5G通信在冶金控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維中的應(yīng)用實(shí)踐

解 強(qiáng)，卿樹明

（酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

1 引言

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，各類工業(yè)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為決定企業(yè)生產(chǎn)自動化程度的關(guān)鍵因素。控制系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行直接制約著企業(yè)的生產(chǎn)組織。因此快速診斷、響應(yīng)和處理生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常操作、設(shè)備故障也成為自動化控制系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)人員面臨的難題。互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷，結(jié)合遠(yuǎn)程運(yùn)維的運(yùn)維技術(shù)在工業(yè)設(shè)備運(yùn)維中的應(yīng)用正在逐步加快和推廣，越來越多的企業(yè)希望能夠?qū)Ψ稚⒃诟魈幍脑O(shè)備進(jìn)行集中遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)，對分散在各區(qū)域設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)和故障進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和處理。與基于4G的遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)相比，5G通信具有更低時延，更大帶寬和更高可靠性，能夠滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維響應(yīng)低時延、大數(shù)據(jù)的要求。研究應(yīng)用5G技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維與控制，成為5G通信技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的一個重要發(fā)展方向。

2 5G通信技術(shù)的優(yōu)勢

5G通信技術(shù)作為當(dāng)前世界上最先進(jìn)的一種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，相比于目前被普遍應(yīng)用的4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其在傳輸速度有著非常明顯的優(yōu)勢，可以提供更高的速率、更低的時延[1]、更多的連接數(shù)、更快的移動速率、更可靠的安全性以及更靈活的業(yè)務(wù)部署能力，其低時延更符合遠(yuǎn)程運(yùn)維的低延時需求。5G通信技術(shù)的通信速度是4G技術(shù)的近20倍，為高速度的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)時代打下了基礎(chǔ)，使“萬物互聯(lián)”成為可能。5G通信技術(shù)與4G通信技術(shù)相比，具有圖1所示優(yōu)勢。

圖1 5G與4G關(guān)鍵能力對比圖

5G通信技術(shù)還兼具了無線網(wǎng)絡(luò)的靈活性、有線網(wǎng)絡(luò)高帶寬和多終端接入特點(diǎn)的。與Wi-Fi相比傳輸速度更高、更穩(wěn)定、延時更低，支持同時接入的設(shè)備更多；與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比部署靈活性更高，設(shè)備設(shè)施安裝施工更方便，尤其是在有線網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)沒有安全路由的復(fù)雜工礦環(huán)境、遠(yuǎn)距離傳輸情況下，采用5G通信與有線網(wǎng)絡(luò)相比上述優(yōu)勢將更加突顯。

3 5G對鋼鐵企業(yè)的支持

隨著各種先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，鋼鐵行業(yè)已經(jīng)擺脫傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，逐步向信息化、智能化、自動化轉(zhuǎn)型升級。隨著5G、AI（Artificial Intelligence）、云等技術(shù)融合時代的到來，5G+智能點(diǎn)檢、5G+智慧天車、5G+智能機(jī)器人、5G+AR（Augmented Reality）[1]遠(yuǎn)程裝配等一項(xiàng)項(xiàng)5G應(yīng)用開始應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)。由于5G通信低時延，大帶寬，高安全性的特點(diǎn)，使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程、無人操控，遠(yuǎn)程運(yùn)維[1-4]的鋼鐵工業(yè)應(yīng)用場景變得越來越廣泛。一方面在工廠內(nèi)布置5G網(wǎng)絡(luò)，用于設(shè)備數(shù)據(jù)通信，大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸，便于機(jī)床、機(jī)器人、AGV（Automated Guided Vehicle）等接入工廠網(wǎng)絡(luò)，可靈活應(yīng)用于工廠設(shè)備數(shù)據(jù)采集、AGV通信和控制、大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸及云+邊分析，可有效促進(jìn)高清視頻監(jiān)控、機(jī)器視覺質(zhì)檢、AGV視覺導(dǎo)航的應(yīng)用。另一方面通過5G廣域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程遙控、遠(yuǎn)程運(yùn)維和大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸。對于生產(chǎn)工況危險、作業(yè)場所偏遠(yuǎn)、作業(yè)環(huán)境危險、職業(yè)健康危害大等工業(yè)場所，可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人、移動車輛、設(shè)備的遠(yuǎn)程操控、遠(yuǎn)程巡檢、數(shù)據(jù)采集分析等。

