MEZINÁRODNÍ STROJÍRENSKÝ VELETRH 2022 - REPORT Z AKCE


5G sítě akcelerují výhody Průmyslu 4.0. V praxi se objevují první příklady

Privátní 5G sítě umožní průmyslu využít všech výhod digitalizace a Průmyslu 4.0. Jsou totiž na parametry těchto technologií přímo navrženy. Poslouží všude tam, kde jsou velké nároky na přenos obrovského množství dat vysokou rychlostí a s nízkou mírou latence, kde je třeba vysoká míra zabezpečení nebo jednoduše tam, kde „nelze vést kabely“.

Autor: Alena Burešová, Národní centrum Průmyslu 4.0

Privátní 5G sítě umožní průmyslu využít všech výhod digitalizace a Průmyslu 4.0. Jsou totiž na parametry těchto technologií přímo navrženy. Poslouží všude tam, kde jsou velké nároky na přenos obrovského množství dat vysokou rychlostí a s nízkou mírou latence, kde je třeba vysoká míra zabezpečení nebo jednoduše tam, kde „nelze vést kabely“.

Rozvoj privátních 5G sítí je u nás zatím na samém počátku a pionýrskou roli v něm hraje spolupráce mezi soukromou sférou a akademií, jmenovitě firmou T-mobile a Českým institutem informatiky, robotiky a kybernetiky, v jehož Testbedu pro Průmysl 4.0 jako v jednom z prvních míst ve střední Evropě vůbec začala privátní síť pro průmyslové využití postavená na ryzích 5G technologiích fungovat.

Testují se zde a zdokonalují její parametry tak, aby v budoucnu mohla co nejlépe sloužit nejen průmyslovým podnikům, ale i veřejným institucím využívajícím ta nejmodernější dostupná technologická řešení jako například Armáda ČR.

Jak privátní 5G sítě posunou možnosti Průmyslu 4.0, kdo z nich může nejvíce profitovat a jakou roli v jejich rozvoji hrají testbedy českých technických univerzit?

Privátní 5G sítě jsou už od samého počátku navrženy pro využití v průmyslu

Aby mohly průmyslové firmy plně benefitovat z charakteru bezdrátového připojení 5G generace, neměly by operovat ve veřejných 5G sítích, mají si zakládat své privátní 5G ostrovy. Oproti těm veřejnýmjsou pro ně ryzí privátní sítě vhodnější. „Privátní 5G sítě jsou už od samého počátku navrženy tak, aby mohly být využity a nasazeny v průmyslu. Fungují pouze v dedikovaných pásmech a může je užívat pouze oprávněná instituce/firma, která jednotlivým uživatelům dává práva,“ vysvětluje hlavní princip Tomáš Verner, specialista na 5G sítě ze společnosti T-Mobile.

Privátní 5G sítě se tedy od těch veřejných liší zejména tím, že jsou ve vlastnictví firmy, která je provozuje. Jsou zcela samostatné, nejsou spojené – ani technicky – s veřejnými mobilními sítěmi (proto označení „privátní 5G ostrovy“). Tím se síť stává mnohem bezpečnější, škálovatelnou a její parametry lze upravit dle konkrétních technických potřeb firem. „V dedikovaných pásmech mohou průmyslové firmy využívat privátní 5G síť s parametry, které pro ně dodavatel nastaví na míru tak, aby vyhovovaly co nejvíce jejich technologickým potřebám. Postaví se konkrétní infrastruktura třeba k řízení robotických výrobních linek, pro sběr dat z obrovského množství různých senzorů v reálném čase nebo k přenosu informací z kamer ve vysokém rozlišení,“ popisuje jejich funkcionalitu Verner.

Firma si musí svou privátní 5G síť naplánovat. Její signál totiž nesmí přesáhnout hranice jejího pozemku. Samozřejmě nějaké tolerance tu v rozumné míře jsou. Nesmíte ale rušit veřejnou síť.

Testování pro praktické použití

Protože jsou privátní 5G sítě zatím technologickou novinkou, a jejich parametry je třeba řádně otestovat a rozvinout, vznikla úzká spolupráce mezi jejich poskytovatelem, společností T-Mobile a digitálními laboratorními pracovišti, tzv. testbedy technických univerzit v Praze, Brně a Ostravě. 

První Non Stand Alone privátní 5G kampusovou síť v České republice spustil T-Mobile na konci roku 2020 v areálu VŠB – Technické univerzity Ostrava. Následovala NSA 5G síť na České zemědělské univerzitě v Praze. Na začátku srpna 2021 byl v pražském Testbedu pro Průmysl 4.0 Českého institutu informatiky robotiky a kybernetiky spuštěn ostrý 5G kampus využívající první 5G Stand Alone síť. A začátkem prosince 2022 se k Praze přidala i moravská metropole. V areálu brněnského technologického institutu CEITEC otevřela společnost T-Mobile další privátní 5G Stand Alone síť. Díky tomu studenti získali přístup k 5G technologii a univerzitní testbedy mohou firmám nabídnout prostor pro vývoj a implementaci řešení Průmyslu 4.0.

