23.02.2024

5G-kampusverkot Esimerkkejä langattoman laajakaistatiedonsiirron teollisista sovelluksista.

Automaattinen kuljetusjärjestelmä tuotantohallissa

Tiivistelmä

Vähäinen viive sekä suuri vakaus ja tiedonsiirtonopeus: nämä ovat joitakin 5G:n tavoitelluista ominaisuuksista. Niin sanotut 5G-kampusverkot lupaavat huomattavaa potentiaalia teollisuuden sovelluksille. Suuret kemianteollisuuden konsernit ja niiden toimipaikat tutkivat näitä ja selvittävät muun muassa, miten 5G:tä voidaan hyödyntää automaattisten kuljetusjärjestelmien toiminnassa sekä säiliövarastoissa ja toimitusketjun hallinnassa.

5G digitaalisen muutoksen moottorina

Katsaus menneisyyteen: harvoin neljä toimialajärjestöä ovat olleet yhtä yksimielisiä kuin 5G:n suhteen. Marraskuussa 2020 antamassaan yhteisessä lehdistötiedotteessa VCI, VDA, VDMA ja ZVEI totesivat, että teollisuuden 5G-kampusverkkojen kysyntä on suuri. Kemianteollisuuden osalta BASF:n Industrial Connectivity & Industrial Mobility -yksikön johtaja Martin Schwibach puhuu 5G-kampusverkoista "tärkeänä edellytyksenä kemianteollisuuden digitaalisen muutoksen edistämiselle". Schwibachia pidetään yhtenä kemianteollisuuden uusien teknologioiden veturina.

Ei ole mikään salaisuus, että BASF, kuten muutkin kemianteollisuuden yritykset, on työskennellyt langattoman 5G-teknologian parissa jo jonkin aikaa. Jo vuonna 2018 Wirtschaftswochen artikkelissa todettiin, että langaton 5G-yhteys voisi "mullistaa BASFin logistiikkamaailman...". BASF:n johtaja Matthias Frankhänel esitteli, miten itseohjautuva säiliöauto "tuntee reittinsä" Ludwigshafenin työmaan läpi. Se seuraa aina maahan upotettuja transpondereita, ja videokamerat ja keskusvalvomon työntekijä valvovat sen kulkua tarkasti. Frankhänel tiesi jo varhain: "Jos käytämme tulevaisuudessa 20:tä tai useampaa ajoneuvoa, pystymme käsittelemään massatiedonsiirtoa vain 5G-tekniikalla." Tämän vuoksi BASF perusti testiympäristön 5G:lle tuotantoympäristön eri sovellusalueille.

Omassa hallinnassa olevat langattomat verkot

Konserni ei ollut tässä asiassa yksin. Toukokuuhun 2021 mennessä 126 yritystä ja organisaatiota on jättänyt Saksan liittovaltion verkkovirastolle hakemuksen 3 700–3 800 MHz:n taajuusalueen jakamisesta paikallista 5G-verkkoa varten – mukaan lukien Phoenix Contact. Tällainen kampusverkko – usein yhdessä edge cloud -arkkitehtuurin kanssa – avaa uusia mahdollisuuksia teollisuuden tiedonsiirrolle Teollisuus 4.0:n yhteydessä. Toisin kuin aiemmat matkapuhelinteknologiat, yritykset voivat täysin hallita tällaisia verkkoja omissa tiloissaan, jolloin ne säilyttävät suvereenin määräysvallan omiin tietoihinsa ja määrittelevät verkon turvallisuuden ja käytettävyyden. Verkkojen asennuksen ja ylläpidon voivat kuitenkin hoitaa myös julkiset operaattorit tai muut palveluntarjoajat, jolloin myös prosessiteollisuuden keskisuuret toimijat voivat käyttää niitä.

Vihivaunut (Automated Guided Vehicles), jotka toimittavat raaka-aineita valtavaan BASFin tehtaaseen, ovat näyttävä, mutta eivät suinkaan ainoa mahdollinen käyttötapaus langattomalle 5G-yhteydelle prosessiteollisuudessa. Koska itseohjautuvat ajoneuvot liikkuvat yleensä ei-räjähdysvaarallisilla alueilla, valvontaan tarvittavien reaaliaikaisten videoiden välittäminen on yksi ensimmäisistä mahdollisista sovelluksista suurilla kemianteollisuuden laitosalueilla. Sovelluksissa, joissa räjähdyssuojauksella on merkitystä, nykyisiä teollisuusviestinnän suojauskonsepteja on kiireellisesti tarkistettava ja mukautettava syttymislähteiden estämistä koskeviin uusiin vaatimuksiin.

Hätäsuihkujärjestelmä tehdasrakennuksessa

Hätäsuihkun valvonta voi lisätä laitoksen henkilökunnan turvallisuutta hälyttämällä välittömästi lähimpään yrityksen lääkintäasemaan

Mahdolliset 5G-sovellukset

On ennakoitavissa, että kemianteollisuudessa tällä hetkellä keskustelun kohteena olevat 5G-sovellukset ovat toteutettavissa noin vuodesta 2025 alkaen. Vihivaunujen käytön lisäksi tähän sisältyy lukuisia sovelluksia tuotannossa, esimerkiksi Teollisuus 4.0:lle tyypillinen massadatan siirto seurantaa ja optimointia varten. Tai turvallisuuskriittiset käyttötapaukset, esimerkiksi hätäsuihkun toiminnasta ilmoittaminen pelastusryhmälle.

