操作室合并中5G技术的研究与应用.pdf

2024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER操作室合并中5G技术的研究与应用陈功，黄仲权（宝钢湛江钢铁有限公司，广东湛江 524000）【摘要】操作室集中是宝武集团在智慧制造领域的重点工作，近年来，随着一大批项目的落地取得了显著成效，操作室的集中化程度愈来愈高，许多操作室存在着多次合并，带来重复性投资的弊端。在此背景下，提出了一种基于5G技术的操作室合并思路，在实际运用中有效地减少了后续重复性投资，获得了较好效果。【关键词】操作室合并；5G技术；PLC控制；系统时延【中图分类号】TN9 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）02-0076-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Research and Application of 5G Technology in Operation Room ConsolidationCHEN Gong,HUANG Zhongquan(Baosteel Zhanjiang Iron and Steel Co.,Ltd.,Zhanjiang,Guangdong 524000,China)【Abstract】The centralization of operation rooms bas been a key task of Baowu Group in the field of intelligent manufacturing.In recent years,with the landing of a large number of projects that achieve significant results,the centralization degree of the operation rooms is bound to get higher and higher,and many operation rooms have the disadvantage of multiple mergers,which brings duplicative investment.In this context,an idea of operation room consolidation based on 5G technology is proposed,which effectively reduces the subsequent repetitive investment in practical application and obtains better results.【Keywords】operation room consolidation;5G technology;PLC control;system latency引言近年来，宝武集团智慧制造工作全面加速推进。随着一大批智慧制造项目的落地，操作室集中化水平、自动化水平均得到大幅度提升，在公司劳动效率、成本优化等方面取得了显著的成效。但在推进操作室集中过程中，考虑到工业控制技术仍在日新月异地快速迭代，已集中的操作室在不久的将来还会面临着新一轮的合并，进而带来重复性投资，这个问题已愈来愈受到大家的关注与思考1-3。可以肯定的是，操作室的合并集中一定是基于当前工业控制水平的一个循序渐进的过程，是不可能做到一蹴而就的。这样，问题的研究主要就集中在了一种便于施工且可重复整合的操作室集中方案上。而5G技术中大连接、大带宽、低时延的技术特点为我们提供了一种全新思路，既然依托5G可以研发出各种可移动的设备终端，那么以此为基础，再进一步，依托 5G 打造一个全新的“可移动操作室”，理论上也应是可行的4。这样，当工业控制技术提升至操作室需做进一步的合并时，就可通过简单的设备搬迁实现操作室集中，从而节省重新布线等施工工作。为此，本文对操作室合并中5G技术的应用展开分析研究，形成一套基于 5G技术的操作室合并方案，该方案已应用在湛江钢铁4200厚板热处理操作室合并项目中，目前跟踪下来取得了较好效果。1 项目概述厚板热处理区域主要用于对钢板的热处理加工，其具体工艺示意图见图1。需热处理的钢板由1#剪切跨通过电动平车或者中转跨的辊道输送至热处理区，经抛丸、翻板检查后，根据交货期、处理工艺、钢板规格和处理量等条件进行组批热处理。其主要设备包括1座氮气保护无氧化辊底式炉、辊式淬火机以及明火加热辊底式热处理回火炉。由图1可见，受限于之前的工业控制技术，原操作室 15CS与 16CS紧靠着 2座加热炉，属于典型的就近设备布置模式。操作室与加热炉相对位置见图2，根据安全管理要求，加热炉等燃烧器旁20 m范围内属于煤气危险区域。由于存在安全隐患，所以15CS和16CS需要进行搬迁整合。经研究，合并后的新操作室选址并扩建于剪切线冷床四合一操作室，位置距原操作室直线距离约500 m，基于5G技术进行操作室整合。2 技术方案本方案旨在打造基于5G的“可移动操作室”，以此为目的，对操作室中传统的“落地”类设备进行梳理。“落地”类设备主要可归纳为现场监控视频系统和操作台控制系统。（1）现场监控视频系统：现场共计43套高清网络摄像机的图像回传。（2）操作台控制系统：涉及热处理线的4套PLC控制系统（1#加热炉控制系统、淬火机 PLC控制系统、2#加热炉控制系统、加热炉冷床PLC控制系统）的操作台，共计约400个I/O控制点。方案主要就如何实现这两类设备“可移动化”的技术路径展开论述。2.1 5G基础湛江钢铁于2020年6月正式启用5G独立核心专网，为厂内5G应用场景的实施打下牢固基础，湛江钢铁内网与 5G 专网融合网络拓扑图如图 3所示。图1 热处理工艺示意图图2 操作室与加热炉相对位置图3 湛江钢铁内网与5G专网融合网络拓扑图762024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER护无氧化辊底式炉、辊式淬火机以及明火加热辊底式热处理回火炉。由图1可见，受限于之前的工业控制技术，原操作室 15CS与 16CS紧靠着 2座加热炉，属于典型的就近设备布置模式。