一種基于5G中臺的高端能源裝備智慧服務

2021-06-16 05:29陶茂坤任騁

電子制作 2021年4期

陶茂坤，任騁

（中移（上海）信息通信科技有限公司，上海，200120）

1 基于5G智慧中臺的項目方案

■1.1 設計理念

東方電氣在電氣制造領域深耕多年，通過5G+邊緣計算+邊云協(xié)同打造高端制造平臺，將多年對行業(yè)的理解轉(zhuǎn)化為一個個具體的產(chǎn)品，為豐富的上下游行業(yè)客戶提供價值，解決痛點。通過5G技術與工業(yè)網(wǎng)絡、工業(yè)軟件、控制系統(tǒng)融合。以數(shù)據(jù)為手段打通從廠內(nèi)研發(fā)設計、生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)到產(chǎn)品遠程運維再反饋到研發(fā)設計的全生命周期閉環(huán)，實現(xiàn)支撐全流程的協(xié)同制造，完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)的一體化采集、存儲與關聯(lián)整合。

■1.2 開發(fā)策略

根據(jù)當前5G應用成熟度及東電情況，打造5G先進制造應用標桿，解決實際生產(chǎn)問題，采用先易后難，三個階段穩(wěn)步推進應用部署，做到每個階段應用價值最大化。在5G上結合AR/VR技、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算等關鍵技術實現(xiàn)以“以移代固、機電分離、機器換人”為目標的行業(yè)應用“樣板房”，進一步提高東電的綜合制造能力，全方位助力大國重器的建設。

（1）網(wǎng)絡先行

為適應工廠生產(chǎn)環(huán)境、滿足數(shù)據(jù)驅(qū)動需求；為滿足二級單位與集團之間的互聯(lián)與隔離，在東方電氣各子企業(yè)部署5G網(wǎng)絡，包括工廠內(nèi)網(wǎng)絡與工廠外網(wǎng)絡。目前東方電氣總部園區(qū)、德陽東方電機、東方汽輪機、自貢東方鍋爐等各廠區(qū)均已完成5G覆蓋，部署了宏基站及在主要生產(chǎn)車間布設了室分站進行補充。

（2）平臺應用同步走

建設廠側(cè)邊緣云平臺，提供輕量化、易于管理的運行環(huán)境，提供設備接入、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、工業(yè)智能等能力，通過5G與集團/二級公司云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。開發(fā)智慧應用，包括適用于制造及服務領域的智慧應用。包括發(fā)電設備運行狀態(tài)監(jiān)測和趨勢預警；設備故障預測與診斷；焊機監(jiān)控；遠程對刀監(jiān)控；電子圍欄；能效管理等。

（3）模組部署

5G工業(yè)終端模組完成開發(fā)后，部署至風電場、電廠等業(yè)主單位以及車間、園區(qū)等，進行數(shù)據(jù)采集傳輸，結合邊緣云、混合云提供智慧服務或進行制造過程監(jiān)控管理等。

■1.3 項目設計

1.3.1 5G專網(wǎng)部署

（1）在園區(qū)部署5G基站，開通2.6G(接入個人、管理類業(yè)務)、4.9G（接入機器設備類業(yè)務）,實現(xiàn)工業(yè)設備與個人設備隔離接入；

（2）個人上網(wǎng)業(yè)務，接入5G后，直接通過大區(qū)5G傳入互聯(lián)網(wǎng)；

（3）管理類業(yè)務（如移動OA、WMS倉儲系統(tǒng)）、機器設備類業(yè)務，由MEC進行URL區(qū)分，判斷為內(nèi)網(wǎng)業(yè)務，回傳至企業(yè)內(nèi)網(wǎng)；

（4）個人、管理類業(yè)務占用2.6G頻段，共用同一張SIM卡；機器類設備使用專網(wǎng)流量卡，獨占4.9G頻段。

圖1 基于5G智慧中臺的智能制造與智慧服務設計

圖2 東方電氣總體方案部署

1.3.2 生產(chǎn)管理APP接入

用MEC對內(nèi)外網(wǎng)APP進行區(qū)分，將內(nèi)網(wǎng)APP的URL提前錄入到MEC中，通過與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)預留的IP與MEC進行對接，打通企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。當有應用接入時，由MEC策略判斷該應用是否為內(nèi)網(wǎng)地址，外網(wǎng)APP通過大區(qū)5G傳到互聯(lián)網(wǎng)出口，內(nèi)網(wǎng)APP由辦公網(wǎng)入口回傳到企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，形成內(nèi)部數(shù)據(jù)閉環(huán)。

圖3 東方電氣智慧服務整體部署

1.3.3 5G+智慧風電

5G切片以及邊緣計算，可以實現(xiàn)風電機組對穩(wěn)定低時延的數(shù)采需求。為了合理地運營和完善地維護風電場，提高風力發(fā)電機組的運行效率和可靠性，對每臺風力發(fā)電機組運行狀況的監(jiān)測必不可少。上圖是智慧風電數(shù)采的簡單架構。

