5G智能工厂的构建及应用.pdf

Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY15G 技术简介5G（第五代移动通信技术）技术超越了单纯的新一代移动通信系统的范畴，正在成为带动投资、引领科技创新、实现产业升级、发展数字经济的战略性基础平台。我国正在大力利用 5G 技术优势，将 5G 技术充分应用于工业领域，抢占产业制高点，加快信息化与工业化的深度融合，助力企业数字化转型1。5G 技术的应用是全球产业布局的新方向，也是我国实现工业转型升级的重大机遇。近年来，政府部门陆续发布 国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见 、关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见 等一系列政策文件，为我国 5G 技术的发展提出了要求，指明了方向。25G 应用的意义5G 技术能够满足高可靠、低时延、抗干扰和安全性的工业场景，通过“标准化、生态化、智能化”的绿色低碳发展理念，以物联网平台和智能化为基础，实现生产及现场安全的可视、可感、可控，达到“保证安环质量、提高效率、降低劳动强度和成本”的目标。35G 技术应用3.1背景需求5G 技术的兴起掀起了企业智能化转型升级的*收稿日期：2023-06-05作者简介：张鹏程（1971-），男，白族，云南剑川人，高级工程师，主要从事有色金属铝冶炼生产技术和电解铝智能制造研究。Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY5G 智能工厂的构建及应用张鹏程，唐亮，李云磊，杨聪富，陆正国（云南文山铝业有限公司，云南 文山 663000）摘要：介绍了 5G 具有的优势：高可靠、低时延、抗干扰和安全性等，分析了 5G 定制网在总体技术构架、平面总体构架、下沉 UPF、网络切片等方面的应用，园区应用了数据采集、定位、智能管理、数字孪生等，实现数据采集准确率达到 100%、制止习惯性违章 13 起、设备平均故障率降低臆50%等效果。关键词：5G；工业互联网；智能制造；数字化转型中图分类号：P415.1+3文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）01-0194-06Establishment and Application of 5G Intelligent PlantZHANG Peng-cheng,TANG Liang.LI Yun-lei,YANG Cong-fu,LU Zheng-guo(Yunnan Wenshan Aluminum Co.,Ltd.,Wenshan,Yunnan 663000,China)ABSTRACT：The paper introduces the advantages of 5G,which are high reliability,low latency,anti-interference and safety,andso on;the paper analyzes applications of the general technical framework,two-dimensional overall architecture,sinking UPF,networkslicing and the other aspects,Application of data acquisition,positioning,intelligent management,and digital twins are done in theindustrial park,so the accuracy rate of data acquisition can reach to 100%,13 cases of habitual peccancies were stopped,the averageequipment failure rate decreased臆50%.KEY WORDS：5G;industrial internet;intelligent manufacturing;digital transformation194图 1互联场景Fig.1Internet scene热潮。