DEPLOYMENT AND EVALUATION OF AN INDUSTRY 4 0 USE CASE OVER 5g TRIỂN KHAI và ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHIỆP 4 0 sử DỤNG 5g

Hiện tại, để giảm thiểu độ trễ, AGV được nhúng với bộ điều khiển nội bộ, được sử dụng để chỉ huy các bộ truyền động tức là động cơ và thiết bị lái bằng cách tận dụng thông tin cảm biến A

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HÒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ, BỘ MÔN VIỄN THÔNG

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN: HỆ THỐNG THÔNG TIN NÂNG CAO

DEPLOYMENT AND EVALUATION OF AN INDUSTRY

4.0 USE CASE OVER 5G TRIỂN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHIỆP 4.0 SỬ

DỤNG 5G

GVHD: GS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG

HV: Nguyễn Nhựt Nam

Trần Xuân Nhật

Nhóm: 3

2171046 2170964

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2022

MỤC LỤC

1

2

Tổng quan về đề tài 3 1

1

.1 Bối cảnh công nghệ hiện nay 3 2 Tổng quan phương thức triển khai và đánh giá ứng dụng 5G trong công nghiệp 4.0 4 Điều khiển từ xa AGV bằng 5G 5 2

2

.1 Mô tả các trường hợp và dịch vụ KPI 5 2 Phương thức triển khai và thẩm định 7 3

4

Đánh giá hiệu suất 12 Kết luận 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

1 Tổng quan về đề tài

1.1 Bối cảnh công nghệ hiện nay

Trong hơn 1 thế kỷ vừa qua, công nghệ vô tuyến đã cho phép liên lạc không dây với khoảng cách và dung lượng lớn hơn bao giờ hết Vào cuối thế kỷ 19, Guglielmo Marconi đã chế tạo hệ thống điện báo không dây đầu tiên, có khả năng truyền mã Morse thông qua tín hiệu vô tuyến lên đến một dặm rưỡi Ngày nay, hơn bảy tỷ thiết bị di động cho phép chúng ta giao tiếp với bất kỳ ai, bất cứ nơi nào trên thế giới dễ dàng, thuận tiện và trực quan Không những thế, những hệ thống vô tuyến còn đi sâu vào cuộc sống con người, đóng vai trò quan trọng không thể thay thế được trong sự phát triển kinh tế, chính trị, xã hội

Mạng di động thế hệ tiếp theo đang trên đà phát triển 5G, phiên bản tiếp theo của mạng 4G Long Term Evolution (LTE), sẽ cho phép tốc độ mạng di động lớn hơn nhiều so với thế

hệ cũ - lên tới 20 gigabit trên giây (Gbps) với độ trễ 1 mili giây (ms) – được ứng dụng cho điều khiển tự động với độ chính xác cao, làm việc trong thời gian thực Mạng 5G sẽ kết nối hằng tỷ thiết bị Internet of Things (IoT) với nhiều tốc độ khác nhau và yêu cầu về khối lượng

dữ liệu Các thế hệ trước chủ yếu tập trung vào về việc cải thiện tốc độ dữ liệu, 5G cũng xem xét các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cao hơn nhu cầu (băng thông rộng di động nâng cao, eMBB

- enhanced mobile broadband) Đặc biệt chú trọng các dịch vụ trong đó yếu tố giới hạn là độ trễ / độ tin cậy (thông tin liên lạc có độ trễ thấp siêu đáng tin cậy, URLLC – ultra reliable low latency communications) hoặc số lượng thiết bị được kết nối (thông tin liên lạc kiểu máy lớn, mMTC – massive machine type communications) Hơn nữa, mục tiêu của 5G là: nâng cao các công nghệ truyền thông được sử dụng trong hiện tại ứng dụng và hỗ trợ các dịch vụ mới không khả thi ngày nay

Sự xuất hiện của 5G mở đường cho việc triển khai Công nghiệp 4.0, một mô hình công nghệ mới dành cho việc chuyển đổi số của cho sản xuất Việc chuyển đổi này cần rất nhiều nguồn lực vì thế vai trò của các thử nghiệm thực địa là thực sự cần thiết để xác nhận và bổ sung, hỗ trợ cho những thiết kế mới phù hợp với công nghiệp 4.0 Dưới đây là nghiên cứu đã thực hiện

một thử nghiệm về việc sử dụng 5G EVE end-to-end với nền tảng mở để thiết kế và tìm ra

phương pháp vận hành tiếp cận mới về trí thông minh nhân tạo nhằm kiểm soát AGV

(Automatic Guided Vehicle – phương tiện tự hành không người lái) từ xa.