4 5G通信在酒鋼控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維中的應(yīng)用實(shí)踐

4.1 實(shí)施遠(yuǎn)程運(yùn)維的必要性

酒鋼宏興鋼鐵股份有限公司擁有羅克韋爾、西門子、施耐德等各類工業(yè)控制系統(tǒng)總計(jì)1 000余套，系統(tǒng)相對分散、獨(dú)立，幾乎遍布酒鋼本部廠區(qū)內(nèi)約10 km2的各個角落。對控制系統(tǒng)的點(diǎn)檢維護(hù)長期以來采用的是人工到現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)維護(hù)、點(diǎn)檢（巡檢）的傳統(tǒng)管理方式，點(diǎn)（巡）檢維護(hù)作業(yè)效率低下。一方面點(diǎn)檢維護(hù)技術(shù)人員在路途往返時間過長，占作業(yè)時間比重超過70%，造成大量人力資源浪費(fèi)；另一方面，當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)操作、設(shè)備異常需要處理時，也因路途時間長的原因造成維護(hù)人員不能在最短時間內(nèi)實(shí)施維護(hù)響應(yīng)，耽誤了故障處理的最佳時機(jī)，甚至出現(xiàn)到達(dá)現(xiàn)場后，檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)硬件故障，需要再次返回班組庫房取備件，進(jìn)一步延誤故障處理的情況。對生產(chǎn)造成影響較大，故障響應(yīng)維護(hù)效率低下，有時也因延誤故障處理時間導(dǎo)致事故損失增大。通過實(shí)施控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維，既能提高控制系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)維保障能力和控制系統(tǒng)日常點(diǎn)（巡）檢效率實(shí)效，又能降低日常報修維護(hù)作業(yè)安全風(fēng)險。因此采用信息技術(shù)手段提高維檢效率成為公司迫切需要解決的問題。

4.2 實(shí)施遠(yuǎn)程運(yùn)維的可行性

股份公司本部廠區(qū)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，具備了實(shí)施5G遠(yuǎn)程運(yùn)維的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施條件。同時，利用5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對PLC（Programmable Logic Controller）系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問技術(shù)在酒鋼西溝礦礦卡遠(yuǎn)程操控中也有了成功的案例借鑒；酒鋼基于PLC的設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)在股份公司各生產(chǎn)主線的自動化控制系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對控制系統(tǒng)電源、環(huán)境溫度、通信狀態(tài)、PLC設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控與異常報警檢測，具備了實(shí)施遠(yuǎn)程運(yùn)維的技術(shù)條件。此外，股份公司還擁有一支相對穩(wěn)定的自動化專業(yè)維檢技術(shù)隊(duì)伍，具備自主實(shí)施控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)研究、搭建遠(yuǎn)程運(yùn)維網(wǎng)絡(luò)平臺的專業(yè)技術(shù)力量。

采用5G技術(shù)搭建遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺，可有效解決光纜敷設(shè)路由復(fù)雜、線路長、費(fèi)用高、安全風(fēng)險大、后期維護(hù)變更困難等多種缺陷，能夠有效降低項(xiàng)目實(shí)施安全風(fēng)險、費(fèi)用、工期和難度，項(xiàng)目實(shí)施中不會破壞環(huán)境、造成環(huán)境污染，采用5G技術(shù)搭建遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺的方案可行。