在目前阶段，各行业需求多样、应用复杂，不同行业差异化场景要求网络能够灵活定制，传统部署的专网已无法满足行业数字化转型升级业务需求2。随着物联网等技术的发展以及数据量的不断增加，基于云的解决方案渐渐无法满足大家日益增长的需求，人们逐渐将目光转向 5G、边缘计算等技术，将其作为云的延伸扩展，以提高数据分析能力，便于企业快速做出有力决策。各行各业对数字化应用的功能及性能需求不同，企业在推进数字化转型时，除需要 5G 智慧云信息服务外，更需要基于信息化基础设施的数字化应用。3.2定制网能力5G 技术通过定制深度神经网络签约可区分企业内不同的数据网络，通过服务质量规则定制，针对不同业务实现差异化的业务加速服务。通过网络切片技术，可以实现业务需求和网络资源的灵活匹配，虚拟出多张满足不同业务应用场景和差异化需求的 5G 切片网络，并能充分共享物理网络资源。基于边缘部署和边缘计算技术，可实现企业业务数据的本地处理，保证数据安全，在提高传输效率的同时，保障了企业数据的安全性。企业通过云上场景是当前 5G 技术最重要的一类业务，5G 网络快速入云的安全保障能力，成为5G 行业拓展的关键需求之一。入云专线 5G 网络与固网入云专线相协同为基础能力，同时根据实际网络能力引入 EVPN、SRv6 等技术，结合业务编排、网络编排、控制器等，实现 5G 网络、固网、云内网协同组网，达到业务快速发放、网络可编程和客户业务访问体验保障目标。其互联场景如图 1 所示。3.35G 定制网应用3.3.1总体技术架构采用 5G+UPF（用户平面功能）下沉架构，将UPF、MEC（移动边缘计算）下沉至本地机房，构建园区专网，互联整合工序全流程，落地 5G 全连接工厂，优化业务和作业流程，以工序数字化为基础，通过建立数据中台、业务中台，实现生产管理、设备管理、能源管理等管理层数字化，建立管理过程全域数据体系，构建完整的指标体系，建设智能工厂企业管控体系支撑生产管控系统，实现各层级管理透明、高效协同。总体技术架构如图 2 所示。3.3.2平台总体架构本地机房部署边缘 UPF、MEC，与 STN（用于移动回传、固网接入以及应对 MEC 下沉的承载技术）承载设备采用专线方式直连，实现本地流量分流。下沉部署一套边缘 UPF 和一体化 MEC平台，UPF 和 MEC 通过机房内网打通，并部署防火墙实现网络隔离和访问控制，具体组网如图 3所示。3.3.3下沉 UPF下沉 UPF 可提供网络资源切片、业务隔离的客户定制化 5G 数据、语音、短信等基础业务，以及低时延、优先级、带宽业务保障等增值服务内容。在边缘机房部署园区 UPF 网元，实现用户数据直接部署于企业园区内，达到企业数据不出园区，实现业务安全隔离，通过切片标识来区分数据网络和路由隔离，根据客户签约的隔离级别提供差异化的隔离方式，保障企业业务安全。UPF下沉架构图如图 4 所示。张鹏程，等：5G 智能工厂的构建及应用195Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 2网络架构图Fig.2Network structure chart图 3组网图Fig.3Networking diagram3.3.45G 网络切片5G 网络切片是指在同一网络基础上，将 5G物理网络划分为多个端到端、虚拟的、隔离的、按需定制的专用逻辑网络，每个虚拟网络具备不同的功能，以满足多种业务需求对不同网络能力的要求3。5G 网络端到端切片涵盖终端、无线网、承载网和核心网，对接模型如图 5 所示。196图 4UPF 下沉架构图Fig.4UPF sinking structure chart图 55G 定制网络具备的切片能力图Fig.5Cutting ability chart of 5G custom network4应用效果分析4.15G+园区数据采集数据采集是实现工业智能化的基本前提，需要实时感知人员、设备、物料、产品的状态，具体数据采集场景包括：1）园区企业生产工序数据采集；2）工艺车辆、AGV、物流周转车、多功能天车和叉车数据采集；3）机械臂及自动化装备状态数据采集；4）人员状态采集；5）主要生产设备的过程控制数据采集；6）物流相关数据采集；7）质量相关数据采集。某企业基于工业互联网平台、5G 应用、人工智能等前沿技术，通过大数据分析，提前能够预判各种异常和设备故障的产生，做好生产安全防护、设备维护和生产决策，并能够完成质量追溯、数字孪生等深层次应用，实现电解槽测量效率提升 40%，工艺参数优化效率提升 55%，单槽铝液质量数据和复样数据输入效率提升 100%。