趙國(guó)賓 趙俊杰 祁萌 楊慧 顧銀琴

(永卓控股有限公司,張家港 215600)

0 引言

近年來(lái),為積極響應(yīng)國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展等高質(zhì)量發(fā)展要求,一些公司大力推進(jìn)信息化、數(shù)字化、智能化建設(shè),在全流程生產(chǎn)設(shè)備全面自動(dòng)化、數(shù)字化和工廠管理全面智慧化的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化建設(shè),充分利用5G、大數(shù)據(jù)、人工智能(Artificial Intelligence,AI)等新一代信息技術(shù)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)、超寬帶等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),構(gòu)建自身的物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),通過(guò)“精益+數(shù)字化”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)、業(yè)務(wù)、組織兩化融合四要素協(xié)同創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、設(shè)備運(yùn)行、能源管控、物流運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)控等企業(yè)運(yùn)營(yíng)管控智慧化。

1 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的設(shè)計(jì)意義

1.1 建設(shè)冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠,是鋼鐵行業(yè)企業(yè)落實(shí)政策、合規(guī)經(jīng)營(yíng)的必經(jīng)之路

鋼鐵冶金工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了物質(zhì)保障,但冶煉生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量廢渣、廢物等也成為了環(huán)境污染的主要來(lái)源。鋼鐵廠廢渣含有多種硫化物、氧化物等有害物質(zhì)和污染物,成分復(fù)雜。如果未經(jīng)妥善處理而隨意排放,其產(chǎn)生的粉塵和顆粒物會(huì)隨著空氣流動(dòng)釋放到大氣環(huán)境中,危害人體健康。

隨著當(dāng)前環(huán)保治理力度的加大,節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的主題。如何把鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的鋼渣、富鋅含鐵除塵灰固體廢物全面回收利用,實(shí)現(xiàn)變廢為寶,是企業(yè)建設(shè)綠色智能工廠必須面對(duì)的問(wèn)題,也是鋼鐵行業(yè)企業(yè)落實(shí)政策、合規(guī)經(jīng)營(yíng)的必然選擇。

1.2 基于5G 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建廠的意義

制造業(yè)在發(fā)展期間,相關(guān)人員應(yīng)不斷分析和探索“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的特點(diǎn),同時(shí)將制造高端裝備作為核心,持續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新制造模式,提升高端裝備制造質(zhì)量和效率[1]。冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠響應(yīng)國(guó)際智能制造與固廢處理方針,應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一系列技術(shù),結(jié)合5G實(shí)現(xiàn)整體智能,在鋼鐵行業(yè)內(nèi)有標(biāo)桿效應(yīng),可在其他地區(qū)鋼鐵企業(yè)落地進(jìn)行推廣。

2 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的技術(shù)方案

2.1 5G CPE規(guī)劃

在廠區(qū),5G 客戶終端設(shè)備(Customer Premise Equipment,CPE)以鼎橋的CPE Ins2.0為主。該CPE防護(hù)等級(jí)為IP65,工作溫度為-40 ℃～60 ℃,可以較好地滿足廠區(qū)的環(huán)境要求。

因?yàn)镃PE在實(shí)際部署過(guò)程中遇到了信號(hào)干擾的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)比站間擋板和CPE縮口屏蔽罩兩種抗干擾方案,最終采用縮口屏蔽罩方案,使得鄰小區(qū)干擾下降4～5 dBm,本小區(qū)干擾下降2～3 dBm,能量匯集與干擾控制較好,可解決多終端并發(fā)帶來(lái)的小區(qū)間干擾問(wèn)題。

圖1 云邊協(xié)同總體架構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)高可用方案

遠(yuǎn)程訪問(wèn)路由器(Access Router,AR)采用1+1熱備方案,一個(gè)設(shè)備接兩個(gè)CPE(Ins2.0),采用負(fù)荷分擔(dān);基站基帶板1+1備份、主控板1+1備份; 多接入邊緣計(jì)算池(Multi-access Edge Computing Pool,MEC POOL)組網(wǎng);利用已經(jīng)建設(shè)好的微波等,實(shí)現(xiàn)5G+微波雙鏈路,提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2.3 終端組網(wǎng)

