5G在超級工廠的應用

5G為超級工廠和綠色鋼鐵廠帶來靈活性

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再生能源和脫碳的聯合重要性觸發了全球對永續製造的投資浪潮。

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提升靈活性的關鍵

製造業要實現靈活性，就需要無線連接；電纜無法滿足需求。

高要求的生產流程

生產過程無法容忍停機、網路延遲或覆蓋盲點。

專網可以實現

5G專網利用中頻段的優勢，可以提供覆蓋廣、性能高、可靠性強的連接網路。

超級工廠是指規模非常龐大的製造基地，它們最初是為了應對電動車、電池和潔淨技術的市場需求而快速擴大生產規模而建立的。「綠色鋼鐵」廠則是指採用基於氫的還原法來降低碳排放的鋼鐵生產基地。這些工廠的設計目的是透過大規模的運作和內建的靈活性來提高效率。為了實現這種大規模的運作，綠色鋼鐵廠和專門從事汽車製造和電池生產的超級工廠中，正在部署5G專網。

規模和靈活性，魚和熊掌不可兼得？

超級工廠既需要規模，也需要靈活性。規模通常是透過提高自動化程度來實現的。傳統的自動化方式是「硬體連接」的，這意味著工廠很難重新配置，例如有一家工廠每年要進行大約300次佈局變更。這些變更可能包括為了匹配生產能力而設立新的測試站，或為了優化人體工學而改進生產線，或為了適應新的產品組合而調整材料的擺放。為了讓超級工廠充分利用其設備、機器、工具和工人的效率，需要在現場保持靈活性。為了尋找一個既能保持規模和靈活性的解決方案，製造業，尤其是新興的超級工廠，一直在尋找能夠支援規模而不妨礙靈活性的技術方案。在連接性方面，這意味著需要一個無線解決方案。

無線連線可以提供靈活性，支援工廠資源的快速變化和重新部署，使得工廠可以在建設過程中就開始生產，動態地移動生產單元，並可以在任何地方連接工人。生產過程不能容忍間歇性的網路延遲或覆蓋盲點。

這些高需求使得無線網路成為了關注的焦點，它成為了影響生產線產出的一個關鍵決定因素。所選的無線連線應該能夠適應像是無人搬運車（AGV），這類移動性較高設備的運行，例如實現無縫的區域切換。同時，它還需要能夠提供遠端控制設備，和基於週期的工業自動化協議所需的低時延，例如PROFINET標準¹的要求。

5G滿足超級工廠的需求

工廠網路的功能不僅限於為智慧手機提供服務。生產線的連結必須具備高效能，能夠分配專用的資源並實現完全的冗餘。在一系列5G專網的部署中，最常見的系統是為工人提供無線平板電腦和工具、按需求提供遠端支援、AGV和機器人設備、以及為AI系統收集數據的感測器和攝影機，以便監控品質。考慮到這些案例的應用範圍，用戶可能根本不是使用智慧手機的人類，而是一個自主的機器或無線工具。

這就產生了一個不同的流量特徵，設備可能對時延敏感，例如工業自動化設備或無線工具，或傳輸量可能是上行鏈路密集型的，例如高清攝影機。網路需要根據這些流量參數進行設計。5G網路可以滿足這些需求，5G能夠覆蓋大面積的工廠區域，提供高性能和高可用性的連接，為各種案例提供專用的網路資源，以及在發生故障時自動切換到備用設備。這也是5G備受青睞的原因。

一般的製造現場面積可能達到10萬平方公尺，而超級工廠的面積則遠遠超過這些數字，可能會大5倍以上。 5G網路與Wi-Fi網路相比，更適合覆蓋大型區域，因為 Wi-Fi網路需要更多的接入點來覆蓋同樣大小的區域，而5G網路只需要較少的室內無線基地台。此外，5G網路可以實現無縫的移動性，而Wi -Fi網路在接入點之間切換時可能會出現流量中斷，這對某些應用來說是不能接受的，例如無人搬運車（AGV）。

為了確保網路的可靠性，考慮到網路是生產過程的核心，所有設備都採用了冗餘設計，以防止故障導致停機。室內覆蓋範圍也可以延伸到物流區域和製造廠。這種更廣泛的廣域覆蓋要求連接網路具備跨越數公里的地理冗餘能力。5G中頻段頻譜對無線電波反射較不敏感，相較於Wi-Fi，更適合混凝土、金屬、設備和庫存等可能干擾訊號的工廠環境。無線電規劃必須考慮到現場環境的特性。

無線網路已成為影響生產線產量的關鍵因素。生產過程不能容忍間歇性網路延遲或覆蓋盲點。

超級工廠的部署場景

超級工廠是高額的資本投資，需要盡快投入營運以獲得回報，因此它們不能花費過多的時間進行單一應用的評估。它們跳過了「單一應用」的測試，從一開始就綜合地確定技術需求，並同時應用多個案例。當多個案例應用到生產線的多個階段時，才能顯現出真正的價值。

汽車和電池製造商從一開始就將5G網路納入綠色工廠的設計中，這樣他們就可以用公共網路為員工提供服務，把專網用於生產流程。它們的目標是透過為關鍵的 AGV運作、無線工具和移動型螢幕提供適當的連接，以便提高裝配線的生產效率。

超級工廠有著龐大的室內面積，而5G 相比於Wi-Fi，更具有成本效益，因為所需的接入點數量減少了8-10倍。採用5G獨立組網（SA）模式，網路可能使用高達100 MHz的中頻段頻譜。如果某些設備需要使用 4G，那麼可以採用5G SA加4G的混合模式。為超級工廠分配合適的頻譜，是支持各種具有高性能要求案例的關鍵。

考慮到這種設施的停機成本很高，為了盡量減少對生產線的中斷，完全冗餘的原則可以應用於網路的所有組件（包括電源、核心、基頻和無線設備），因為每個組件都是重複的。

當多個案例應用到生產線的多個階段時，5G的真正價值就顯現出來了。

案例分析：鋼鐵業的脫碳

法國安賽樂米塔爾公司(ArcelorMittal)

ArcelorMittal是鋼鐵和礦業領域的全球領導者，積極參與鋼鐵製造的脫碳計畫。該公司的目標是到2030年在歐洲將其CO2排放量減少35%，到2050年實現碳中和²。

ArcelorMittal已經在法國的多個工廠部署了4G和5G專網，從敦克爾克開始。ArcelorMittal已經宣佈了5G 鋼鐵業(5G Steel)的營運，這是工業環境中最大的4G/5G網路，由Orange Business Services提供。選擇4G和5G的關鍵考慮因素是：

廣泛的覆蓋：行動網路覆蓋了ArcelorMittal 所有複雜的工業場所，包括室外和室內，甚至是高層金屬結構下面的場所。這種覆蓋為操作員提供了更大的行動自由，並在整個場所提供了連接。
低時延：5G降低了時延，支援自動駕駛汽車和遠端控制駕駛艙的部署，以及高風險區域的安全。
資料安全：行動專網保護了敏感的工業數據。
室內無線電覆蓋設計根據現場的具體情況進行調整，包括考慮大面積的金屬和鋼鐵區域對訊號的影響，以及隨著時間變化而移動的材料堆對覆蓋範圍的變化。