科普丨5G无线控制知识
一、5G的三大基本特点
1、高速度
相对于4G，5G要解决的第一个问题就是高速度。网络速度提升，用户体验与感受才会有较大提高，网络才能面对VR/超高清业务时不受限制，对网络速度要求很高的业务才能被广泛推广和使用。因此，5G第一个特点就定义了速度的提升。
对于5G的基站峰值要求不低于20Gb/s，当然这个速度是峰值速度，不是每一个用户的体验。随着新技术使用，这个速度还有提升的空间。
这样一个速度，意味着用户可以每秒钟下载一部高清电影，也可能支持VR视频。这样的高速度给对速度有很高要求的业务提供了机会和可能。
2、低时延
5G的一个新场景是无人驾驶、工业自动化的高可靠连接。人与人之间进行信息交流，140毫秒的时延是可以接受的，但是如果这个时延用于无人驾驶、工业自动化就无法接受。5G对于时延的最低要求是1毫秒，甚至更低。这就对网络提出严酷的要求。而5G是这些新领域应用的必然要求。
工业自动化过程中，一个机械臂的操作，如果要做到极精细化，保证工作的高品质与精准性，也是需要极小的时延，最及时地做出反应。这些特征，在传统的人与人通信，甚至人与机器通信时，要求都不那么高，因为人的反应是较慢的，也不需要机器那么高的效率与精细化。而无论是无人驾驶飞机、无人驾驶汽车还是工业自动化，都是高速度运行，还需要在高速中保证及时信息传递和及时反应，这就对时延提出了极高要求。
3、泛在网
随着业务的发展，网络业务需要无所不包，广泛存在。只有这样才能支持更加丰富的业务，才能在复杂的场景上使用。泛在网有两个层面的含义。一是广泛覆盖，一是纵深覆盖。
广泛是指我们社会生活的各个地方，需要广覆盖，以前高山峡谷就不一定需要网络覆盖，因为生活的人很少，但是如果能覆盖5G，可以大量部署传感器，进行环境、空气质量甚至地貌变化、地震的监测，这就非常有价值。5G可以为更多这类应用提供网络。
纵深是指我们生活中，虽然已经有网络部署，但是需要进入更高品质的深度覆盖。我们今天家中已经有了4G网络，但是家中的卫生间可能网络质量不是太好，地下停车库基本没信号，现在是可以接受的状态。5G的到来，可把以前网络品质不好的卫生间、地下停车库等都用很好的5G网络广泛覆盖。
一定程度上，泛在网比高速度还重要，只是建一个少数地方覆盖、速度很高的网络，并不能保证5G的服务与体验，而泛在网才是5G体验的一个根本保证。
二、5G无线控制优缺点
有线传输受环境的影响较大，不利于工业控制。而采用无线传输的形式进行数据的交互，可以减少环境对传输设计的影响。早期的工业控制采用金属线路进行数据的传输，与无线相比存在一些问题，以下是有线与无线对比:
1、5G无线控制优点
①传输距离：如RS232双绞线传输方式等，即使增加驱动电路，但仍然受到很大的限制，一般通讯距离小于50m。5G无线控制不存在距离问题，只要有信号覆盖真正做到了横跨五大洲。
②数据衰减：如现在用于工业控制的RS485双绞线有线传输方式，网线传输方式，这两种传输方式提高了传输距离，但随着传输距离的扩大，线路的阻抗对信号产生很大的衰减。
③信号干扰：许多设备由于现场环境、空间受限，信号电缆铺设时与大动力电缆、变频等设备距离过进而产生干扰，通过5G无线信号控制直接避免了与大动力电缆、变频等设备交集。
④继电隔离：设备由于体积结构问题，一般设备厂家在设计端子时动力与信号靠的比较近，现场设备受环境、腐蚀、密封等因素影响有雨水进入，造成强电窜入，轻者损坏终端控制设备，重者危及人身安全。为避免此类问题发生，传统做法是增加继电隔离，这无疑会加大成本，而通过5G无线信号控制就直接避免此类问题，因为动能无法通过无线传播。（电动头进水）