IP攝像頭和天車控制可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等都采用私網(wǎng)IP地址通信,為了局域網(wǎng)二層通訊能承載5G網(wǎng)絡(luò),需要在5G網(wǎng)絡(luò)上疊加一條隧道。關(guān)于隧道技術(shù)的選擇,根據(jù)實(shí)際情況的分析評(píng)估,通用路由封裝(Generic Routing Encapsulation,GRE)處理器開(kāi)銷較小,可支持L2及L3的隧道,因此,推薦采用GRE隧道技術(shù)。

以5G遠(yuǎn)控天車場(chǎng)景為例,5G CPE工作在橋接模式(二層透?jìng)?,天車和中控室的AR分別從5G核心網(wǎng)獲取運(yùn)營(yíng)商IP地址,可以通過(guò)動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(Dynamic Host Configuration Protocol,DHCP)每次都獲取相同的IP(需要核心網(wǎng)設(shè)置相應(yīng)策略),也可以由運(yùn)營(yíng)商分配好后,配置靜態(tài)IP地址。這樣就可以在兩臺(tái)AR之間建立起GRE隧道。由于本方案中還采用了微波備份,可以在微波鏈路上也同時(shí)建立一條GRE隧道,并在GRE隧道上配置雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢查(Bidirectional Forwarding Detection,BFD)連通性檢測(cè)功能。這樣,當(dāng)一條隧道連接斷開(kāi),可以快速切換到備用隧道。由于GRE隧道的引入,增加了報(bào)文的開(kāi)銷,為了保障IP攝像頭這類大數(shù)據(jù)包的傳輸,攝像頭的最大傳輸單元(Maximum Transmission Unit,MTU)可設(shè)置為1 400。

2.4 邊緣云方案

該技術(shù)方案的云邊協(xié)同總體架構(gòu)如圖1所示。

5G全連接工廠建設(shè)場(chǎng)景主要基于機(jī)器視覺(jué)AI的分析應(yīng)用、AR輔助裝配等,針對(duì)工廠目前的設(shè)備、機(jī)器、倉(cāng)儲(chǔ)、物流調(diào)度等業(yè)務(wù)需求及后續(xù)產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)規(guī)劃目標(biāo),采用邊云協(xié)同的解決方案,邊緣云采用信息交換模式(Message Exchange Pattern,MEP)方案。

邊緣云部署AI推理應(yīng)用,中心云用于模型訓(xùn)練。中心云和邊緣云之間通過(guò)智能邊緣平臺(tái)(Intelligent EdgeFabric,IEF)解決方案(見(jiàn)圖2)實(shí)現(xiàn)邊云協(xié)同。

通過(guò)邊緣云、中心云的協(xié)同,實(shí)現(xiàn)5G定制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定時(shí)延接入能力、可靠性保障能力以及差異化隔離能力,中心云資源將基于5G切片/負(fù)極-正極-負(fù)極晶體管(Negative-Positive-Negative,NPN)實(shí)現(xiàn)多種顆粒度接入控制,避免工廠專屬資源被強(qiáng)占(見(jiàn)圖3)。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),對(duì)各排放點(diǎn)、環(huán)保設(shè)備、固廢計(jì)量器、氣象參數(shù)等采用在線自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警等智能化控制手段,通過(guò)超低排改造,建設(shè)更加綠色、安全、可靠的工廠環(huán)境。

圖2 IET解決方案

圖3 多種顆粒度接入控制示意圖

(1)建立全流程自動(dòng)化流水生產(chǎn)線。全流程提升智能制造應(yīng)用比率,實(shí)施“信息化、智能化替代人工”策略。鼓勵(lì)從鋼鐵材料生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì),到鋼鐵材料組織性能預(yù)測(cè)與控制,到鋼鐵生產(chǎn)智能制造等方面向全流程多層次技術(shù)組合的一體化控制方向發(fā)展,以便更好地滿足客戶需求,降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率和能源效率。

(2)通過(guò)新增表面質(zhì)量檢測(cè)儀和在線技監(jiān)診斷自動(dòng)分析系統(tǒng),讓操作工在生產(chǎn)過(guò)程中能實(shí)時(shí)觀察到產(chǎn)品表面缺陷,以便及時(shí)采取針對(duì)性措施規(guī)避產(chǎn)品缺陷,降低不良率;同時(shí),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檔案的建立和追溯,有效提高售后服務(wù)水平。