1.2 Tổng quan phương thức triển khai và đánh giá ứng dụng 5G trong công nghiệp 4.0

Trong bối cảnh của mô hình Công nghiệp 4.0, việc triển khai có chiến lược cho các phương tiện dẫn đường tự động (AGV) trong các nhà máy là cần thiết Những nghiên cứu này

sẽ được hưởng lợi đáng kể từ những ưu điểm của 5G [4] AGV cho phép những cải tiến quan trọng về tính linh hoạt theo thời gian và không gian của dây chuyền sản xuất bằng cách điều chỉnh sự phân bố và nhịp độ của dòng sản xuất Hiện tại, để giảm thiểu độ trễ, AGV được nhúng với bộ điều khiển nội bộ, được sử dụng để chỉ huy các bộ truyền động (tức là động cơ

và thiết bị lái) bằng cách tận dụng thông tin cảm biến AGV Tuy nhiên, vị trí “cục bộ” này của bộ điều khiển có một số hạn chế như khả năng mở rộng và sự phối hợp nhiều AGV càng trở nên khó, và phức tạp hơn Do đó, điều này đã thúc đẩy việc loại bỏ các bộ điều khiển khỏi các AGV và đặt chúng vào các máy chủ ứng dụng trung tâm [5] hoặc các cụm phân tán [6] Mặt khác, việc chuyển bộ điều khiển từ địa phương đến các vị trí từ xa đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với liên kết giao tiếp kết nối cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển Hơn nữa, khi các chức năng của AGV phát triển, sẽ cần thiết phải truyền đồng thời các loại thông tin khác, như hình ảnh và video Trong bối cảnh đó, với những ưu điểm của 5G thì hoàn toàn phù hợp với như cầu hiện tại cũng như là tương lai[3]

Dự án H2020 5G EVE của Châu Âu [2] cung cấp nền tảng thử nghiệm 5G end-to-end tạo điều kiện thuận lợi cho việc định nghĩa, thực thi và xác nhận các ứng dụng dọc sử dụng 5G Một trong các mục tiêu chính của nền tảng 5G EVE là giảm độ phức tạp khi xác định thử nghiệm, cho phép ngành dọc chỉ định chúng bằng cách sử dụng lệnh ngôn ngữ tự nhiên Hơn nữa, ngoài kết quả KPI đạt / không đạt, nền tảng cũng cung cấp một báo cáo rất chi tiết về thử nghiệm thực thi, làm nổi bật các thành phần cụ thể trong đó bên liên quan tương ứng (ví dụ, ngành dọc, nhà điều hành, nhà cung cấp) có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống tổng thể Mặc

dù mục tiêu của dự án là cung cấp một nền tảng mở để chứa các thử nghiệm của rất nhiều trường hợp sử dụng, bao gồm một số ngành dọc đã cung cấp một tập hợp rộng rãi các yêu cầu [3] Các trường hợp sử dụng này được phân loại như Giao thông thông minh, Du lịch thông minh, Công nghiệp 4.0, Năng lượng thông minh, Thành phố thông minh và Truyền thông và Giải trí

Trong đề tài, chúng em tìm hiểu và dựa trên những nghiên cứu đã được công bố nhằm trìnhh bày giải pháp để điều khiển từ xa các AGV bằng cách sử dụng triển khai 5G trong thực

tế, đánh giá hiệu suất của nó về mặt KPI (tương quan với KPI mạng 5G) và xác định các kịch bản hoạt động phù hợp Thêm vào đó là những phân tích tác động của độ trễ AGV và bộ điều khiển đối với hiệu suất, xác định các giới hạn hoạt động Ngoài việc điều chỉnh hoạt động được cải thiện với 5G, chúng tôi còn đóng góp vào thách thức này bằng cách phân tích tác động của sự suy yếu kênh truyền đối với hiệu suất