4.25G+园区定位传统工艺技术下，某企业大量应用光网和无线网络组合，面临着扩展不便、设备老化、传输稳定性差等问题，较大程度上制约了实时交互能力的发展。5G 技术的发展为工业信息化、数字化、智能化提供了新的选择4。对于某企业来说，安全生产是企业发展的重要保障，这也是所有企业在生产经营中贯彻的一个重要理念，但传统安全管理是一种以事前提醒培训和事后追责为核心的非智能管理。传统安全管理是通过大量的安全培训来增强员工的责任心，并在危险区域配以警示标示的方式，这种非智能方式缺乏对人的行为的监督，完全把希望寄托在员工自身的主动注意和自觉遵循上，本质上是一种撞运气的管理，并在安全事故发生后进行严格的处罚，但其作用也归属于“增加人们的自觉性”的范畴，即使是大部分时间都能良好运行，但在偶尔注意力不集中或责任心不足的危险行为中，发生了实质性的危险情况，就酿成了重大事故，无法保证本质安全。5G 园区定位包括 5G 安全帽和定位引擎两大张鹏程，等：5G 智能工厂的构建及应用197Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 7定位引擎系统开发Fig.7Positioning engine system development内容，是安全管理领域的重大价值提升，它将传统的安全管理模式，提升到了基于“全程管控、本质安全”的智能模式。4.2.1基于智能安全帽的定位能力研发5G 智能安全帽在保障人员安全的基础上，更加的智能化、多功能一体化。5G 智能安全帽采用了物联网、移动互联网、人工智能、大数据和云计算等前沿技术，让前端现场作业更加智能，让后端管理更加高效，同时实现前端现场作业和后端管理的实时联动、信息的同步传输与存储以及数据的采集与分析。企业作业人员可以用语音或智能手环操控智能安全帽上的无线对讲、电话、录像、拍照、安全防护预警等功能，及时将数据和后台对接，实现后端实时监控现场，并将收集到的实时数据进行有效分析，以提高工作和管理效率，降低企业生产成本。4.2.2定位引擎开发定位引擎对佩戴安全帽的人员进行实时位置显示，并进行实时的语音报警提醒。通过人员管理、电子围栏、声光预警等功能，佩戴智能安全帽的人员靠近危险区域时，定位引擎能及时发现，并在管理系统后台进行报警。监控中心工作人员收到报警后可及时通过 5G 功能向该安全帽喊话，实现对危险行为的制止，更精准更实时的杜绝安全事件发生。“安全是生命之本，违章是事故之源”，定位引擎对安全管理的提升价值重大，通过对员工轨迹的监控，可在发生危险前及时进行制止。某企业在智能安全帽投用 6 个月时间里，制止习惯性违章 13 起，查处并整改安全隐患 36 起，提高全员安全素养。4.35G+智能管理基于数据中心的设备、视频、物流、能源等数据的集成，实现企业数据资产化管理，支撑生产智能化决策分析。设备状态透明化：实时、有效、真实的提供设备运行数据，实现设备的透明化管理，进而达到针对性的保养与预维护，降低设备平均故障率50%以上。生产过程可视化：生产过程产生的数据通过数据中台的指标体系、实时数据分析，以图表、曲线、视频等形式展现，达到生产过程可视化，实现数据准确率 100%。图 6基于智能安全帽的定位能力研发Fig.6Positioning capability development based on smartsafety helmet198（下转第 209 页）图 85G+数字工厂数字孪生平台图Fig.8Digital twin platform diagram of 5G+digital plant企业数据标准化：建立统一的数据标准，提升数据产生的价值，通过决策分析达到辅助业务管理，制定公司发展方向，提升核心竞争能力的目标。主要工序数字化：完成了生产工序数字化改造，通过基础模型研究、运用 APP 终端管控，实现基础数据和信息共享助力企业实现智能化发展目标，“A+B”类槽占比提高 65%以上。核心管理智能化：完成生产、设备、能源、物流、安全、成本智能管理系统，通过数据中台对企业核心数据进行（收集、存储、加工、治理等），反映企业业运行状况，辅助企业决策，促进企业实现规划目标，提高管理效率与质量5。4.45G+数字孪生应用5G+数字工厂数字孪生平台主要分为四大部分：数据采集层、云网支撑层、数据中心层、应用服务层6。