5G phục vụ công nghiệp 4.0 và tự động hóa

Đó là khả năng của 5G phục vụ trao đổi thông tin tương tác tốc độ cao giữa máy với máy trong hệ sinh thái Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) với độ tin cậy vượt trội, độ trễ rất thấp và quy mô kết nối cũng như mật độ mạng IoT lớn. Đây chính là giá trị mà 5G có thể đóng góp hiệu quả để hiện thực hóa xu hướng nhà máy thông minh của Công nghiệp 4.0.

Bài viết tập trung vào phân tích tiềm năng của 5G phục vụ các ngành sản xuất công nghiệp qua các trường hợp sử dụng (use case) nổi bật. Bên cạnh đó, một số thách thức chưa được giải quyết trọn vẹn liên quan đến việc áp dụng 5G trong các lĩnh vực công nghiệp và tự động hóa được đề cập thảo luận.

5G

Trên thực tế, mục tiêu phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) không chỉ là nâng cao năng lực băng thông rộng của các mạng di động, mà còn là cung cấp kết nối không dây chất lượng cao phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp.

5G hỗ trợ ba loại hình dịch vụ cơ bản của tương tác trao đổi thông tin: kết nối băng thông rộng di động (eMBB: enhanced Mobile Broadband), kết nối máy-máy diện rộng (mMTC: massive machine-type communications), và kết nối có độ trễ thấp và ổn định siêu cao (URLLC: Ultra-reliable, low-latency communications). Ba loại hình dịch vụ này được cung cấp đồng thời trên cùng một cơ sở hạ tầng mạng di động dựa vào công nghệ cắt lát mạng (network slicing), một khái niệm mới được đưa vào trong công nghệ 5G. Các tiêu chuẩn chính về hiệu năng của ba loại hình dịch vụ 5G theo quy chuẩn của 3GPP được tóm tắt trong Bảng 1.

Bên cạnh eMBB là loại hình dịch vụ di động tốc độ cao (tối đa 20Gb/s ở đường xuống và 10Gb/s ở đường lên [2]) được cộng đồng thuê bao di động quan tâm nhiều nhất, mMTC và URLLC là hai loại hình dịch vụ khác biệt của 5G hướng tới các đối tượng và trường hợp sử dụng công nghiệp.

Với mMTC, 5G sẽ cung cấp mật độ kết nối lên đến 1.000.000 thiết bị trên mỗi km², tuổi thọ pin cho thiết bị đầu cuối có thể vượt quá 10 năm [2]. Độ phức tạp và giá thành của thiết bị đầu cuối sẽ giữ ở mức thấp (dưới một vài đô la) nhờ vào giới hạn băng thông kênh truyền mà thiết bị có thể sử dụng (đến 1 MHz hoặc thấp hơn), giới hạn tốc độ tối đa (đến vài trăm kbits/s) và giới hạn công suất đầu ra (20 dBm). Tuổi thọ pin dài (5 - 10 năm) đạt được với sự cho phép chế độ nhận dữ liệu không liên tục để có thể kéo dài trạng thái ngủ của thiết bị đầu cuối.

Đối với URLLC, bản phát hành đầu tiên của 5G (Phiên bản 15) đã quy định khả năng đạt được độ trễ1ms với độ tin cậy 99,999% trên kênh vô tuyến 5G. Điều này cho phép sự truyền tải các gói dữ liệu nhỏ (với kích thước chỉ vài byte) qua kênh không dây trong một giới hạn thời gian xác định với độ tin cậy rất cao, đáp ứng được yêu cầu cho các ứng dụng điều khiển chính xác.

Công nghiệp 4.0 - Nhà máy thông minh - 5G

Giai đoạn thứ tư của Cách mạng công nghiệp, còn được gọi là Công nghiệp 4.0, là xu hướng phát triển tiếp theo của các ngành công nghiệp, trong đó tự động hóa được nâng lên tầm cao mới. Tâm điểm của Công nghiệp 4.0 là mô hình nhà máy thông minh, hướng tới tính linh hoạt, hiệu quả, tăng năng suất bằng việc tích hợp Internet vạn vật (IoT) và các dịch vụ liên quan trong sản xuất công nghiệp, tạo ra sự tích hợp thông suốt, sâu rộng giữa các cấu phần trong dây chuyền, quy trình sản xuất với các cơ chế tự động hóa chính xác cao.

