開始啟動5G行動通訊標準制定的一連串工作。3GPP的服務需求工作組(SA1-Service)早在2014年11月就提出5G的需求規範,歷經3年的努力,已於2017年底完成3GPP第十五版(R15)5G NSA系統規範,也就是5G新型無線電(New Radio, NR)基站利用既有的4G LTE網路進行整合組網,而在2018年6月完成5G SA規範,該規範包含新型5G核心網,5G NR基站可以與5G核心網獨立組網,因此R15可視為5G標準規範的首版。

針對URLLC的應用,3GPPR15制定了URLLC技術以達到10-5區塊錯誤率以及1ms的時間延遲,應用主要為擴增實境/虛擬實境(AR/VR)。為了支援更多的URLLC應用,3GPP成立第16版(R16)eURLLC工作項目,目標支援三大應用情境,即工廠自動化(Factory Automation)、運輸工業(Transport Industry)以及電力分配(Electrical Power Distribution)。這些應用需要達到的可靠性以及時間延遲要求較R15更為嚴苛,可靠度的要求可高達10-6區塊錯誤率,時間延遲的要求可高達0.5ms(圖3)。

圖3 工業物聯網標準演進

針對工業物聯網的應用,3GPP亦於R16成立工作項目(WI)新無線電工業物聯網(NR-IIoT)進行標準的制定,相關議題包括時效性網路(Time-Sensitive Networking, TSN)、同用戶設備的優先權與多工(Intra-UE Prioritization and Multiplexing)以及資料複製與多聯結(Data Duplication and Multi-connectivity)等。現今的工廠大多以乙太網作為設備之間的通訊手段,當電信技術演進至5G URLLC已足以提供低延遲與高可靠的無線傳輸環境,因此TSN方面專注於探討5G系統如何提供低於一毫秒的端對端傳輸延遲、同步誤差小於一微秒、以及低於10-6區塊錯誤率的無線傳輸環境給各種工業物聯網應用,以解決工廠中布線的問題。為了達成上述的需求,TSN探討多種技術包括:如何提供更精確的參考時間,針對TSN傳輸的模式提供適合的排程技術,以及加密乙太網封包的標頭以提升無線資源效率等技術(表2)。

表2 3GPP R16規畫IIoT應用情境與設計目標

為了能夠更即時的傳送TSN封包,可能會占用已排程的資源,當TSN封包與一般資料封包衝突時,如何挑選適當的封包傳送,是Intra-UE Prioritization and Multiplexing探討的議題。NR-IIoT甚至考慮藉由底層直接處理不同優先權的封包,以加速處理TSN等高優先權的封包。

為了滿足低於10-6區塊錯誤率的高可靠度需求,相較於4G的雙連結技術,NR-IIoT更支援高達四份複本的傳輸方式,利用既有的雙連結與載波聚合架構,提供十分之一於URLLC的傳輸錯誤率。除了上述無線接取網路的設計外,5G系統也制定上層的多路徑傳輸模式,進一步提升高可靠度的傳輸效率。

為了達到更嚴苛的要求,無線存取網路第1工作組(Radio Access Network Working Group #1, RAN1)針對以下幾點進行討論,訂定提升的方法,包含實體下行控制通道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH)、上行控制訊息(Uplink Control Information, UCI)、實體上行共用通道(Physical Uplink Shared Channel, PUSCH)、排程/混合型自動重傳請求(Scheduling/HARQ)、用戶設備間的優先權與多工(Inter-UE TX Prioritization/Multiplexing)以及上行配置授權(UL Configured Grant)等方面的提升方法。

PDCCH的提升主要在於制定排程URLLC資料使用的下行控制訊息(Downlink Control Information, DCI),以及規範用戶設備在一時槽(Slot)中的各個PDCCH延展(Span)可支援的通道估測與盲解碼數目。UCI提升主要是制定基於子時槽(Sub-slot)作HARQ回饋的方法,使得基地台可更快地得到URLLC資料對應的HARQ回饋。PUSCH的提升著重於制定可使上行資料不受時槽邊界的限制,更即時地被傳送的方法。Scheduling/HARQ方面,討論的重點在於基地台在時間延遲的限制下,需要使用不依順序(Out-of-order)的排程,在此情況下基地台的排程限制以及用戶設備的處理方法。

Inter-UE TX Prioritization/Multiplexing的提升方面,將制定上行搶占(Preemption)的方法以及功率控制的方法。最後,上行配置授權的提升方面,主要制定了多個配置授權的配置來支援兩種應用情境。第一種是使多種服務類型資料可使用不同的配置作傳送,第二種是依低延遲需求的服務類型資料可使用起始時間最適當的配置授權配置作傳送以滿足時間延遲需求以及可靠度需求。

工廠設備全面聯網 5G扮關鍵推手

其中RAN2 R16 NR-IIoT工作項目已正式於2019年4月會議中展開,並預計於2020年第一季完成R16 NR-IIoT的制定。包括TSN、UE中eMBB與URLLC的傳輸優先權以及資料複製與多聯結等,都是NR-IIoT重點討論的項目,也是進一步降低傳輸延遲並提高傳輸可靠度的重要技術。

工業物聯網的應用多元且富潛力,可預期未來的工廠中,所有的人員與設備(如機械手臂、AGV、AMR等生產與協作設備)皆具有聯網的能力,尤其對移動機具等需要高可靠低延遲的無線通訊,5G行動通訊將是實現工廠自動化願景的技術之一。

5G為具備超低延遲、超可靠之物聯網通訊,是實現工廠自動化願景的核心技術;R16 5G通訊標準規範目前正由3GPP制定中,並著重在支援URLLC及eMBB兩項主流5G應用情境。為了確實實現5G在傳輸速率、傳遞穩定度、封包延遲等面向的高規格需求,NR在通道編碼、支援頻寬、子載波間距設定、同步與參考訊號設計等實體層特徵上皆有重大的變革,並支援更彈性的上下行雙工控制。以上的各種改進,皆預期可對資料傳遞的延遲以及正確性帶來相當的提升。

預估在2020年5G通訊商用後,即會加速進入未來工業物聯網的市場。導入5G無線通訊技術,工廠內部空間的規畫更具彈性,移動或重新配置廠內的設備比以前更容易;而整合5G通訊技術的工業物聯網讓產線設備具有即時的通訊能力、高可靠的資料交換與共享及高度智慧處理資料的能力,製造商未來可以蒐集、整合從設計到服務流程的各種數據,制定分析策略支援即時決策,達到Time to Market的目標。長期布局來看,工業物聯網整合具備5G等通訊技術之IoT平台,透過異業合作方式鏈結外部資源來擴大服務範疇,以此滿足各行業別對於物聯網之需求。

(本文作者李穎芳、林奕廷、李永台任職於資策會;薛志明任職於華電聯網)

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