在紙面上，這聽起來再簡單不過了：智能生產(chǎn)系統(tǒng)中的所有機器都相互協(xié)同工作。傳感器收集用于確定管理機器和監(jiān)控質(zhì)量的最佳方式的數(shù)據(jù)。但是，這些單個傳感器提供的數(shù)據(jù)的最新程度如何？為什么要先收集和分析數(shù)據(jù)，而不是直接處理？事實是，分析中的錯誤可能代價高昂，甚至是危險的。我們能做些什么來解決這個問題？

這個問題已經(jīng)存在了一段時間。早在引入鐵路時，很明顯，未能在網(wǎng)絡中定義足夠準確和統(tǒng)一的時間會導致誤解和錯誤。那時，現(xiàn)在德國所在地區(qū)的許多小州都使用自己的當?shù)貢r間，導致柏林和科隆、德累斯頓和杜塞爾多夫、慕尼黑和斯圖加特之間存在很大的時差。任何乘坐火車旅行的人都必須將手表調(diào)至相應的當?shù)貢r間——即使是在較短的旅程中——否則他們就有可能錯過接駁的火車或預定的會合地點。

設置網(wǎng)絡時間現(xiàn)在與 19 世紀一樣重要。然而，今天，根據(jù)應用領域的不同，誤差范圍要小得多。德國鐵路公司 Deutsche Bahn 仍然認為如果火車晚點 6 分鐘到達，則該火車準點；相比之下，IT 和電信網(wǎng)絡可接受的延遲幅度最多為幾毫秒。5G 是第五代移動網(wǎng)絡，通常被視為自動駕駛汽車的先決條件，它提供的數(shù)據(jù)傳輸時間（稱為延遲）不到 10 毫秒。這種低延遲應該使計算機驅(qū)動的車輛能夠快速做出反應并最大程度地防止事故發(fā)生。生產(chǎn)網(wǎng)絡提出了類似的挑戰(zhàn)。智能工廠系統(tǒng)，

網(wǎng)絡技術，從以太網(wǎng)到 5G 校園網(wǎng)

跨生產(chǎn)網(wǎng)絡同步數(shù)據(jù)傳輸說起來容易做起來難。不同制造商生產(chǎn)的各種機器中的傳感器和執(zhí)行器可以配備不同的網(wǎng)絡技術。其中包括以太網(wǎng)、WLAN、用于創(chuàng)建本地校園網(wǎng)絡解決方案的專用移動網(wǎng)絡，甚至是公共移動網(wǎng)絡——有一系列不同的解決方案旨在將機器連接到網(wǎng)絡。

5G校園網(wǎng)絡在生產(chǎn)中變得越來越重要。5G 是第一個能夠保證相同質(zhì)量水平的無線技術，無論使用何種網(wǎng)絡技術，它都是動態(tài)的——即使在旅途中也是如此。這使得在生產(chǎn)網(wǎng)絡中連接大部分技術成為可能，而無需任何昂貴且不靈活的有線連接。“一旦校園網(wǎng)絡就位，很快就會發(fā)現(xiàn)其他潛在應用，”西班牙電信德國公司校園網(wǎng)絡業(yè)務負責人 Frank Schmidt-Küntzel 證實。“例如，一旦有了校園網(wǎng)絡，就可以快速輕松地添加傳感器或高清攝像頭進行診斷和維護。在物流方面，更多的是關于下一代自主移動機器人 （AMR），

然而，就目前情況而言，至少在可預見的未來，大多數(shù)工廠將使用不同網(wǎng)絡技術的組合。這為同步網(wǎng)絡生產(chǎn)系統(tǒng)中收集的數(shù)據(jù)帶來了額外的復雜性：除了特定延遲的問題，或特定網(wǎng)絡技術在系統(tǒng)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)所需的時間長度之外，還有不同設備不同步的問題。

弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術研究所 （IPT）的科學家和技術人員正在集中精力應對智能工廠固有的挑戰(zhàn)，包括同步。它是備受推崇的歐洲 5G 工業(yè)園區(qū)的所在地研究和探索 5G 作為工業(yè)生產(chǎn)移動無線電標準的潛在應用。“從本質(zhì)上講，5G 提供了低延遲，因此非常適合在生產(chǎn)中使用，”Fraunhofer IPT 生產(chǎn)計量部門負責人 Niels K?nig 說。“例如，如果銑床中的刀具斷裂，您必須能夠立即做出反應。5G 促進了如此快速的反應。” 除了使用合適的網(wǎng)絡技術外，邊緣計算是另一個能夠?qū)崿F(xiàn)快速反應的發(fā)展。邊緣計算無需將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鬟M行分析，然后將控制命令發(fā)送到機器——這個過程不可避免地需要時間——邊緣計算允許收集、分析數(shù)據(jù)，并用于直接在現(xiàn)場管理機器。