2 Điều khiển từ xa AGV bằng 5G

AGV là phương tiện vận chuyển không người lái được sử dụng để thay thế cho xe tải và băng tải công nghiệp có người lái Mỗi AGV được điều khiển bởi một bộ điều khiển logic có khả năng lập trình (PLC - Programmable logic controller), một mô-đun phụ trách quản lý vòng kiểm soát nội bộ (tức là thu thập thông tin của các cảm biến hướng dẫn và đưa ra các quyết định điều khiển thích hợp) Bởi vì các yêu cầu về độ trễ chặt chẽ, PLC thường được đặt chung với AGV, vì vậy tất cả các thông tin liên lạc với các cảm biến và cơ cấu chấp hành được kết nối dây với nhau

Hình 1 Local control vs central control

Khi hàng chục hoặc hàng trăm AGV được triển khai trong cùng một nhà máy, "kiểm soát cục bộ" ở trên cùng một kiến trúc có những hạn chế nghiêm trọng (ví dụ, những thách thức khi phối hợp nhiều AGV hoặc cập nhật PLC) Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để khắc phục những vấn đề này là phân định vị trí PLC (tức là di chuyển trí thông minh sang các máy chủ bên ngoài bên ngoài của AGV) Cụ thể hơn, phương pháp này bao gồm việc tách PLC thành:

1 Một PLC nhận tích hợp (sPLC – slave PLC), thu thập thông tin từ các cảm biến và đầu vào vật lý, và được kết nối với bộ truyền động

2 Một PLC chính, ảo (mPLC – master PLC) chạy trên một máy chủ, phụ trách xử lý mọi thông tin

Bộ phận mPLC chịu trách nhiệm đưa ra các quyết định kiểm soát thích hợp và gửi chúng sang sPLC, chuyển chúng thành các tín hiệu để chỉ huy các cơ cấu chấp hành Đặc biệt, sPLC chỉ hoạt động như một cổng tín hiệu vật lý và tất cả các quyết định kiểm soát được ảo hóa và thực hiện trong mPLC Kiến trúc "điều khiển từ xa" được minh họa trong Hình 1 cách tiếp cận này hỗ trợ thiết kế các thuật toán điều khiển phức tạp hơn và các nhà máy linh hoạt hơn

và có thể cấu hình lại, đây là một trong những lợi thế quan trọng của Công nghiệp kết nối 4.0 Những ưu điểm này bổ sung vào lợi ích vốn có của việc ảo hóa mPLC, ví dụ, dự phòng, chi phí tiết kiệm, khả năng mở rộng, giảm tiêu thụ năng lượng, và độc lập phần cứng

Kiến trúc điều khiển từ xa đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với liên kết kết nối sPLC và mPLC (ví dụ: độ trễ ngắn và mất gói thấp) Nếu công nghệ không dây không thể đáp ứng các yêu cầu như vậy, nó sẽ dẫn đến suy giảm hiệu suất hệ thống; Ví dụ, (i) độ lệch đường dẫn của AGV (và vốn có của nó rủi ro an toàn), (ii) tiêu thụ năng lượng cao hơn, và (iii) Gián đoạn dịch vụ AGV (tức là AGV triển khai một công tắc điều khiển "deadman" để dừng xe khi không nhận được thông báo điều khiển trong thời hạn) với các chi phí kinh tế liên quan Do

đó, điều quan trọng là phải xác định một bộ KPIs – Key Performance Indicators dịch vụ và các ngưỡng liên quan của chúng để xác định các khu vực nơi hiệu suất là đủ

Trong công việc này, tập trung vào hai KPI dịch vụ để đánh giá hiệu quả hoạt động của AGV Như chúng ta sẽ thấy, những KPI này cung cấp một đánh giá phức tạp hơn là chỉ sự tồn tại của giao tiếp giữa sPLC và mPLC [7] Các KPI dịch vụ này là:

- Lỗi hướng dẫn: độ lệch (tính bằng cm) của AGV từ đường dẫn chính xác, được tập hợp bởi cảm biến trong AGV và được gửi đến mPLC Đôi khi chúng ta quan tâm nhiều hơn đến phương sai của lỗi hướng dẫn này, đánh dấu tính đúng đắn của kiểm soát