操作室与加热炉相对位置见图2，根据安全管理要求，加热炉等燃烧器旁20 m范围内属于煤气危险区域。由于存在安全隐患，所以15CS和16CS需要进行搬迁整合。经研究，合并后的新操作室选址并扩建于剪切线冷床四合一操作室，位置距原操作室直线距离约500 m，基于5G技术进行操作室整合。2 技术方案本方案旨在打造基于5G的“可移动操作室”，以此为目的，对操作室中传统的“落地”类设备进行梳理。“落地”类设备主要可归纳为现场监控视频系统和操作台控制系统。（1）现场监控视频系统：现场共计43套高清网络摄像机的图像回传。（2）操作台控制系统：涉及热处理线的4套PLC控制系统（1#加热炉控制系统、淬火机 PLC控制系统、2#加热炉控制系统、加热炉冷床PLC控制系统）的操作台，共计约400个I/O控制点。方案主要就如何实现这两类设备“可移动化”的技术路径展开论述。2.1 5G基础湛江钢铁于2020年6月正式启用5G独立核心专网，为厂内5G应用场景的实施打下牢固基础，湛江钢铁内网与 5G 专网融合网络拓扑图如图 3所示。图1 热处理工艺示意图图2 操作室与加热炉相对位置图3 湛江钢铁内网与5G专网融合网络拓扑图772024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER5G专网的启用，不仅实现了湛江钢铁厂内专网的自主独立运营和全权管控，更重要的是厂内数据不出厂，保证了信息安全。在此基础上，厂区内网（信息主干网和生产控制网）与5G专网进行全面融合，实现全厂信息的自由融合。另一方面，对厚板热处理区域的5G信号覆盖也重新做了规划。项目实施区域集中在4200厚板热处理区，主要由厚板厂水塔和厚板厂食堂两个站点进行信号覆盖。经测试，现场整体信号覆盖良好，电平值在-95 dBm以上。使用单台5G终端测试，厂房东侧的上传速率在60 Mbit/s以上，厂房中间上传速率在3050 Mbit/s，基本满足项目需求。2.2 技术路径项目围绕着解决现场监控视频系统和操作台控制系统的“可移动化”而展开，其总体技术路径图见图4。（1）现场监控视频系统5G Core，也被称为5G核心网（5GC），是5G移动网络的核心部分，主要职责是为最终用户建立安全可靠的网络连接，并提供访问其服务的能力，而现场监控视频系统主要通过部署高清摄像头+5G网络的方式实现。相邻的数个摄像头（23个）通过网线方式连接至共有的5G CPE，再通过5G专网将视频实时回传至新操作室的视频物联管理平台，经过视频融合系统将画面进行拼接融合，输出在LCD拼接大屏上。视频物联管理平台按照 公共安全视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求（GB/T 281812022），通过ONVIF协议接入IPC、DVR、NVR等前端设备，并实现视频媒体的接入、转发和存储（包含7天的视频存储）。支持RTMP协议的视频推流，可以将单路摄像头的画面推送到视频融合平台进行处理，在软操作台或移动APP界面上呈现。（2）操作台控制系统热处理线PLC系统主要以西门子S7-400系列产品为主，原操作台控制系统通过工业DP总线，以主/从方式进行部署。操作台下包含了供电电缆、信号电缆和通信电缆等各式电缆，这是造成操作台无法随意移动的直接原因。为使操作台真正实现“可移动化”，除保留必要的供电电缆（改为插头供电方式）外，其余各类信号电缆、通信电缆均改为5G方式。在电气室的PLC网络交换机上增加4对以主备模式工作的PLC网关，该网关实现PLC和TCP协议转换，将控制数据流发送至软控制台服务器，移动终端软件与PLC的通讯通过5G CPE接入5G专网，无需额外布线。其中需要说明的是，PLC网关是根据PLC控制器提供的I/O点表信息进行配置，并根据I/O点表从PLC控制器采集相应数据，然后将相应数据通过5G网络通道发送到远程服务器端。整个过程对PLC程序的改动小，仅需新增及定义5G部分的DB接口块，并做类似控制信号选择的软件适应性改造。2.3 5G数据路由5G介入实际生产后的控制时延是项目需解决的核心问题。在实际生产运行中，用户往往更加关心的是系统的双向控制时延，而不是无线通信行业中所定义的空口时延。为此，除了无线端的时延，整个数据路由的设计还需结合现场，尽可能减少有线传输节点5。湛江钢铁利用已在生产运行中心建成的整套5GC下沉独立核心网作为5G业务数据与钢厂内部数据的交互中心。在厚板厂新操作室一楼设备机房（电控室）部署5G应用服务器，通过宝钢骨干网专线实现5G端到端的通信链路。基于5G的数据通信链路如图5所示。1-5G应用服务器；2-视频物联管理平台；3-视频融合系统；4-LCD拼接大屏；5-软操作台服务器；6-PLC网关；7-风冷摄像机图4 总体技术路径图782024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER出于安全性考虑，在厚板厂7ER电气室的PLC网关配套交换机与厚板厂热处理新操作室设备机房（一楼电控室）的5G应用服务器配套交换机之间新增1根光纤有线链路，作为5G链路的备份，用于PLC 软控制台服务器端与 PLC 网关之间的应急通信。3 实用效果该项目于2021年9月份投用后，整个热处理新搬迁操作室基本实现基于5G技术的“可移动化”，经实际测试，使用5G技术的双向控制延时在50 ms左右，满足现场实际使用，为后续的操作室合并提供了很好的实践案例，具有较好的推广应用价值。参 考 文 献 1 杜加懂.5G与工业互联网融合应用的思考 J.信息通信技术与政策，2019（11）：45-47.2 刘丹，魏剑嵬，赵艳领，等.从需求和要求两角度分析5G工业应用 J.自动化仪表，2020，41（10）：1-6.3 荀志伟，李维汉，贾捷，等.5G+工业互联网在钢铁行业的应用研究 J.邮电设计技术，2021（7）：73-77.4 杨志伟，尹静，麦彬承.新技术对PLC技术创新及产业发展的影响研究 J.互联网天地，2019（12）：28-33.5 赵国瑞.煤矿智能开采初级阶段问题分析与 5G应用关键技术J.煤炭科学技术，2020，48（7）：161-167.收稿日期：2023-12-05作者简介：陈功（1990-），男，硕士研究生，工程师，现从事电气技术工作。图5 基于5G的数据通信链路图79