„Pro nás je velkou ctí, že s námi všechny testbedy spolupracují. Uvědomujeme si, že privátní 5G síť potřebujeme před jejím nasazením u našich zákazníků otestovat a především dovyvinout její konkrétní parametry přesně na míru,“ uvádí Tomáš Verner.

Vybudovat sdílenou infrastrukturu rozhodně nebyla jednoduchá a levná záležitost. Petr Šimoník, místopředseda představenstva NCP 4.0 a proděkan pro spolupráci s průmyslem na FEI VŠB-TUO, vysvětluje, proč se české univerzity do tohoto úsilí pustily: „Za vším stála myšlenka vytvořit infrastrukturu a lidi, kteří budou schopni spolupráce s průmyslem, budou nositelé inovátorských nápadů a zároveň tyto nápady domyslet, vyladit a převést do firemní praxe.“

Podle Šimoníka dává velký smysl síť tzv. testbedů na univerzitách budovat. „Mohou se zde testovat technická řešení nebo aplikace ještě ve fázi „proof of contact“ tedy před nasazením do praxe, doladit detaily těchto řešení. Jedná se o služby „test before invest“,“ vysvětluje. „Inhouse máme k dispozici digitalizované, robotizované, montážní výrobní linky s logistickým provozem a 5G síť nám umožňuje testovat pokročilejší robotické aplikace autonomních vozidel, využití rozšířené reality.

Na ČVUT, VŠB-TUO a VUT jsme pionýři.“

„Odborná veřejnost velmi oceňuje rozsah a vybavenost, do jaké se nám testbed podařilo dostat a dále jeho propojenost na průmyslovou praxi, což je nezbytné k tomu, aby se inovační záměr před jeho nasazením řádně otestoval a dostal do stavu nějakého prototypu, který už bude plně nasaditelný v průmyslovém provozu,“ říká ředitel pražského testbedu Pavel Burget. První reálné usecasy v pražských Dejvicích již vznikají a za pár měsíců z nich budou moci profitovat i průmyslové firmy.

T-Mobile spolupráci českých akademiků velmi oceňuje, bez nich by totiž jako operátor nebyl schopný svým průmyslovým a logistickým zákazníkům nabídnout 5G sítě s takovými kvalitativními parametry, na které jako lídr na trhu cílí.

„Našimi zákazníky jsou  často průmyslové a logistické firmy. Jako operátor nemáme know-how, kterým disponují vysoké technické školy. Tím, že zde investujeme do 5G sítí a spolupracujeme na společných projektech, tak nacházíme nová řešení, která jsme následně našim zákazníkům schopni demonstrovat,“ vysvětluje Verner a zároveň si posteskne, že v České republice rozvoj tak klíčového nástroje pro průmysl jakým privátní 5G síť je, nepodporuje více stát. „Naše investice se pohybují v řádu desítek milionů korun a tím jsme na evropské poměry zcela originální. Třeba do obdobné kampusové privátní 5G sítě na německé univerzitě v Aachenu investuje německá vláda i spolkový stát.“

Sledujte 1. část diskuse

První nasazení v praxi

Za běžných podmínek by bylo nasazení privátních 5G sítí v českém průmyslu běh na dlouhou trať. Plně automatizovaná výroba naráží na ekonomickou realitu. Obor dnes nejvíce táhnou zakladatelé průmyslových firem, kterým je kolem 55 let, spoléhající se stále spíše na svou intuici a zkušenost než nejnovější techniku. Stroje v továrnách jsou v současné době většinou připojeny na pevno, musí se měnit kabely a měnit celkové uspořádání… Do byznysu rovněž promlouvají další aspekty jako vysoká cena 5G modulů a senzorů.

Investiční náročnost je v tuto chvíli značná. „Návratnost je daná tím, kolik ušetříte času, energie a lidského potenciálu,“ vysvětluje Jaroslav Mráček z firmy T-Mobile. Jakmile je již 5G síť postavena, lze ji využít pro další technologie, které by ji samostatně nepotřebovaly. Tím se ušetří na dalších kabelech, fungují výborně úspory z rozsahu.

Míra návratnosti do vybudování privátních 5G sítí se značně liší v případě, zda vyrábíme ve starých halách, nebo pokud stavíme haly na tzv. zelené louce. „Zde bych všem doporučil rovnou s privátními 5G sítěmi počítat, umožní využívat technologie způsobem, jakým nemáte v případě starého připojení šanci. Ostatně třeba firma Continental je příkladem.  „Stále přibíhá use casů, kde nám už běžné sítě nestačí, například při využití rozšířené reality nebo množství zpracovávaných dat a edge computingu jako takového. Chceme dostat maximální objem dat za co nejmenší čas,“ uvádí Jakub Hamerník z brandýského Continentalu a zdůrazňuje, že zpoždění přenosu dat vede ve ke snížení počtu vyrobených kusů.

