Умные заводы

Ключевые показатели эффективности сетей мобильной связи на заводах с беспроводными подключениями

Умный завод — это критическая среда, которая должна соответствовать жестким требованиям к надежности и сетевому взаимодействию оборудования, а также к безопасности людей и данных, особенно если для обмена данными используются технологии беспроводной связи.

Резервирование является проверенным способом повышения надежности. Каждый пункт на умном заводе должен обслуживаться как минимум четырьмя точками беспроводного доступа. Испытания на месте эксплуатации — это единственный способ для проверки этого доступа не только после завершения монтажа, но и каждый раз после изменения конфигурации машинного оборудования или планировки здания, поскольку структурные изменения могут оказывать влияние на распространение радиоволн.

Надежная повсеместная доступность беспроводной связи является необходимым условием, однако ее недостаточно для обеспечения бесперебойной работы. Также требуются надлежащие рабочие характеристики, которые измеряются не только по максимально возможной пропускной способности каналов передачи данных, но и (что зачастую намного важнее) по времени задержки, т.е. времени прохождения сигнала через систему. Время задержки в предыдущих поколениях мобильной связи, включая 4G, было недостаточно коротким, чтобы удовлетворять требованиям к управлению в режиме реального времени. Стандарт 5G со временем задержки в несколько миллисекунд решает эту проблему.

Задержка выражается в двух формах: в обоих направлениях и в одном направлении (см. рис. 1). В сценариях использования с дополненной или виртуальной реальностью требуется малое время задержки в прямом и обратном направлении, чтобы гарантировать очень быструю передачу изменений в изображении, когда носитель очков дополненной или виртуальной реальности поворачивает голову и живое изображение меняется. В отличие от этого, для управления машинным оборудованием в режиме реального времени требуется малое время задержки в одном направлении. Команды управления (например, команда останова робота) должны приводить к немедленным действиям.

Пять этапов испытаний сетей

При планировании завода как единого комплекса сети беспроводной связи внедряются поэтапно на основе 5-шагового плана испытаний. На рис. 2 изображены первые четыре этапа, предназначенные для проверки сети на соответствие строгим требованиям к надежности и производительности.

Этап 1: подготовка к развертыванию

В Германии и некоторых других странах частоты 5G зарезервированы для кампусных и частных сетей, при этом владельцы заводов могут подать заявку на использование этих частот. Настройка и обслуживание сети могут быть организованы силами собственных специалистов завода, однако обычно к этому привлекаются сторонние поставщики услуг. В странах с выделенными кампусными частотами организация заводской сети включает в себя бронирование ресурсов у крупного оператора сети, который в свою очередь уплотняет свою сеть вокруг завода или устанавливает дополнительные базовые станции на территории завода в целях удовлетворения требований.

Если в сети используются кампусные диапазоны частот, спектр необходимо изначально проверить на наличие помех. Опыт показывает, что это не следует принимать как должное для только что назначенного и неиспользуемого ранее спектра. Сканеры сетей R&S®TSMx6, портативные анализаторы спектра R&S®FPH/R&S®FSH и портативные тестовые приемники R&S®MNT100/R&S®PR200 выполняют все необходимые измерения.

Этап 2: приемочные испытания на месте эксплуатации

Второй этап включает в себя испытания и валидацию новых развернутых базовых станций. Для этого проводятся простые функциональные испытания, такие как испытания восходящих и нисходящих каналов, измерения задержки в обоих направлениях, эфирный анализ ВЧ-спектра и декодирование сигналов в целях проверки данных PCI, SSB и SIB для анкерных сигналов 5G и LTE.

Декодирование сигналов также помогает устранять ошибки в определенных параметрах в случае проблем или неожиданных результатов. Ассортимент продукции Rohde & Schwarz содержит все необходимые инструменты для решения этих задач. Мобильное приложение для смартфона QualiPoc Android помогает оценивать качество работы мобильной сети с точки зрения пользователя с помощью функциональных испытаний (нисходящий канал, восходящий канал, ping/TWAMP). Портативный анализатор спектра R&S®Spectrum Rider FPH идеально подходит для проведения эфирных измерений спектра, тогда как решение для эксплуатационных испытаний R&S®5G обеспечивает подробный ситуационный обзор мобильной сети, который позволяет быстро выявить любые слабые места и проблемные участки.

Этап 3: испытания покрытия и характеристик

А теперь начинаются настоящие испытания. Их цель заключается в том, чтобы гарантировать надлежащие характеристики сети на территории всего завода. С помощью сканеров сетей R&S®TSMx6 выполняются измерения на всей территории завода, чтобы определить принимаемую мощность эталонного сигнала (RSRP) и соотношение сигнала и смеси помехи с шумом (SINR) в каждой точке и таким образом выявить в сети точки доступа с приемлемыми показателями. Как уже было сказано ранее, желательно как минимум 4-кратное резервирование. Приложение QualiPoc Android позволяет испытывать соединения на пригодность к работе в режиме реального времени путем комбинирования профиля эмулируемого трафика, измерений задержки и качества передачи в одном испытании взаимодействия (см. рис. 4 и 5). Программное обеспечение R&S®SmartONE для оптимизации в режиме реального времени обеспечивает мгновенную визуализацию результатов измерений для целенаправленного улучшения проблемных участков.

Этап 4: мониторинг качества обслуживания

Измерения на 4-м этапе необходимы на тех заводах, где сеть беспроводной связи является критически важной инфраструктурой, сбои в работе которой могут привести к существенным потерям прибыли и производительности. Это означает, что руководство завода должно заключить четко сформулированное соглашение об уровне обслуживания (SLA) с местным оператором сети и непрерывно контролировать соблюдение данного соглашения. Настраиваемые ВЧ-датчики размещаются в различных точках завода, автоматически управляемых транспортных средствах (AGV) и автономных мобильных роботах (AMR). Они периодически измеряют качество соединения (включая время задержки) в данной точке и передают результаты измерений в центр мониторинга (SmartMonitor), где эти результаты отображаются на панели в режиме реального времени. Такие инструменты, как SmartAnalytics, позволяют проводить более подробный автономный анализ данных. В этом программном обеспечении применяется машинное обучение в целях выявления тенденций и отклонений, а также для мгновенного отображения нарушений и принятия профилактических мер до фактического наступления неисправности.

Этап 5: проверка требуемой совместимости с внешним миром

После завершения 4-го этапа сеть настроена и готова к работе. Заключительная задача состоит в том, чтобы гарантировать соответствие с условиями лицензии для частных сетей, согласно которым сигналы, выходящие за пределы обозначенной области покрытия, должны оставаться ниже заданных предельных значений. Это позволяет предотвратить взаимные помехи с любыми соседями, работающими в аналогичном или смежном диапазоне частот. Для рекомендуемой нами проверки соответствия руководство завода может использовать решение для измерений методом обхода (например, R&S®Freerider4) или сканер сети, установленный на беспилотном летательном аппарате (рис. 3).

Заключение

В различных отраслях промышленности предстоит трансформация имеющихся производственных объектов в умные заводы. Традиционное производство больше не сможет конкурировать с новым поколением заводов, отличающихся высокой гибкостью и экономичностью. Одним из требований станет подключение всего оборудования к сети беспроводной связи с малым временем задержки (5G). Правильно подобранное контрольно-измерительное оборудование помогает упростить процессы настройки и эксплуатации такой сети. В ассортименте продукции Rohde & Schwarz представлены все необходимые инструменты для операторов сетей и владельцев заводов.