Näkymä säiliökentästä, jossa on paljon erikokoisia säiliöitä

Täyttötason valvonnan avulla järjestelmän tärkeiden parametrien, kuten täyttötason, lämpötilan tai paineen, poikkeamat tunnistetaan tietoliikenneverkossa jo varhaisessa vaiheessa

Logistiikassa ja toimitusketjun hallinnassa on monia muita käyttömahdollisuuksia. Esimerkiksi toimitusketjun aukkoja voidaan välttää, jos varastonhallinnan yhteydessä säiliöiden täyttöasteet lähetetään automaattisesti toimittajille ja siellä käynnistetään tilaus tarvittaessa. Periaatteessa tämä voidaan toteuttaa myös muilla viestintätekniikoilla. Jos 5G-kampusverkko on kuitenkin käytettävissä – kuten Phoenix Contactilla – on järkevää käyttää sitä tällaisiin sovelluksiin.

Myös päinvastainen tiedonsiirto on mahdollista: tavarantoimittaja voi vielä ennen toimitusta lähettää laatutietoja kyseisestä tuote-erästä käsittelevälle yritykselle, joka voi käyttää niitä esimerkiksi prosessin optimointiin. Muita vaihtoehtoja ovat tietojen välittäminen tuotantoprosessien jäljitettävyyttä varten, mikä on jo pitkään ollut välttämätöntä lääke- ja elintarviketeollisuudessa. Lisäksi välituotteista tallennetut laatutiedot voidaan lähettää laadunvalvontakeskukseen vaivattomasti langattoman tekniikan avulla.

Henkilö, jolla on AR-lasit, huoltaa tuotantolaitosta

Lisätty todellisuus tukee huoltotyötä

Helpompaa seurantaa drooneilla

Toinen 5G:n käyttökohde voisi olla videosignaalien lähettäminen osana laajojen tai vaikeapääsyisten laitosten – esimerkiksi höyrykrakkereiden, öljynporauslauttojen tai laajojen säiliövarastojen – turvallisuusvalvontaa. Tulevaisuudessa lämpökameroilla varustetut droonit, jollaisia jo nyt käytetään joissakin kemianteollisuuden paloasemissa, voivat lentää itsenäisesti valvottavien tehtaiden ja varastojen yllä ja välittää videotietonsa reaaliaikaista arviointia varten. Syttymisvaarakohdat havaitaan siten jo ennen tulipalon syttymistä.

5G avaa myös huoltotiimeille mahdollisuuksia työn optimointiin. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi lisätyn todellisuuden yhteydessä AR-lasien tai tabletin kautta, jotka molemmat ovat jo pitkään edistettyjä ja osittain toteutettuja Teollisuus 4.0 -sovelluksia. Huoltohenkilöstölle voidaan antaa teknisiä ohjeita tai lyhytvideoita milloin tahansa paikan päällä tehtaan oman 5G-kampusverkon kautta. Vision mukaan jopa koko liikkuvien työntekijöiden ryhmän ja muutaman vihivaunun aiheuttama massatiedonsiirto ei enää johtaisi pullonkauloihin.

Teollisuuden 5G:n eri ominaisuuksia voidaan hyödyntää vaatimusten mukaan

5G tarjoaa arvokkaita palveluja

Kaikkien näiden mahdollisten käyttötapausten kannalta yksi 5G-tekniikan piirre on erityisen tärkeä: toisin kuin muut mobiiliverkon standardit, 5G on täysimittainen viestintäinfrastruktuuri. Se sisältää arvokkaita palveluja – esimerkiksi mahdollisuuden jakaa resursseja ja prioriteetteja osallistujille eri tavoin. Tuotantotoiminnan kriittisten toimintojen valvonta edellyttää varmasti tiedonsiirron suurta luotettavuutta, ja prioriteetti olisi asetettava sen mukaisesti korkeaksi. Toisaalta useiden pumppujen kunnonvalvontaan käytettävät tiedot osana ennakoivaa kunnossapitoa eivät yleensä ole aikakriittisiä. Siksi prioriteetti olisi asetettava alhaiseksi.

Myös vaaditut tiedonsiirtonopeudet ovat melko alhaisia. Turvasuihkua koskeva esimerkki osoittaa, että alhainen tiedonsiirtonopeus ei välttämättä korreloi alhaisen prioriteetin kanssa. Ensiapupiste tarvitsee vain yhden signaalin huomatakseen, että hätäsuihkua on käytetty. Mutta signaalin on saavuttava ensiapupisteelle mahdollisimman nopeasti. Sen sijaan vihivaunujen toiminnan edellyttämillä suurilla tiedonsiirtonopeuksilla on alhaisempi prioriteetti. Jos tiedon valtatiellä tulee ahdasta, tieto voidaan yksinkertaisesti jättää odottamaan lähimpään turvalliseen pysähdyspaikkaan.

Katsaus tulevaisuuteen

Nämä mahdollisuudet 5G-verkon organisointiin niin, että se kattaa teollisuustoiminnan sovellusten monenlaisten tarpeet, erottaa 5G:n selvästi kaikista muista siirtotekniikoista. Siitä voi jonain päivänä tulla ainoa viestintästandardi – ainakin suurilla teollisuusalueilla. Siitä ollaan tosin vielä kaukana. Langattomien ja langallisten yhteystekniikoiden rinnakkaiselo tulee todennäköisesti olemaan ominaista useimmille prosessiteollisuuden yrityksille vielä pitkään. Monet pienemmät kemian alan yritykset tulevat tulevaisuudessa toimimaan täysin ilman 5G:tä. Kuitenkin jo muutaman vuoden kuluttua 5G:n hyödyt näkyvät lukuisissa yrityksissä kuvattujen intralogistiikan käyttötapausten kautta, joihin on integroitu vihivaunuja ja drooneja, sekä kunnonvalvontaan ja kunnossapitoon liittyvien sovellusten kautta.