通过数字孪生集成了企业生产全过程的模型，这些模型与实际的组态软件、空间定位系统、工业自动化系统、生产管理系统、三维可视化系统进行无缝的集成和同步，从而能够在这个数字化平台上看到实际物理生产情况7。数据采集层：淤建立数据采集中心，对大量工厂设备进行连接和管理，基于工业通讯协议，向上层数据中心提供可靠的数据传输服务，保证现场数据的安全与稳定；于利用三维重建技术对物理工厂进行空间数据采集形成工厂动态信息模型。云网支撑层：通过 5G+MEC 的基础网络支撑，为数字孪生透明工厂提供高带宽，低时延，广连接的网络和应用端的边缘计算能力，确保透明工厂的海量数据能得到实时映射。孪生服务平台：孪生服务平台将数据和孪生体进行空间映射，实现对现场设备状态、生产数据的监控与管理，并支持对采集的数据进行计算、分析、统计，为上层三维可视化层提供了基础的数据分析处理，实现生产数据驱动虚拟平台进行联动8。应用层：采用数字孪生场景实现工厂模型信息空间化为用户提供虚拟场景设计、运行态势可视化、运维、管理、等一系列创新性高级应用服务，实现化实为虚，以虚控实，生产联动、设备告警、运维检修等多方面的业务及可视化功能。客户端所有的数据获取和操作均通过标准接口与系统进行交互，从而实现客户端新功能的快速开发9。在客户端的技术设计中，项目充分考虑了用户体验的流畅性和系统的扩展性，在系统框架选择、缓存策略、网络数据请求、线程处理、大数据张鹏程，等：5G 智能工厂的构建及应用199可视化渲染引擎等技术方案上都做相应优化。5结 语某企业围绕打造智能工厂目标，通过 5G、大数据等技术，开启了 5G+智慧云规模化应用，落地了 5G 电解车间、5G 铸造车间、5G 阳极组装车间、5G 辅助车间、5G 合金车间等规模化场景，实现电解槽测量效率提升 40%，工艺参数优化效率提升 55%，实现数据准确率 100%，降低设备平均故障率50%以上，“A+B”类槽占比提高 65%以上。参考文献：1 国务院.关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见R.2017-11-27.2 邬贺铨.5G 将扩大到产业互联网和社会应用N.中国信息化周报，2018-01-08.3 张长青.浅析 5G 技术对工业互联网应用的影响J.邮电设计技术，2017（6）：41-46.4 张云勇.5G 将全面使能工业互联网J.电信科学，2019（1）：1-8.5 中国电信 5G 技术白皮书Z.中国电信，2018-06-26.6 中国电信 5G 混合专网增强架构白皮书Z.中国电信，2022-06-22.7 员巧云，程刚.近年来我国数据挖掘研究综述J.情报学报，2005（4）：250-256.8 周济.智能制造“中国制造 2025”的主攻方向J.中国机械工程，2015（17）：2273-2284.9 傅建中.智能制造装备的发展现状与趋势J.机电工程，2014（8）：959-962.（上接第 199 页）化剂使用量；4）提高浇注速度和型砂的透气性；5）根据产品尺寸及工艺设计，合理加入混合保护渣，保护渣提前预热；6）离心机停机要选择在工作层金属结晶平台温度以下 10耀20 益范围内；7）芯部铁水浇注温度控制在 1 385耀1 410 益范围；8）减少离心机停机到芯部铁液浇注的时间间隔，配箱时间控制在 3 min 以内。参考文献：1 张智，杨波.高端离心铸造热轧板带工作辊开发和制造技术J.铸造技术，2023，44（2）：122-131.2 陈守东，王银.离心和重力铸造复合高速钢轧辊充型及凝固数值模拟J.铸造，2022，71（6）：771-778.3 杨智强，起华荣，郭红星，等.高碳高速钢离心复合轧辊铸造缺陷形成及预防工艺研究J.铸造技术，2018，39（4）：848-850.4 强少光.昆钢棒线高硼高速钢离心复合轧辊的研制及生产质量控制D.昆明：昆明理工大学，2015.5 林松波.铸件的缺陷和防止方法M.北京：机械工业出版社，1986.6 杨智强，吕潍威，苏晨，等.准480 伊 900 mm 高镍铬离心复合轧辊熔合不良的成因及控制 J.铸造技术，2021，42（4）：283-286.7 王磊，邓军伟，戴学忠，等.QT900-5 球墨铸铁曲轴缺陷分析J.冶金分析，2023，43（11）：62-69.8 肖连华，曹瑞荣.球墨铸铁轧辊的生产工艺J.现代铸铁，2022，42（6）：8-10，25.杨智强，等：中镍无限冷硬球墨铸铁轧辊辊颈缺陷原因分析及应用209