- Mức tiêu thụ hiện tại: dòng điện tức thời (tính bằng ampe) được tiêu thụ bởi AGV, cũng

do AGV thu thập và gửi đến mPLC

Đương nhiên, hai KPI dịch vụ này có liên quan với nhau: các lỗi hướng dẫn lớn và thường xuyên sẽ kích hoạt các biến thể thường xuyên trong các hành động kiểm soát (tức là dao động của vận tốc góc) để sửa chúng, dẫn đến tiêu thụ năng lượng đáng kể hơn Hơn nữa, như được minh họa trong thử nghiệm, các KPI dịch vụ này có liên quan đến KPI của mạng (tức là độ trễ đầu cuối và độ tin cậy của kênh giữa sPLC và mPLC) Đặc biệt, độ trễ lớn hoặc mất gói

tỷ lệ dẫn đến lỗi hướng dẫn lớn hơn, do đó dẫn đến hiệu chỉnh bộ truyền động lớn bởi bộ điều khiển, sau đó tăng dòng điện AGV sự tiêu thụ Do đó, nếu độ trễ hoặc tỷ lệ mất gói tiếp tục tăng, điều này sẽ gây ra hệ thống AGV không ổn định và mất quỹ đạo Tất cả các mối quan

hệ này đều được phân tích chi tiết ở phần sau của bài báo

Với các chi phí đáng kể liên quan đến triển khai kiến trúc điều khiển trung tâm mới này cho hoạt động của AGV, điều tối quan trọng là xác nhận hoạt động của nó trong các điều kiện thực tế và đánh giá khả năng chịu đựng của nó đối với những khiếm khuyết trong giao tiếp

a Mô hình thông tin 5G EVE

Nền tảng 5G EVE là 5G end to end cơ sở được các ngành dọc sử dụng để điều hành và xác nhận các trường hợp sử dụng của họ thông qua các phép đo KPI Nền tảng bao gồm ba lớp chính: cổng truy cập, lớp liên kết và các mô-đun dành riêng cho trang web Cả ba lớp làm việc cùng nhau để tạo điều kiện cho các giai đoạn khác nhau của một thử nghiệm: thiết kế, giới thiệu, khởi tạo, thực hiện, giám sát và xác nhận

Để xác định đầy đủ một thử nghiệm, người dùng bắt đầu từ bản thiết kế dịch vụ, phục vụ cho việc xác định các thành phần dịch vụ hoặc các ứng dụng, sự kết nối giữa chúng, và các tham

số và chỉ số chính của ứng dụng Nếu như ngành dọc cần phải kiểm tra dịch vụ của họ theo cách khác nhau điều kiện mạng, chúng dựa vào bản thiết kế ngữ cảnh để xác định, ví dụ, các điều kiện truyền thông khác nhau (độ trễ, băng thông, mất gói) Tất cả các hành động được thực hiện trong một thử nghiệm nhất định được định nghĩa trong cái gọi là bản thiết kế trường hợp thử nghiệm Sau khi các bản thiết kế này được xác định, ngành dọc có thể tích hợp chúng trong kế hoạch chi tiết thử nghiệm, kết hợp một bản thiết kế dịch vụ dọc, một hoặc nhiều bản thiết kế ngữ cảnh, một hoặc nhiều trường hợp thử nghiệm bản thiết kế, chỉ số cơ sở hạ tầng

và ngành dọc KPIs dịch vụ Hơn nữa, đánh giá (tức là kiểm tra đạt / không đạt) của KPI dịch

vụ mục tiêu là xác định trong bản thiết kế này

Sau khi các mẫu cấp cao này được định nghĩa, người dùng phải chỉ định các mẫu triển khai cấp thấp được sử dụng để mô tả chi tiết triển khai (tài nguyên và khả năng kết nối) của các chức năng tạo nên dịch vụ Cụ thể, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ mô tả chức năng mạng vật lý (PNFD – physical network function descriptors) và bộ mô tả chức năng mạng ảo (VNFDs – virtual network function descriptors) Các mẫu này được kết hợp trong cái gọi là bộ mô tả dịch vụ mạng (NSD – network service descriptors), là các mẫu triển khai cấp thấp để xác định cấu thành các VNFD, PNFD và các kết nối của chúng Mỗi bản thiết kế, ngoài trường hợp thử nghiệm kế hoạch chi tiết, được đi kèm với NSD

b Quy trình làm việc 5G EVE

Sau khi các bản thiết kế đã được xác định, việc tiếp theo bước là giới thiệu họ bằng cách