本項目數(shù)據(jù)采集目標設備為東方電氣2.5MW直驅(qū)風電機組的主控制器，使用標準PLC，采用標準Modbus/TCP通信，可通過網(wǎng)口直接對設備進行聯(lián)網(wǎng)數(shù)采。PLC中實時數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期為10ms，理想情況下應能通過網(wǎng)關無損失地透傳到大數(shù)據(jù)平臺，主要模式如下：PLC作為標準Modbus/TCP的服務器，邊緣網(wǎng)關采集頻率以1s為周期，作為客戶端從PLC中周期性獲取批量打包數(shù)據(jù)，在邊緣網(wǎng)關設備上進行解析、拼接和邊緣計算。除PLC數(shù)據(jù)的實時采集外，本平臺基于5G網(wǎng)絡，通過打造軟硬件一體化平臺的方式，實現(xiàn)螺栓、葉片智能監(jiān)測功能。

1.3.4 5G+AR遠程運維

傳統(tǒng)工業(yè)運維手段單一、耗時耗力，5G與AR眼鏡的應用，工人在維護檢修的過程中發(fā)現(xiàn)解決不了的難題，可以通過AR智能眼鏡向數(shù)據(jù)庫發(fā)送信息，尋求遠程協(xié)助解決方案；AR智能眼鏡收到并將所有信息進行顯示，疊加在當前場景上，近乎于“手把手”指導求助方做相應操作，輕松完成任務。AR智能檢修將繁雜的工作手冊、流程圖、對講機等統(tǒng)統(tǒng)拋棄，徹底解放操作者的雙手。提高維修效率、實現(xiàn)信息互傳、增強應對實際問題的處理經(jīng)驗。

1.3.5 5G+焊接數(shù)采

東方汽輪機是水電、火電、核電等汽輪機設備的大型制造企業(yè)，在各個制造工序中存在大量焊接過程，在進行手動焊接時工人需要設置焊接機的工作電流和電壓，有的時候工人為了趕工期會用超過焊接標準的電流電壓焊接，此時的焊接強度會降低，不符合標準。目前采用巡檢方式對工人作業(yè)電流電壓進行人工抽查，效率較低，也不能反映實際情況。因此需要遠程監(jiān)控焊接機工作時的電流和電壓，利用5G+高頻數(shù)采將焊接參數(shù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺上，可以對不規(guī)范的操作進行報警。

對東方汽輪機的生產(chǎn)和管理現(xiàn)狀，在現(xiàn)有設備基礎上，通過加裝數(shù)采模塊接入5G網(wǎng)絡，對焊機電源改造、升級，實現(xiàn)焊接車間數(shù)字化，部署焊接在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接過程自動監(jiān)測與記錄，確保焊接工人按規(guī)范進行焊接作業(yè)，提升焊接質(zhì)量。

1.3.6 5G+電子圍欄

針對智慧工廠的車間人車物安全管理規(guī)范，建設基于視覺識別對人員的安全著裝規(guī)范檢測，生產(chǎn)機械安全識別，危險行為識別，危險源檢測及危險區(qū)域的人員誤入報警，檢測職工及作業(yè)車輛的違規(guī)離崗、違規(guī)闖入、違規(guī)停留等行為，綜合評估廠區(qū)的合規(guī)度，為企業(yè)評估安全生產(chǎn)管理狀況并采用針對性的提升方法提供精準依據(jù)。

5G覆蓋可以豐富視頻終端接入地點和接入類型，極大提升作業(yè)效率。同時基于高端裝備制造平臺提供的連接（5G）+邊緣計算（邊緣云）+中心云能力，實現(xiàn)對車間人員的實時定位、軌跡跟蹤、跌倒監(jiān)測，以及危險區(qū)域電子圍欄功能，車間工作人員從進入車間到離開車間的每個環(huán)節(jié)都將被系統(tǒng)感知和監(jiān)測，使得監(jiān)管人員不用到現(xiàn)場巡查即可隨時獲得所有員工的位置信息、活動軌跡、各區(qū)域人員分布情況，并預防安全隱患，實現(xiàn)人員的數(shù)字化管理，為人員管理提供了創(chuàng)新升級的模式，將大大提高人員生產(chǎn)積極性、企業(yè)生產(chǎn)效率。

1.3.7 5G+汽缸加工遠程對刀

東方汽輪機廠立車加工時通過工件工作臺旋轉(zhuǎn)，車床及刀具小范圍位移對工件進行切削。工件尺寸較大，加工內(nèi)容復雜，現(xiàn)場氣缸內(nèi)部有蒸汽、灰塵、光線不足等問題，加大對刀工作難度，進而影響整體加工效率。操作需要工人多次人工對刀，工人反復攀爬，存在安全隱患，亟需相應整體方案提升對刀效率。

該方案旨在提高整體對刀效率，減少人工操作，降低操作風險，整體操作簡單便捷，方便工人掌握。提供一套定制系統(tǒng)軟件包，能夠指引對刀，實現(xiàn)對工字槽的不同尺寸的參數(shù)化測量，通過修改指定參數(shù)值即可實現(xiàn)各種的尺寸測量。系統(tǒng)能實現(xiàn)自動設定加工零點，將檢測值根據(jù)規(guī)則自動更新至機床加工坐標系中。同時，系統(tǒng)適配西門子數(shù)控系統(tǒng)，具備二次開發(fā)條件。

2 結束語