(3)新增在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)建立信號(hào)分析方法庫(kù)、設(shè)備診斷規(guī)則庫(kù)、趨勢(shì)預(yù)警、遠(yuǎn)程通訊等功能模塊,實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)與故障預(yù)警、故障診斷分析、遠(yuǎn)程技術(shù)支持,使所有重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)在系統(tǒng)畫(huà)面上一目了然,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,做到精準(zhǔn)高效的管控設(shè)備,使得設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率大幅提升。

(4)安全管理系統(tǒng)通過(guò)采用.NET技術(shù),搭建瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,BS)三層安全系統(tǒng)管理平臺(tái),建立安全檢查及隱患排查治理、風(fēng)險(xiǎn)管理、安全教育培訓(xùn)、特種設(shè)備設(shè)施管理、外協(xié)單位管理、安全預(yù)測(cè)預(yù)警、安全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、安全知識(shí)庫(kù)等九大功能模塊,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場(chǎng)管理、安全人管理、安全物管理的三級(jí)管理制度。

(5)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù),并采用鋼鐵流程能量流網(wǎng)絡(luò)信息描述模型實(shí)施能源監(jiān)控智能優(yōu)化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)所有能源介質(zhì)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控,杜絕了浪費(fèi)現(xiàn)象,工序能耗穩(wěn)步下降至設(shè)計(jì)水平的70.7%。

3 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)整體規(guī)劃

通過(guò)研究5G在工業(yè)領(lǐng)域中的典型應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)5G在工業(yè)應(yīng)用中的適用性進(jìn)行分析,給出在典型行業(yè)的5G應(yīng)用解決方案,對(duì)于指導(dǎo)和推動(dòng)5G在工業(yè)應(yīng)用落地具有重要意義[2]。采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建“平臺(tái)+應(yīng)用”模式輸出數(shù)字化和智能化服務(wù)。底層借助5G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)等物聯(lián)技術(shù),使智能設(shè)備、儀表及工業(yè)控制系統(tǒng)互聯(lián),建立企業(yè)級(jí)私有云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(Infrastructure as a Service,IaaS)和光纖網(wǎng)絡(luò);平臺(tái)通過(guò)統(tǒng)一接口企業(yè)服務(wù)總線(Enterprise Service Bus,ESB)與企業(yè)原有的企業(yè)資源計(jì)劃 (Enterprise Resource Planning,ERP)系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)、L2系統(tǒng)對(duì)接,在平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service,PaaS)層實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集并集成各類工業(yè)模型組件,重點(diǎn)打造出智慧運(yùn)營(yíng)類應(yīng)用程序(Application,APP)和智能制造類APP(見(jiàn)圖4)。

在生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)不同場(chǎng)景化應(yīng)用的智能裝備與平臺(tái)建立連接,制定上層運(yùn)管的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)及檢修管理活動(dòng)和作業(yè)計(jì)劃。通過(guò)平臺(tái)任務(wù)調(diào)度指令實(shí)時(shí)下達(dá)給現(xiàn)場(chǎng)各類智能測(cè)溫、自動(dòng)噴印機(jī)器人等設(shè)備,形成信息流、物質(zhì)流和控制流三流同步合一,保障產(chǎn)品制造全過(guò)程質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)高效。

3.2 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠技術(shù)架構(gòu)

5G全連接工廠從系統(tǒng)層級(jí)、智能功能、生命周期3個(gè)維度出發(fā),考慮基礎(chǔ)、安全、管理、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、可靠性能共性要求,使用先進(jìn)自動(dòng)化、智能化設(shè)備及系統(tǒng),在搭建數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上引入建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)、 虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)、5G等新興技術(shù),開(kāi)發(fā)各類應(yīng)用來(lái)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提升安全生產(chǎn)水平,并為工廠的下一步發(fā)展化夯實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

工廠數(shù)據(jù)平臺(tái)主要集成三方面數(shù)據(jù),即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。在集成數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)工藝、設(shè)備與點(diǎn)巡檢、安全環(huán)保、智能物流、視頻監(jiān)控、廠區(qū)導(dǎo)覽、成本管理等八大功能模塊,具體功能如表1所示。

3.3 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的核心場(chǎng)景應(yīng)用

基于5G通信技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,極大地滿足了一些場(chǎng)景的應(yīng)用需求,如高速移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和網(wǎng)絡(luò)部署維護(hù),在強(qiáng)化信息傳輸效率的同時(shí)還可以降低運(yùn)行成本投入[3]。

3.3.1 虛擬現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)