⑤人工材料成本：有线电缆铺设时无法满足长距离运动部件的控制需求，投资增加。有线控制方式通过线缆传输信号，长距离传输时需增加相应的线缆托架，增大设备布置空间，增加设备驱动负荷，并且线缆在频繁往复运动过程中易出现故障。远距离铺设时考虑线径、信号放大。考虑架设环境电缆终端头预留、电缆接头、拐弯处、夹层内、隧道及竖井等难度。以上情况在有线电缆铺设时都会增加成本和浪费。
⑥柔性布局：利⽤5G其自身无可比拟的独特优势，助⼒柔性化⽣产的⼤规模普及。5G⽹络进⼊⼯⼚，在减少设备与控制室之间线缆成本的同时，利⽤⾼可靠性⽹络的连续覆盖，使设备在移动过程中活动区域不受限，按需到达各个地点，在各种场景中进⾏不间断⼯作以及⼯作内容的平滑切换。（滤油机、潜水泵等）
⑦云端计算：在工业4.0的大环境下，边缘计算需求越来越大，传统的控制系统无法实现智慧控制，需要外部设置边缘计算机。而边缘计算机价格昂贵，有线数据的传输必须就近设置边缘计算机，通过5G无线传输在云端计算直接租用即可，大大的降低了成本。
2、5G无线控制缺点
①稳定性：有线网络有一个最大的优点是目前的无线网络所无法比拟的，这就是快且稳定。就我国的网络环境来说，由于房屋基本都是钢筋混凝土结构，并且格局复杂多样，环境对无线信号的衰减严重，因而无线网络的不稳定性是不可避免的。对于一个网络来说，无论是企业网络还是家庭网络，稳定性是最重要的，因为时断时续的网络，是没有企业可以承受的。当然，也并不是说，无线网络的稳定性一点保障都没有，只是有线网络胜它一筹而已。
②安全性：工业网络组网的一个重要问题就是网络安全的保障，特别是当你使用无线连接时这点尤为重要。虽然无线技术有很多的优点，但是无线网络的安全性永远也没有办法和有线网络的安全性相提并论，除非你部署了端到端的加密技术，否则都无法保障无线网络所谓的真正的安全通信。有线网络可以处理非常高速的带宽，并且可以提供较好的安全性，因为有线网络不需要在网络中广播信息的，只要硬件在控制中就可以保障网络的安全。而无线网络是通过特定的无线电波传送的，所以在这个发射频率的有效范围内，任何具有合适的接收设备的人都可以捕获该频率的信号，这必然会影响到一个局域网络中的安全，因而，无线网络用户对于重要数据需要特别加密以增加安全性。
③维护费用：有线网络的布线成本高，劳动强度高。虽然设备成本较低，但网络本身组建、维护和升级的费用都比较高，无线网络组建容易，设置和维护都比较简单。只是前期投入成本较高，与控制规模成反比。
随着生产规模扩大，生产环境复杂化，多个生产厂房之间的物理距离成为有线网络布线的障碍。如果采用一个厂房对应一个控制中心的方案，会造成重复建设，多个控制中心之间也会存在不同步的问题，因此大规模工业生产中需要引进无线通信组网，采用一对多的控制—生产模式。为了克服以上问题，无线控制技术成为了主要的研究方向，随着5G无线网络技术的发展，尤其是随着计算机网络技术使得无线通讯网络得到了广泛的应用。WLAN(无线局域网络)技术能够在工业控制中，为各种智能设备、机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在很大程度上弥补了有线网络的不足，在无线射频领域，工业控制也有很大的发展，各种通信模块被大量使用，从而进一步完善了工业控制网络的通信性能。
三、无线通信工业控制的场景运用
1、基于温度采集模块的无线通讯工业控制
2、基于原始信号采集模块的无线网络工业控制
3、基于PC机的无线网络工业控制
从有线到无线，现代的工业控制越来越趋向于无线控制，通信协议也将越来越标准化，无线通讯网络与无线通讯模块的结合会使得工业控制变得更加的完善，PC机的使用将扩大WLAN局域网的使用，这些都会令操作人员的控制的范围越来越大。除此之外，现代无线通讯在网络安全和数据传输速度上和传统的有线传输相比还存在很大的不足，这些问题还有待于研究开发人员要进一步的完善，无线控制将对未来工业控制起到重要的作用。