Sledujte 2. část diskuse

Větší míra flexibility

Současná krize však vývoj může výrazněji urychlit. Firmy musí být flexibilní, pracovat s velkými daty, aby v konkurenci obstály, stále se zvyšuje nebezpečí kyberútoků…. Všechny tyto nároky mohou privátní 5G sítě pomoci vyřešit.

Podle profesora VUT v Brně Pavla Václavka přispějí 5G sítě k výraznému zvýšení tolik potřebné flexibility výrobního prostředí. „Tam, kde musíte vést dráty, snižujete flexibilitu prostředí, což výrazně snižuje možnost výrobní prostředí flexibilně měnit dle potřeby,“ uvádí.

Proto mají 5G sítě mají už ze samotného principu věci velkou budoucnost obzvlášť pro mobilní řešení – technologie virtuální reality, pohyblivé roboty nebo automatická vozítka se senzory, která se nedají připojit na kabel. „Všechna tato řešení závisí na velmi rychlých a nízkolatenčních bezdrátových přenosech,“  říká Václavek „V dnešní době je to řešeno různými způsoby – wifi, různými proprietálními rádiovými moduly apod. „5G sítě přinesou možnost toto prostředí unifikovat, což může stlačit cenu použitých technologií.“

„Pokud potřebujete být flexibilní, potřebujete rychle reagovat na změny zakázek, upravit uspořádání výrobních prostor, prostěe rychle reagovat na jakékoli změny, a privátní 5G sítě vám to velmi usnadní,“ souhlasí s profesorem Jaroslav Mráček. „Ta míra flexibility, ať už v hale nebo venkovním prostředí, je pro firmu nedocenitelná.“

„Míra flexibility ať už v hale nebo venkovním prostředí je pro firmu nedocenitelná.“

Dalším využitím privátní 5G sítě je kontrola kvality. Pracovník může kamerou snímat smontované produkty a systém pomocí strojového učení pořízené výsledky porovnává s databází obrázků a hlásí případné defekty. Pracoviště je mobilní a lze ho přesouvat dle potřeb.

Virtuální realita

5G sítě usnadňují i komunikaci ve virtuální realitě, a to nejen kvůli svému bezdrátovému charakteru, ale i nízké míře latence, nebo-li menšího zpoždění toku dat. Pokud je uživatel připojen například k řídícímu softwaru, který má posílat data nebo příkazy, je informační zpoždění naprosto minimální.

„Když ve výrobě nastane situace, že zaměstnanec má problém, podívá se skrz brýle nebo mobilní telefon a operátor vidí to, co vidí daný zaměstnanec a může ho navést k dalšímu postupu,“ popisuje možnosti Mráček.

Tato možnost se bude využívat čím dál tím více. Firmy dodávající stroje si uvědomují nutnost poskytovat zákazníkovi následný servis a virtuální realita je stále více používanou možností. A ve firmách narůstá počet robotů různých typů. Každé zařízení potřebuje relativně odbornou péči a spoustě firem se nevyplatí mít na to odborníka. Levnější je mít jednoho, který řídí větší oblast. Vzdálené instrukce mohou tento přístup uvést v realitu. Obrovské výhody skýtá virtuální realita i ve školení zaměstnanců.

Příkladem je opět firma Continental. „Chceme mít aplikace, kde rozšířená realita povede techniky, aby opravili stroj sami. A k tomu jsou 5G sítě a nulová latence nutná,“ říká Jakub Hamerník, vedoucí týmu pro automatizaci ve firmě. A dodává, že kdyby docházelo k zasekávání nebo zpožďování přenosu, daný zaměstnanec by mohl být zmatený, hrozily by mu bolesti hlavy a další zdravotní problémy.“

Využitív autonomní logistice

Privátní 5G bylo vyvinuté mj. pro mobilní užití autonomních AGV. Využití lze najít i ve výrobě, která se často přestavuje, a manipulace s kabeláží by byla složitá. Vozidla jsou „5G ready“ a bezdrátově komunikují s místní sítí. Na paletách dokážou číst kódy balíků a ty bez zásahu lidské posádky umisťovat do vysokých regálů, a naopak je odsud brát a předávat dále. AGV využívají lidarové senzory a počítačové vidění. Díky tomu se umí vyhnout překážkám a v podstatě okamžitě zastavit před člověkem.