5G全連接工廠使用BIM技術(shù)構(gòu)建全廠的三維模型。傳統(tǒng)的三維建模,往往使用3DMax等純圖形軟件,建成的模型僅包含幾何性質(zhì),僅能做展示用,無(wú)法將其與其他數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。近年來(lái),智能三維模型軟件被越來(lái)越多地用于工業(yè)三維建模,而B(niǎo)IM技術(shù)是其中應(yīng)用較為廣泛的。BIM的核心是通過(guò)建立虛擬的三維模型,利用數(shù)字化技術(shù),為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的信息庫(kù)。該信息庫(kù)不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息,還包含非構(gòu)件對(duì)象(如空間、運(yùn)動(dòng)行為)的狀態(tài)信息。借助生產(chǎn)線的三維模型,大大提高了生產(chǎn)的信息集成化程度,從而將生產(chǎn)打造成一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。BIM模型中的每一個(gè)實(shí)體,均能夠被賦予自定義的屬性,并通過(guò)這些屬性與其他系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。點(diǎn)擊模型中的實(shí)體,便可獲取各種信息。如點(diǎn)擊攝像頭打開(kāi)實(shí)時(shí)視頻,當(dāng)設(shè)備異?；蚬收蠄?bào)警時(shí),中控工可以通過(guò)BIM平臺(tái)快速定位到該設(shè)備并采取相應(yīng)操作。

圖4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)整體規(guī)劃圖

表1 八大功能模塊

3.3.2 廠區(qū)智能理貨

3D勞動(dòng)機(jī)器化如圖5所示,通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)底爐的崗位梳理與工作職責(zé)分析,識(shí)別出 3D(即Dirty:環(huán)境惡劣、Difficult:困難復(fù)雜、Dangerous:危險(xiǎn)勞動(dòng))崗位,引進(jìn)上料無(wú)人行車、成品料倉(cāng)自動(dòng)發(fā)貨、鋅粉自動(dòng)收集、鋅粉包裝自動(dòng)噴碼、無(wú)人轉(zhuǎn)運(yùn)小車、智能倉(cāng)庫(kù)、自動(dòng)清料等機(jī)器人替代人工勞動(dòng)。圖5所示廠區(qū)現(xiàn)有2 000套設(shè)備入網(wǎng),其中智能裝備136套。未來(lái),該廠區(qū)預(yù)計(jì)升級(jí)改造設(shè)備1 500套,新增智能裝備300套,打通控制系統(tǒng)100套,并新增500萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖5 3D勞動(dòng)機(jī)器化

3.3.3 無(wú)人智能巡檢

如圖6所示,利用可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人點(diǎn)巡檢”。通過(guò)創(chuàng)建一名“虛擬員工”,在制定巡檢路線上實(shí)現(xiàn)一鍵開(kāi)啟智能巡檢,代替真人現(xiàn)場(chǎng)巡檢。以“虛擬員工”的視角,在制定好的路線中查看相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)。“虛擬員工”點(diǎn)巡檢的效率是普通員工的3倍左右,在“虛擬員工”巡檢過(guò)程中,只要有一處設(shè)備發(fā)生故障,顯示大屏上就會(huì)發(fā)出警報(bào)信息,工作人員便能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并迅速采取措施。這不僅可以讓“虛擬員工”按照設(shè)定路線點(diǎn)巡檢,還能讓身處中控室的普通員工通過(guò)VR模擬生產(chǎn)的真實(shí)環(huán)境,只要帶上VR眼鏡就能實(shí)現(xiàn)去任意位置點(diǎn)巡檢。這種“足不出戶”的點(diǎn)巡檢方式,不僅可以讓工廠員工在任意時(shí)間“親臨”生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查,還能在保證安全的前提下,有效降低安全培訓(xùn)成本。

圖6 數(shù)字化點(diǎn)巡檢

3.3.4 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

如圖7所示,配合定位手環(huán),中控室大屏上的紅色部分是重點(diǎn)管控區(qū)域設(shè)置的電子圍欄,當(dāng)員工靠近或者誤入此區(qū)域時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒員工,極大降低了安全隱患。在一些特定作業(yè)時(shí),例如點(diǎn)巡檢過(guò)程中的人員或作業(yè)檢修人員進(jìn)入重點(diǎn)管控區(qū)域,超出安全作業(yè)時(shí)間時(shí),系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)報(bào)警并將信息反饋到中控室,中控室數(shù)字化工廠的報(bào)警系統(tǒng)模塊會(huì)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)報(bào)警,第一時(shí)間通知管理人員。