4.3 實(shí)施方案

采用5G通信技術(shù)，利用運(yùn)營商提供的5G基站，結(jié)合帶有5G通信模組和內(nèi)置各種品牌PLC協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控視像機(jī)以及其他網(wǎng)絡(luò)硬件等設(shè)備，采用成熟的APN（Access Point Name）專網(wǎng)接入方式，在自動化檢修作業(yè)區(qū)一樓高級過程控制工程技術(shù)中心搭建股份公司自動化控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺（中心）。通過該平臺，可實(shí)現(xiàn)對股份公司下屬二級單位運(yùn)輸部、儲運(yùn)部、選礦廠、焦化廠、煉鐵廠、碳鋼薄板廠、煉軋廠、動力廠等8個生產(chǎn)廠礦自動化控制系統(tǒng)的日常點(diǎn)（巡）檢、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與遠(yuǎn)程運(yùn)維。對崗位異常操作、電氣設(shè)備聯(lián)鎖信號異常導(dǎo)致的生產(chǎn)設(shè)備無法操作故障進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷處理，對控制系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程點(diǎn)（巡）檢，對控制系統(tǒng)硬件故障、異常狀態(tài)信號進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4.4 實(shí)施步驟

（1）在自動化控制檢修作業(yè)區(qū)一樓高級過程控制工程技術(shù)中心安裝遠(yuǎn)程運(yùn)維終端設(shè)備和視屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，搭建控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維中心。再通過采用支持5G通信的內(nèi)置各種品牌PLC協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)關(guān)，將遠(yuǎn)程運(yùn)維中心運(yùn)維端PC與5G網(wǎng)絡(luò)相連，經(jīng)5G通信網(wǎng)絡(luò)建立與各二級生產(chǎn)廠礦的PLC系統(tǒng)（或工程師站）的通信鏈接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對PLC系統(tǒng)中各設(shè)備狀態(tài)的采集、監(jiān)控，以及在線訪問控制程序?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行聯(lián)鎖條件的檢查、監(jiān)控和確認(rèn)。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)異常、故障時，通過遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺終端連接到專用運(yùn)維5G網(wǎng)絡(luò)，就可以隨時訪問末端的PLC系統(tǒng)，查看、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、聯(lián)鎖信號，分析故障原因，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)軟故障的遠(yuǎn)程運(yùn)維處理，指導(dǎo)生產(chǎn)人員糾正錯誤操作和電氣維護(hù)人員及時排除現(xiàn)場設(shè)備、線路故障，快速恢復(fù)生產(chǎn)。

（2）在數(shù)據(jù)傳輸與處理時，工業(yè)網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包壓縮、加密，采用非透明傳輸?shù)哪Ｊ?，減小數(shù)據(jù)傳輸流量，并增加網(wǎng)絡(luò)握手協(xié)議和數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，從而保證傳輸數(shù)據(jù)的安全和可靠性。同時結(jié)合5G通信低延時的特性，可有效滿足控制系統(tǒng)即時故障運(yùn)維監(jiān)控與處理的及時性、可靠性需求。

（3）對PLC系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)自診斷技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究、應(yīng)用和完善。利用遠(yuǎn)程運(yùn)維訪問技術(shù)，通過PLC自診斷技術(shù)和視頻分析實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)軟硬件故障、關(guān)鍵聯(lián)鎖信號的遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷，發(fā)送異常報警信息或設(shè)備故障報警信號，指導(dǎo)維護(hù)技術(shù)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，或在必須實(shí)施現(xiàn)場故障處理響應(yīng)時能夠提前選擇好、攜帶好運(yùn)維所需的工器具和備件材料，避免到達(dá)現(xiàn)場診斷后再去取備件材料，延誤故障處理時間，造成不必要的生產(chǎn)設(shè)備損失。

（4）利用5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)[5]，將整個運(yùn)維系統(tǒng)中的相關(guān)控制系統(tǒng)根據(jù)儲運(yùn)、焦化、選礦、燒結(jié)、煉鐵、碳鋼、煉軋、動力等不同生產(chǎn)工序，對運(yùn)維系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)資源和功能進(jìn)行劃分，形成了不同的網(wǎng)絡(luò)切片，提供可靠的隔離邏輯網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)廠礦、工序間控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的有效安全隔離，確保各工序控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)訪問安全。