Như hiển thị trong Hình 1, kiến trúc tổng quan của nhà máy thông minh được xây dựng từ các thành phần (domain) cơ bản: mạng truy cập (Access), mạng truyền tải (Transport), khối chức năng quản trị (Management), điện toán đám mây (Cloud) và tập các ứng dụng (Applications), bao gồm các chức năng mạng và các ứng dụng của bên thứ ba.

Dây chuyền sản xuất của nhà máy (ví dụ Factory A) kết nối và truyền tải thông tin vận hành thu thập được nhờ các cảm biến (sensors) về trung tâm điều khiển qua mạng truy cập (Access domain), mạng truyển tải (Transport domain). Mạng truyền tải cho phép kết nối giữa các khu vực mạng, các thiết bị cách xa nhau. Mỗi khu vực mạng hoặc mỗi nhà máy kết nối đến mạng truyền tải qua nút mạng truy cập biên. Bên trong mạng truyền tải là các nút mạng xương sống kết nối với nhau, chuyển dữ liệu từ các nút truy cập biên đến các trung tâm dữ liệu (Datacenter – hosting cloud), nơi hầu hết dữ liệu được lưu trữ và các chức năng quản lý được thực thi. Từ trung tâm, các tác vụ điều khiển và tự động hóa được chuyển ngược lại đến các cơ cấu chấp hành tại hiện trường sản xuất của nhà máy.

Từ góc độ vận hành và tự động hóa, khối chức năng quản trị (Management domain) và tập ứng dụng (Application domain) hoạt đông toàn bộ hoặc một phần trong môi trường điện toán đám mây. Các thực thể quản trị sẽ quản lý và tự động hóa các quy trình mạng, điều phối các nhân tố bao gồm các ứng dụng, điện toán đám mây, tài nguyên mạng truyền tải và tài nguyên mạng truy cập. Tập ứng dụng, bao gồm nhiều ứng dụng vận hành/điều khiển, chạy trong môi trường điện toán đám mây hoặc tại các nút truy cập. Nói cách khác, các ứng dụng vận hành/điều khiển có thể hoạt động theo cơ chế tập trung hoặc phân tán, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể.

Trong kiến trúc nhà máy thông minh, nền tảng kết nối trao đổi thông tin nhanh, hiệu quả và tin cậy nổi lên thành một thành phần không thể thiếu. Để các cơ chế điều khiển tự động hóa hoạt động chính xác, trơn tru, cần đảm bảo kết nối thông suốt, tốc độ và độ tin cậy cao giữa các thực thể (cảm biến, tập ứng dụng phân tích kết quả, ứng dụng điểu khiển đến các thiết bị chấp hành). Tất nhiên, một giải pháp hiện hữu và truyền thống là thiết lập kết nối có dây (cáp đồng, cáp quang) giữa các thực thể và sử dụng các giao thức công nghiệp (Modbus, ProfiBus, HART, Ethernet) để nhận thông tin từ cảm biến cũng như điều khiển các tác vụ tự động hóa qua thiết bị PLC (Programmable Logic Controler). Tuy nhiên trong môi trường công nghiệp, việc đi dây không phải lúc nào cũng khả thi, chưa kể đến tốc độ truyền tải thông tin theo các chuẩn công nghiệp còn hạn chế, sẽ chưa đáp ứng các trường hợp sử dụng yêu cầu tốc độ cao, độ nhanh nhạy. Vìvậy, trong các nhà máy thông minh, bên cạnh giải pháp truyền thống, 5G với các loại hình dịch vụ của mình, nổi lên trở thành giải pháp kết nối tiềm năng, mang lại hiệu quả cao. Như hiển thị trong Hình 1, các cảm biến (Sensor) hay thiết bị đầu cuối có tích hợp công nghệ thu phát 5G, trạm thu phát 5G Access là những nhân tố 5G trong mô hình nhà máy thông minh.