圖7 電子圍欄

工廠配備高精度人員定位管理系統(tǒng),結(jié)合移動(dòng)定位技術(shù)和5G通信技術(shù),為員工配置智能定位手環(huán),除可隨時(shí)檢測(cè)人員活動(dòng)范圍外,還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員健康狀態(tài)。

3.3.5 生產(chǎn)效能管控

5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初即構(gòu)建了專屬的能源管理系統(tǒng)并接入企業(yè)級(jí)能源管理平臺(tái),不僅可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部的能耗數(shù)據(jù)采集和管理,還能支撐企業(yè)級(jí)的能源調(diào)度和管理要求,通過(guò)公司級(jí)的能耗管理向下層層追溯,可以做到工序、班組、產(chǎn)品的能源精細(xì)化管理,大幅減少能源浪費(fèi)(見(jiàn)圖8)。工廠的能源綜合管理系統(tǒng)中建有產(chǎn)耗預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)水、電、氧、氣(汽)等消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控、指標(biāo)超預(yù)警功能,能耗目標(biāo)≤190.907 kgce/t;還建有物料消耗的配料計(jì)算模型,在滿足成品質(zhì)量要求的前提下,可實(shí)現(xiàn)原輔料最低成本配比。

圖8 智慧能源管理

利用能源綜合管理系統(tǒng),處理分析轉(zhuǎn)底爐能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立產(chǎn)耗數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)可視化技術(shù)展現(xiàn)在轉(zhuǎn)底爐中控室。通過(guò)數(shù)字模型預(yù)測(cè)生產(chǎn)水、電、氣(汽)等能耗,完成數(shù)據(jù)分析改進(jìn)、能耗異常監(jiān)測(cè)、指標(biāo)超預(yù)警功能,從而控制轉(zhuǎn)底爐能源消耗,實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化調(diào)度和有效管理。

4 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的關(guān)鍵核心技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)依賴高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),分析性能卓越的5G通信網(wǎng)絡(luò)有力地推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展,對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響[4]。

4.1 5G組網(wǎng)

由于工廠車間大多為金屬結(jié)構(gòu),有線方式布線困難,傳統(tǒng)無(wú)線通信設(shè)備無(wú)法可靠使用,傳統(tǒng)的“Wi-Fi+有線”方式無(wú)法達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｍ瑫r(shí),考慮到私密性及低時(shí)延要求,本文采用“5G專網(wǎng)+MEC”方案,用來(lái)傳輸各種數(shù)據(jù)、視頻等。其中,MEC部署在蘇州電信機(jī)房,作為網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算平臺(tái),和公網(wǎng)演進(jìn)型分組核心網(wǎng)(Evolved Packet Core,EPC)共用機(jī)房資源,專網(wǎng)的控制面和業(yè)務(wù)面流量均與公網(wǎng)EPC隔離。公網(wǎng)用戶接入新空口(New Radio,NR),S1 流量正常路由接入EPC,不經(jīng)過(guò)MEC設(shè)備。企業(yè)專網(wǎng)用戶通過(guò)專屬公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(Public Land Mobile Network,PLMN)接入MEC設(shè)備,專網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)直接通過(guò)專網(wǎng)的傳輸鏈路到達(dá)MEC設(shè)備,傳向企業(yè)服務(wù)器,專網(wǎng)數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)公網(wǎng)核心網(wǎng)。且MEC無(wú)需對(duì)EPC做任何的軟件和硬件上的改動(dòng),僅需要本地修改基站部分路由的數(shù)據(jù),如跟蹤區(qū)域碼(Tracking Area Code,TAC)參數(shù)。

在運(yùn)營(yíng)商提供的基礎(chǔ)設(shè)施(公有云、行業(yè)云、CMNET、承載網(wǎng)等)下,共25個(gè)基站,將網(wǎng)絡(luò)部署在核心機(jī)房,再轉(zhuǎn)為廠區(qū)范圍內(nèi)的專用網(wǎng)絡(luò),最終傳輸?shù)絽^(qū)域內(nèi)的各數(shù)字終端。