同步至關重要

雖然這使得快速反應成為可能，但它并不能解決在同一系統(tǒng)中使用多種網(wǎng)絡技術的情況下必須確保統(tǒng)一網(wǎng)絡同步的問題。“例如，如果我們想要創(chuàng)建工廠的數(shù)字雙胞胎，我們必須完美地同步來自傳感器或機床等不同來源的數(shù)據(jù)，無論用于傳輸這些數(shù)據(jù)的技術如何，”K?nig 解釋說。“因此，必須為每條數(shù)據(jù)提供一個時間戳，該時間戳指的是所有數(shù)據(jù)源中完全相同的時間。” 那么我們?nèi)绾尾拍軐崿F(xiàn)真正的時間同步呢？答案是開發(fā)一個公共網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡單獨負責設置系統(tǒng)中所有端點的時間。

瑞士公司u-blox已將一項技術集成到其蜂窩連接模塊SARA-R5這使得使用移動網(wǎng)絡來管理這種同步成為可能。u-blox 應用營銷高級負責人 Ludger Boeggering 解釋說：“LTE 或 5G 網(wǎng)絡必須完美同步，才能正常運行并將連接從一個基站轉(zhuǎn)移到另一個基站。” “我們開發(fā)了自己的芯片組，使我們能夠在各個級別完全訪問系統(tǒng)，這使我們能夠按時提供非常精確的數(shù)據(jù)。這意味著所有配備我們的芯片并連接到特定移動網(wǎng)絡的設備都可以相互完美同步。” 該解決方案的不同之處在于，它可用于在本地級別（即短距離或長距離）同步連接到特定移動網(wǎng)絡的設備。

高精準度

“連接機器、我們的移動通信模塊和 Telefónica 的移動通信網(wǎng)絡的系統(tǒng)不僅可以在可管理的園區(qū)環(huán)境中工作，而且還可以用于同步能源生產(chǎn)者和消費者，例如，”Boeggering 補充道。高精度同步還有助于檢測管道系統(tǒng)中的泄漏。例如，可以使用高靈敏度麥克風來聆聽可能在一公里外鋪設的地下管道中滴水的聲音。麥克風越同步，就越容易準確定位泄漏源。“這里的每一厘米都有所不同——你不想為了修補一個小洞而撕毀十米的道路，”Boeggering 解釋道。與 Telefónica 網(wǎng)絡結(jié)合使用，

Niels K?nig 同樣深信不疑：“在我們參與歐盟 5G-SMART 項目的工作期間，該項目涉及與多個合作伙伴一起為工業(yè)應用開發(fā) 5G 解決方案，我們面臨著如何合并來自用于流程的 5G 傳感器的數(shù)據(jù)的問題。使用以太網(wǎng)電纜從銑床本身收集的位置數(shù)據(jù)進行銑削期間的監(jiān)控。顯而易見的解決方案是將 u-blox 技術集成到傳感器中，同時為機器開發(fā)一個緊湊的獨立系統(tǒng)。這最初是打算作為一種解決方法，但我們很快意識到，如果基于 GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的同步不可用，例如在建筑物中，或者如果使用起來過于費力，則使用此解決方案非常有意義時間敏感網(wǎng)絡（TSN）。該解決方案適用于所有 LTE-M 覆蓋范圍。我們的高精度時間戳使系統(tǒng)能夠與準實時應用程序一起使用，即使在延遲較高的情況下，例如依賴公共 4G 或 5G 網(wǎng)絡時也是如此。這大大增加了將公共網(wǎng)絡用于工業(yè)應用的價值。” 他繼續(xù)說：“我們很高興收到詢問，并期待發(fā)現(xiàn)哪些其他應用程序仍然可以從同步中受益。”

關于作者

弗蘭克· 施密特-昆策爾：Telefónica Deutschland 園區(qū)網(wǎng)絡企業(yè)主管

尼爾斯 ·柯尼希：Fraunhofer IPT 生產(chǎn)計量部門主管

審核編輯：郭婷