Để minh họa cho yêu cầu về tham số hiệu năng chi tiết cho kết nối công nghiệp trong một số lĩnh vực triển khai tự động hóa điển hình, các số liệu được tổng hợp trong Bảng 2 cho điều khiển chuyển động (ví dụ các loại máy đóng bao tự động, các thao tác lắp ráp linh kiện…), robot di động (điều khiển từ xa các cử động của robot với tính chính xác cao), tự động hóa quy trình dây chuyền sản xuất. Có thể thấy các lĩnh vực đều có các yêu cầu khắt khe về hiệu năng, đặc biệt là về tính khả dụng (hầu hết lên đến 99.9999%). Tính khả dụng ở đây liên quan đến chất lượng kết nối trao đổi thông tin. Một hệ thống chỉ được coi là khả dụng nếu đáp ứng tất cả các tham số hiệu năng theo yêu cầu, chẳng hạn như độ trễ, tốc độ dữ liệu… Do đó, tính khả dụng thường được định lượng bằng tỷlệ phần trăm thời gian mà hệ thống hoạt động chính xác đáp ứng yêu cầu. Bên cạnh đó, thời gian chu kỳ, một tham số chỉ đến khoảng thời gian để hoàn tất tác nghiệp điều khiển, cũng ở mức rất ngắn ms (xem thêm 3GPP TR 22.804 [4] để có thêm các thông tin chi tiết).

Trong khung kiến trúc nhà máy thông minh và yêu cầu hiệu năng khắt khe cho tự động hóa như trình bày ở trên, sự tương tác trao đổi thông tin qua nền tảng kết nối không dây như 5G sẽ trở thành một phương tiện tối quan trọng để đạt được sự linh hoạt cần thiết trong vận hành sản xuất.

Với 3 loại hình dịch vụ của mình, 5G là công nghệ kết nối không dây đầy tiềm năng cho nhiều trường hợp sử dụng (TrHSD) đa dạng trong các lĩnh vực ngành dọc công nghiệp khác nhau, như lắp ráp máy móc, sản xuất vật liệu, công nghệ thực phẩm, công nghiệp điện/năng lượng, và sản xuất chế tạo. Theo dự báo quy mô thị trường, doanh thu số hóa từ 5G cho các nhà cung cấp ICT sẽ có mức tăng trưởng rất nhanh, ước tính đến năm 2026 sẽ vượt quá 1.200 tỷUSD, trong đó khoảng 234 tỷUSD được mang lại từ các ngành công nghiệp sản xuất chế tạo [5]. 5G với những tính năng công nghệ mới nổi trội được kỳ vọng sẽ mang lại những bước tiến mang tính đột phá, kiến tạo nên các nhà máy thông minh của tương lai.

Một số TrHSD của 5G trong các nhà máy thông minh tương lai đã được 3GPP xác định và phân tích, tổng hợp trong báo cáo kỹ thuật TR 22.804 [4] (xem Hình 2). Các TrHSD được sắp xếp theo các yêu cầu hiệu năng đặc thù và được gán vào loại hình dịch vụ 5G phù hợp eMBB, mMTC hoặc URLLC.

Có thể thấy, các TrHSD như điều khiển chuyển động (Motion control) hoặc robot di động (Mobile robots) có các yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ tin cậy và độ trễ để đảm bảo độ mịn và chính xác trong chuyển động, do đó cần được phục vụ bởi URLLC. Trong trường hợp mạng cảm biến không dây (Massive wireless sensor networks), phục vụ các giải pháp IoT thu thập dữ liệu từ các cảm biến (ví dụ: các thông số môi trường, giám sát vị trí thực thể) với tần suất gửi dữ liệu không quá dày (10 phút, 20 phút một lần hoặc lâu hơn) sẽ chỉ cần sử dụng dịch vụ mMTC. 

Các TrHSD đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao đến rất cao cần được cung cấp bởi eMBB, chẳng hạn như công nghệ thực tế tăng cường (AR: Augmented Reality) tải các luồng video có độ phân giải cao từ/đến các thiết bị AR. TrHSD tự động hóa quá trình (process automation) tập trung vào giám sát và kiểm soát các quá trình vận hành, sản xuất trong nhà máy, bao gồm các loại cảm biến khác nhau (ví dụ để đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v.v.) và các thiết bị chấp hành (ví dụ van hoặc lò hơi). Đây là TrHSD nằm ở giữa hai thái cực dich vụ URLLC và mMTC. Việc lựa chọn loại hình dịch vụ nào sẽ phụ thuộc vào các yêu cầu của trường hợp cụ thể.