5G組網(wǎng)數(shù)據(jù)指標(biāo):切片速率方面,單終端極速上行率100 Mbit/s,下行率1 000 Mbit/s;單終端暢聯(lián)上行速率60 Mbit/s,下行率500 Mbit/s。時(shí)延及抖動(dòng)方面,最大雙向時(shí)延小于40 ms,平均雙向時(shí)延20 ms。5G覆蓋率95%,平均參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Receiving Power,RSRP)為-95 dbm,平均信號(hào)與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)為3,誤塊率(Block Error Rate,BLER)為15,丟包率0.50%,上行平均速率80 Mbit/s,下行平均速率800 Mbit/s,NR切換成功率98%。

4.2 工廠聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。工廠中選用了各種智能儀器儀表,這些智能設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地采集到應(yīng)用系統(tǒng),從而將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)采集到分布在不同地理位置的應(yīng)用系統(tǒng)中,方便工作人員隨時(shí)掌握設(shè)備的生產(chǎn)信息,并做狀態(tài)跟蹤、故障診斷等。

在線數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)是銜接各個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)與MES、點(diǎn)巡檢系統(tǒng)及安全環(huán)保系統(tǒng)之間的橋梁,能夠自動(dòng)在線采集設(shè)備狀態(tài)、故障、報(bào)警、能耗、加工步驟等狀態(tài)信息,接收管理系統(tǒng)的計(jì)劃、指令,并將這些信息下發(fā)到各個(gè)自動(dòng)化及控制系統(tǒng),同時(shí)采集各個(gè)自動(dòng)化及控制系統(tǒng)的操作實(shí)績(jī)信息,通過(guò)計(jì)算匯總之后再反饋至各個(gè)管理系統(tǒng)。在線數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括能源的數(shù)據(jù)、原輔料的消耗數(shù)據(jù)、成品的產(chǎn)出及發(fā)出貨數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過(guò)程實(shí)績(jī)數(shù)據(jù),以供信息資源互通、數(shù)據(jù)集成與共享。

4.3 工廠邊緣計(jì)算設(shè)計(jì)

5G全連接工廠中的邊緣計(jì)算主要應(yīng)用在人員定位方案中,考慮到UWB定位數(shù)據(jù)的私密性及低時(shí)延要求,本文采用“5G專網(wǎng)+MEC邊緣計(jì)算”方案,具體組網(wǎng)架構(gòu)如圖9所示。

圖9 “5G+MEC+UWB”定位組網(wǎng)拓?fù)鋱D

MEC部署在蘇州電信機(jī)房,作為網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算平臺(tái),對(duì)定位芯片上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。MEC邊緣計(jì)算結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案具有超帶寬(本地服務(wù),不受核心網(wǎng)帶寬限制)、低時(shí)延(本地處理,適合工業(yè)自動(dòng)化等重要通信應(yīng)用)、大連接(本地計(jì)算,內(nèi)容匯整增強(qiáng),減少傳輸負(fù)荷)、高可靠性(企業(yè)業(yè)務(wù)在本地處理,具有更高的安全性)的特點(diǎn),可為移動(dòng)終端提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

針對(duì)專網(wǎng)用戶鑒權(quán)原理和實(shí)現(xiàn)方式,為確保只有企業(yè)內(nèi)的特定用戶才能使用專網(wǎng)業(yè)務(wù),MEC提供了對(duì)用戶的多重鑒權(quán)方式。專網(wǎng)用戶只能通過(guò)專屬PLMN和專屬接入點(diǎn)名(Access Point Name,APN)接入MEC設(shè)備。同時(shí),MEC設(shè)備會(huì)對(duì)想要登錄的終端的用戶識(shí)別模塊(Subscriber Identity Module,SIM)卡的國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別(International Mobile Subscriber Identification,IMSI)碼進(jìn)行鑒別,僅允許在MEC中被寫(xiě)入相應(yīng)信息的終端登錄。