sử dụng cổng 5G EVE Khi thử nghiệm đã sẵn sàng, người dùng có thể kích hoạt khởi tạo thử nghiệm trong cổng thông tin, dẫn đến việc triển khai và kết nối các chức năng và ứng dụng mạng Do đó, người dùng có thể chọn một trong các các bản thiết kế trường hợp thử nghiệm trước đó đã xác định trong kế hoạch chi tiết thử nghiệm, như đã được đề cập, bao gồm các điều kiện mạng được sử dụng để đánh giá một hoặc nhiều KPI dịch vụ EVE 5G nền tảng cũng cho phép người thử nghiệm xác định dịch vụ của họ bằng cách sử dụng các lệnh ngôn ngữ tự nhiên; ví dụ: “Thử nghiệm với AGV ở Tây Ban Nha trên 22/03/2021 và thời gian 14:00 với # 5G # 1 AGV # Mất gói 10% # Trễ 50ms # thời gian 30 giây và xác thực KPI lỗi hướng dẫn dưới 1cm.” Một khi kiểm tra được thực hiện và dựa trên các chỉ số được thu thập

và các ngưỡng dịch vụ được xác định trong bản thiết kế, nền tảng 5G EVE tạo ra xác nhận bản báo cáo

c Nền tảng 5G EVE và các thành phần

Hình 2 Các thành phần được sử dụng

Một phiên bản đơn giản của nền tảng 5G EVE và các thành phần của nó được mô tả ở hình 2 Phiên bản này là đại diện cho một số tài nguyên chính có sẵn tại Trang web tiếng Tây Ban Nha, được tổ chức trong phòng thí nghiệm 5TONIC [11] Mô hình được mô tả như sau:

-Có hai thành phần chính được sử dụng trong tất cả các trường hợp sử dụng trong dự

án như sau:

+ Nền tảng ảo hóa chức năng mạng (NFV - Network Function Virtualization) bao gồm quản lý và điều phối mạng (MANO- management and network orchestration) và một

số tính toán các nút Thành phần này được sử dụng để khởi tạo các mạng ảo VNF- Virtual network function và liên kết tương ứng, như định nghĩa trong bộ mô tả dịch vụ mạng của một thử nghiệm

+ Một mạng di động 5G hoàn chỉnh không độc lập (NSA- non-standalone) được cung cấp bới hãng Ericsson Tây Ban Nha, bao gồm hai nút vô tuyến 5G (NR-New Radio) và

G, cùng với một lõi gói phát triển được ảo hóa (vEPC- virtualized evolved packet core) hỗ trợ 4

NSA 5G hoạt động ở băng tần n78 (3.6 GHz) và cung cấp băng thông 50 MHz, song công, phân chia thời gian (TDD) 4: 1 Đối với các thử nghiệm chỉ sử dụng LTE, mô hình đã sử dụng băng tần b7 (2.6 GHz) với băng thông 20 MHz

-Các thành phần cụ thể cho trường hợp sử dụng này là AGV và mPLC (được mô tả

trong Hình 2) được cung cấp bởi ASTI Mobile Robotics [12] AGV này là một nền tảng công nghiệp di động được trang bị:

+ Cảm biến để đo lường các biến quan trọng như lỗi dẫn hướng, mức tiêu thụ hiện tại, trạng thái pin và vận tốc bánh xe, sẽ được báo cáo cho PLC chính (mPLC) •

+Một PLC phụ (sPLC) được kết nối với một trong các Cổng Ethernet của bộ định tuyến 4G / 5G, chịu trách nhiệm truyền thông tin cảm biến này tới mPLC

+ Bộ truyền động, bao gồm các động cơ và các bánh xe, để thực hiện chuyển động được hướng dẫn theo các hướng dẫn đã nhận từ PLC chủ (mPLC)

Hình 3 Các thành phần chính được sử dụng

Hình 3 mô tả hình ảnh của các thành phần thực tế của thí nghiệm và các kịch bản thực

tế có thể xảy ra, trong đó MANO và các nút tính toán nằm trong trung tâm dữ liệu 5TONIC Hình ảnh này cũng cho thấy con đường quỹ đạo, được giới hạn bởi một dải từ với một con đường hình lemniscate (hình 8) với một chu vi 27 m AGV được đặt lên hàng đầu của đường dẫn này và mục tiêu chính của trường hợp sử dụng này là AGV đi một cách hiệu quả theo con đường với độ lệch tối thiểu (tức là lỗi dẫn hướng) và năng lượng sự tiêu thụ tối thiểu

Trong quá trình thực hiện thử nghiệm, thông qua qua mạng di động, sPLC gửi tới mPLC, 10 khung UDP sau mỗi 10 ms với thông tin của cảm biến Trong số 10 khung đó, 2 khung sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc hướng dẫn AGV: một khung bao gồm tốc