5G trong công nghiệp 4.0: những thách thức chính

Bên cạnh những đóng góp đầy hứa hẹn mà 5G có thể mang lại trong mô hình nhà máy thông minh, một số thách thức cũng cần phải được giải quyết để phát huy hết tiềm năng của 5G trong các TrHSD công nghiệp 4.0.

Thiết lập tiếng nói chung trong hệsinh thái 5G - công nghiệp sản xuất chế tạo: Nhờ vào sự xuất hiện và áp dụng 5G, hệ sinh thái của các ngành công nghiệp sản xuất chế tạo sẽ được mở rộng từ mô hình truyền thống (bao gồm các thực thể như nhà cung cấp linh kiện, nhà chế tạo máy móc, nhà tích hợp hệ thống, tổ chức cung cấp chứng chỉ, v.v.) tiến tới bao phủ toàn bộ lĩnh vực ICT, bao gồm thêm cả các nhà cung cấp và nhà khai thác viễn thông, ngành công nghiệp điện tử (nhà cung cấp chip) và CNTT/Điện toán đám mây.

Thành công chung của 5G trong công nghiệp sản xuất chế tạo phụ thuộc rất lớn vào sự hợp tác chặt chẽ giữa những bên tham gia trong hệ sinh thái mở rộng đó. Thực tế là mỗi ngành công nghiệp đã phát triển và đang sử dụng những thuật ngữ và kiến trúc nền tảng kỹ thuật riêng. Để tất cả các ngành công nghiệp trong hệ sinh thái phối hợp với nhau nhịp nhàng và hiệu quả, một trong những thách thức lớn là phải tạo ra được nền tảng tri thức chung để các bên cùng phối hợp phát triển trên nền tảng đó. 

Trong quá trình từ ý tưởng đến thực tế, từ phòng nghiên cứu đến thương mại hóa, các tính năng công nghệ 5G chuyên dụng cho các TrHSD công nghiệp cũng cần được kiểm thử và xác nhận qua các hoạt động thử nghiệm. Do đó, các bên tham gia trong hệ sinh thái cần có sự phối hợp chặt chẽ, hướng tới một nền tảng tri thức chung, lưu trữ và chia sẻ các kết quả thu được từ các môi trường thử nghiệm thông thường và thực địa mở rộng.

Một điểm thách thức nổi bật là mặc dù 5G được kỳ vọng sẽ hỗ trợ nhiều TrHSD công nghiệp, nhưng các chuẩn 5G và chuẩn của ngành công nghiệp chế tạo sản xuất vẫn chưa hoàn toàn phù hợp với nhau. Các nhà cung cấp viễn thông và nhà khai thác mạng di động nên và cần phải hợp tác chặt chẽ với các nhà sản xuất công nghiệp để đưa ra các giải pháp tự động hóa sản xuất chế tạo dựa trên nền tảng 5G, giải quyết thỏa đáng các yêu cầu của ngành. Mặt khác, tiếng nói của ngành công nghiệp chế tạo sản xuất và đóng góp của họ vào các Phiên bản 5G của 3GPP là cần thiết, vượt qua những khó khăn về hợp tác hoặc không được cung cấp đủ thời gian xem xét góp ý (xem thêm các mốc thời gian và lộ trình các phiên bản của 3GPP trong Hình 3).

Dải tần số hoạt động của 5G trong công nghiệp: Dải tần số phù hợp là một khía cạnh quan trọng trong việc triển khai các dịch vụ 5G cho các ứng dụng công nghiệp. Để đáp ứng các yêu cầu về độ trễ và độ tin cậy cực kỳ khắt khe, dải tần số có giấy phép sẽ là lựa chọn hàng đầu.

Tùy vào cơ chế quản lý tần số tại từng quốc gia, tần số có thể được xin cấp phép riêng cho ngành công nghiệp, hoặc nằm trong giấy phép tần số 5G theo khu vực, hoặc có thể là mô hình thuê lại tần số từ các nhà khai thác mạng di động có độ phủ sóng toàn quốc. Các phương án này sẽ có những sự khác nhau liên quan đến ưu điểm và nhược điểm. Điều quan trọng là phương án sử dụng dải tần số và mô hình hoạt động phù hợp cần được lựa chọn dựa trên tiêu chí đáp ứng các yêu cầu cụ thể của lĩnh vực công nghiệp và tạo cơ sở cho sự áp dụng 5G thành công, phù hợp với chính sách tần số của từng quốc gia. Điều này đòi hỏi các cuộc thảo luận mang tính xây dựng và thống nhất giữa tất cả các bên liên quan, bao gồm chủ sở hữu nhà máy, nhà mạng di động, nhà quản lý chính sách, và các công ty cung cấp giải pháp công nghệ.