Jiří Vidlář, ředitel výroby firmy Kvados, vysvětluje, proč je další vlastnost privátních 5G sítí – bezvýpadkovost – klíčová pro rozvoj autonomní logistiky a skladového hospodářství: „Při využití standardních sítí jsme se v praxi setkávali s tím, že se autonomní vozítka někde zastavila. Tím se přerušil celý proces manipulace a vyskladňování. Sítě obsahovaly tzv. mrtvé body a proces ladění byl velmi složitý.“

Bezvýpadkovost 5G sítě je pro rozvoj autonomní mobility zcela klíčová

V logistických procesech je třeba identifikovat objekt. Mnohdy je to o tom, že objekt není uložen přesně, je různě posunutý nebo otočený o několik centimentů a kvůli tomu mají autonomní zařízení problém s manipulací. „Rychlý přenos dat, kterého je možné v rámci privátních 5G sítí dosáhnout, chceme využít ke zlepšení identifikace objektů a zpřesnění činnosti robotických manipulačních ramen,“ uvádí Vidlář. Další výhodu spatřuje v možnosti lokalizace vozidel od různých výrobců a určení, které z nich má přednost, které má zastavit nebo objet objekt v cestě jinou trasou.

Vysoká míra zabezpečení

V České republice jsou privátní 5G sítě oficiálně určeny pro komunikaci počítač–počítač. Takže přes privátní 5G sítě určitě nemůžete telefonovat a nemůžete do nich se svojí veřejnou SIM kartou. Stejně tak se v Česku nesmí připojovat veřejné prostory. Pro uživatele může privátní síť poskytnout konektivitu, geolokaci nebo něco podobného, ale SIM z veřejné sítě se do ní nedostane. Privátní 5G sítě ale dokážeme dobře integrovat s Wi-Fi.

Všechny součásti privátní sítě jsou integrované do systémů firmy a probíhá přes ně veškerá komunikace. „Když třeba firma, která něco vyvíjí a nechce, aby se data dostala mimo její kontrolu, může mít díky privátním 5G sítím tato data kompletně pod kontrolou,“ vysvětluje Pavel Burget. „5G sít v Continentalu využíváme i kvůli tomu, že mi umožní stoprocentně bezpečnou správu a ukládání dat, jejich sdílení a přenosu,“ souhlasí s Burgetem Hamerník.  

„V praxi se může stát, že pokud firma funguje na standardní síti přes wifi a přijde do ní externí uživatel, který si například přes mobilní telefon otevře svůj hotspot, naruší komunikaci zařízení ve firmě,“ varuje Verner. Toto v privátních 5G sítích není možné, ty jsou zatím ze všech dostupných radiových signálů nejspolehlivější.

Privátní 5G síť je také možno segmentovat, nebo-li používat zabezpečení na úrovni sítě. Jak to v praxi funguje? Například určitý senzor může komunikovat pouze se svým řídícím serverem, nikam jinam nemá přístup. I kdyby se k senzoru připojil hacker, může ovlivnit pouze řídící server senzoru, ale nedostane se do dalších sítí a zařízení firmy.

Úspory v oblasti energií

5G síť poskytuje také velké možnosti v úsporách energie a její distribuované výrobě. Je to tím, že bezdrátově se potřebná data sbírají velmi snadno, jednoduše lze také rozmístit další senzory nebo připojit další místa odkud je třeba data sbírat. „Tak máme k dispozici dostatečné množství dat, které můžeme vyhodnocovat, dál s nimi pracovat a na základě toho se rozhodnout, co můžeme udělat proto, aby proces nebo zařízení, který spotřebovává energie, se choval efektivněji a úsporněji,“ vysvětluje Pavel Burget jeden z use casů, kterým se zabývají v pražském testbedu.  „Pro efektivní zapojování různých energetických zdrojů a inteligentní distribuci energie potřebujeme vědět, v jakém stavu se ty zdroje a spotřebiče nacházejí a zde opět 5G síť díky svým vlastnostem poskytuje velké možnosti,“ uzavírá.

Rychlost rozvoje v České republice?

V Evropě je v zavádění privátního 5G daleko zejména Německo, kde operátoři pro tyto účely získali štědré spektrum 100 MHz. „Privátní 5G síť aktuálně ve třech lokalitách stavíme pro Daimler, zapojí se do automatizace výroby aut,“ uvedl například na letošním Mobile World Congressu v Barceloně technický ředitel německé Telefóniky Mallik Rao. „V Evropě jsou v současné době nižší desítky privátních 5G sítí, časem jich mohou být tisíce,“ odhadl.

Nejvíce pokročilých projektů lze vidět – pokud se tam v drastických covidových opatřeních dostanete – v Číně. Podle oficiálních údajů dnes v Číně působí přes třicet operátorů s nabídkou privátního 5G. Čína má výhodu v tom, že tyto projekty patří mezi vládní priority modernizace a digitalizace průmyslu, a jsou tedy tlačeny svrchu.