5 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的技術(shù)創(chuàng)新成果

以5G為核心切入制造行業(yè),以大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、機(jī)器視覺(jué)、AR點(diǎn)檢及培訓(xùn)等集成應(yīng)用與工業(yè)軟件構(gòu)建智能工廠產(chǎn)品體系和解決方案能力數(shù)字化轉(zhuǎn)型是制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的必由之路[5]。5G全連接工廠現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過(guò)程的數(shù)字化,信息、數(shù)據(jù)可以在執(zhí)行層、基礎(chǔ)層、管理層間進(jìn)行交互。工廠中基礎(chǔ)層的設(shè)備均已具備數(shù)字化功能,物料、輔具、人員等生產(chǎn)資源已具備了可數(shù)字化識(shí)別的能力。通過(guò)數(shù)字化貫穿執(zhí)行層中各個(gè)管理模塊的業(yè)務(wù)、活動(dòng)及資產(chǎn)管理,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)精益化、透明化。同時(shí),從統(tǒng)籌管理角度出發(fā),能效管理、安全管理、環(huán)境管理、辦公自動(dòng)化、項(xiàng)目管理等已與公司級(jí)平臺(tái)對(duì)接。

生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化覆蓋率為99%。應(yīng)用射頻識(shí)別、二維碼等方式對(duì)生產(chǎn)資源進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)識(shí)別,使得工廠的自動(dòng)化信息、數(shù)據(jù)采集率達(dá)到95%;運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)各層級(jí)資源之間的信息交互;建有的MES、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等系統(tǒng)已覆蓋工廠生產(chǎn)制造全過(guò)程;研發(fā)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的故障預(yù)測(cè)、微檢修、VR檢修、人員定位健康監(jiān)控等系統(tǒng)則可以對(duì)人和物的安全進(jìn)行有效地分析、評(píng)估、預(yù)防、規(guī)避,大幅提高安全生產(chǎn)水平。5G全連接工廠固廢成效如表2所示。

表2 5G全連接工廠固廢成效

表3 5G全連接工廠績(jī)效指標(biāo)優(yōu)化情況

5G全連接工廠的績(jī)效指標(biāo)如表3所示,滿足《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)體系指南》《江蘇省“十三五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》的相關(guān)績(jī)效要求。

工廠全面5G化的應(yīng)用效果如下。

(1)降低布線成本:“5G+UWB”方案可以大大減少布線的需求,因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)無(wú)線通信技術(shù),可以避免傳統(tǒng)的有線布線方式帶來(lái)的高成本和復(fù)雜性問(wèn)題。同時(shí),UWB技術(shù)具有精確測(cè)距和定位的功能,可以在室內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度定位,而不需要布設(shè)大量的傳感器和線路。

(2)提高上線速度:由于5G網(wǎng)絡(luò)的高速度數(shù)據(jù)傳輸能力,無(wú)人天車的控制系統(tǒng)可以更快地獲取車輛的狀態(tài)和位置信息,并更快地發(fā)送控制指令。這可大大縮短無(wú)人天車的上線時(shí)間,提高其工作效率。

(3)增強(qiáng)可靠性和穩(wěn)定性:5G網(wǎng)絡(luò)具有更高的可靠性和穩(wěn)定性,因?yàn)槠渚哂懈玫耐ㄐ艆f(xié)議和更強(qiáng)的技術(shù)支撐。這可以確保無(wú)人天車在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)因?yàn)橥ㄐ艈?wèn)題而出現(xiàn)故障或停機(jī)。

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和普及,人們可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)無(wú)人天車將會(huì)更加智能化和自動(dòng)化。例如,通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)連接更多的傳感器和設(shè)備,無(wú)人天車可以更好地感知周圍環(huán)境,更加智能地規(guī)劃和執(zhí)行任務(wù)。同時(shí),通過(guò)與云計(jì)算和人工智能技術(shù)相結(jié)合,無(wú)人天車可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)化,甚至可以達(dá)到自主決策和自我學(xué)習(xí)的能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出通過(guò)5G技術(shù)構(gòu)建工廠的物聯(lián)網(wǎng),將車間所有工作人員與設(shè)備納入物聯(lián)網(wǎng)的管理。工廠車間大多為金屬結(jié)構(gòu),有線方式布線困難,傳統(tǒng)無(wú)線通信設(shè)備無(wú)法可靠使用,故可采用“5G專網(wǎng)+MEC邊緣計(jì)算”方案,用來(lái)傳輸各種數(shù)據(jù)、視頻、信息等。通過(guò)打造堅(jiān)實(shí)的5G通信底座,本文所述工廠在自動(dòng)化、信息化、智能化方面得以大刀闊斧的改革和建設(shè),前后獲得省智能制造示范工廠、江蘇省5G全連接工廠、中國(guó)標(biāo)桿智能工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能綠色低碳發(fā)展優(yōu)秀案例等榮譽(yù)稱號(hào)。