An toàn và bảo mật: Các kiến trúc, giải pháp và chính sách bảo mật phải được nghiên cứu phát triển dựa trên các yêu cầu thực tế của các ứng dụng có tính thời gian thực trong các ngành công nghiệp khi áp dụng 5G, bao gồm phân tích kỹ lưỡng về mức độ mà cơ sở hạ tầng 5G có thể hỗ trợ. Các vấn đề chưa được đáp ứng phải được xác định rõ để từ đó điều chỉnh/mở rộng các kiến trúc và giải pháp hiện có cho đến khi thỏa mãn được các yêu cầu về cả bảo mật và an toàn.

Thiết bịcông nghiệp hỗ trợ5G: Các cấu phần thiết bị công nghiệp như máy móc và robot khác biệt đáng kể so với các thiết bị di động hiện có trong đời sống tiêu dùng như điện thoại/máy tính bảng thông minh. Hiện tại, những cân nhắc liên quan đến 5G trong ngành công nghiệp chế tạo sản xuất phần lớn mới chỉ tập trung chủ yếu vào phía mạng. Vìvậy, cũng rất cần thiết phải đầu tư nghiên cứu phát triển các thiết bị công nghiệp có khả năng hoạt động với 5G.

Ngoài ra, hệ thống 5G phải tương thích chặt chẽ với các công nghệ mạng khác đã được thiết lập từ trước trong các hệ thống vận hành công nghiệp, mà điển hình là hệ thống Ethernet công nghiệp hoặc các mạng kết nối có dây Fieldbus. Lộ trình tích hợp và chuyển đổi thông suốt cần được xây dựng một cách rõ ràng ngay từ đầu. Hơn nữa, vì máy móc công nghiệp thường được sử dụng trong thời gian rất dài, sẽ cần quan tâm đến các yêu cầu về hỗ trợ cho các dịch vụ truyền thống và các thành phần 5G, chẳng hạn như chipset 5G trong thời gian dài hơn môi trường hệ thống CNTT thông thường.

Kết luận

Công nghệ 5G hứa hẹn mang lại những đổi mới đầy tiềm năng để hiện thực hóa các trường hợp ứng dụng trong xu hướng Công nghiệp 4.0. Áp dụng 5G như nền tảng kết nối không dây cho các giải pháp điều khiển tự động hóa trên nền IoT trong môi trường công nghiệp sẽ đẩy nhanh hơn nữa sự hội tụ của hệ thống vận hành OT (Operational Technology) và hệ thống CNTT (Information Technology - IT) trong các nhà máy sản xuất, mang lại hiệu quả vận hành cao thông qua tự động hóa chu trình giám sát, điểu khiển máy móc, dây chuyền sản xuất.

Cùng với những lợi ích lớn mà 5G có thể đem lại cho các lĩnh vực công nghiệp, vẫn còn đó những thách thức cần được giải quyết. Các thách thức không chỉ liên quan đến mức độ khả thi về công nghệ để đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng, mà còn về sự phối hợp, tương tác, tiêu chuẩn hóa và quy định quản lý trong hệ sinh thái 5G - công nghiệp sản xuất.

Đặc biệt, điều quan trọng là sự đồng bộ giữa các ngành CNTT, Công nghệ Viễn thông và Công nghiệp sản xuất phải được đẩy mạnh hơn nữa, mang lại sự hội tụ thực thụ 5G-IT-OT. Trong những năm tới, chắc chắn đây sẽ là xu hướng phát triển mang lại nhiều bước tiến đột phá trên thế giới.

Tài liệu tham khảo

[1] 5G New Radio Network Planning, White paper from Ranplan Wireless, Feb 2019.

[2] ITU-R, "Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s)", Report ITU-R M.2410-0 (11/2017), Nov 2017.

[3] 5G for Connected Industries and Automation, White paper from 5GACIA, Nov 2018.

[4] 3GPP TR 22.804, "Study on Communication for Automation in Vertical domains".

[5] Ericsson and Arthur D. Little, "The 5G business potential", Second Edition, Oct 2017.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 10+11 tháng 9/2020)