（5）采用APN專網(wǎng)接入方式對終端數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，通過一條專線將遠(yuǎn)程運(yùn)維中心設(shè)備接入運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有IP地址進(jìn)行廣域連接，在遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺核心網(wǎng)與移動公司互聯(lián)路由器之間采用隧道技術(shù)，同時采用端到端加密，進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全性和數(shù)據(jù)響應(yīng)及時性。

（6）在PLC、DCS（Distributed Control System）控制柜內(nèi)安裝具備紅外夜視功能的短距離高清監(jiān)控?cái)z像頭，通過攝像頭對設(shè)備狀態(tài)指示燈進(jìn)行監(jiān)控、檢查確認(rèn)，便于維護(hù)技術(shù)人員實(shí)施日常對設(shè)備狀態(tài)的點(diǎn)巡檢。運(yùn)維中心監(jiān)控系統(tǒng)顯示屏采用拼接系統(tǒng)，可同時對攝像頭和PLC采集數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，通過專用設(shè)備進(jìn)行切換，當(dāng)顯示PLC顯示數(shù)據(jù)時，拼接屏顯示內(nèi)容和控制臺內(nèi)容一致。當(dāng)切換至顯示攝像頭內(nèi)容時，可同時顯示4或者9路PLC設(shè)備狀態(tài)視頻信號。

（7）遠(yuǎn)程運(yùn)維端PC訪問末端PLC根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)局域網(wǎng)設(shè)置和控制系統(tǒng)分布特點(diǎn)，一般采用以下2種接入方式：一種是運(yùn)維端PC通過5G網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對點(diǎn)直接訪問末端PLC系統(tǒng)，其訪問路由為遠(yuǎn)程運(yùn)維PC→客戶前置設(shè)備（CPE）→5G網(wǎng)絡(luò)→工業(yè)網(wǎng)關(guān)→PLC；另一種是運(yùn)維端PC通過5G網(wǎng)絡(luò)訪問現(xiàn)場的工程師站，再由工程師站通過生產(chǎn)現(xiàn)場的工業(yè)局域網(wǎng)訪問各PLC控制系統(tǒng)，這種訪問方式的訪問路由是遠(yuǎn)程運(yùn)維PC→客戶前置設(shè)備（CPE）→5G網(wǎng)絡(luò)→工業(yè)網(wǎng)關(guān)→工程師站（操作站）→工控局域網(wǎng)絡(luò)→各PLC。

（8）施工安裝方式：設(shè)備到貨后，首先搭建運(yùn)維中心控制系統(tǒng)運(yùn)維平臺，再根據(jù)各二級生產(chǎn)廠礦檢修停機(jī)時間、自動化系統(tǒng)分布特點(diǎn)采用分階段、分系統(tǒng)逐步安裝末端5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)施的方式，逐步系統(tǒng)引入遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺進(jìn)行功能測試、調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)備安裝施工調(diào)試過程中不會影響原控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，便于遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)的分步實(shí)施。

4.5 方案的優(yōu)勢

采用5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)診斷、監(jiān)控以及對常見生產(chǎn)異常操作、聯(lián)鎖信號異常等軟故障的遠(yuǎn)程診斷、處理與技術(shù)服務(wù)，可以有效避免因時延問題帶來的安全風(fēng)險和響應(yīng)及時性差的弊端。而且施工安裝方便、靈活，可有效規(guī)避有線網(wǎng)絡(luò)施工涉及的高處作業(yè)、土建施工、危險區(qū)域施工等帶來的施工難度大、安全風(fēng)險高、施工費(fèi)用昂貴等不利因素。同樣，由于安裝方面，在遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)投用后可以根據(jù)實(shí)際需求變化靈活調(diào)整、增加運(yùn)維系統(tǒng)末端設(shè)備的數(shù)量和調(diào)整安裝位置，方便系統(tǒng)的后期維護(hù)和調(diào)整。在系統(tǒng)部署實(shí)施過程中不需要PLC系統(tǒng)停機(jī)，不會影響到原控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對公司生產(chǎn)沒有沖擊、影響，可以分步部署、分步實(shí)施。系統(tǒng)具有良好的兼容性、開放性、系統(tǒng)擴(kuò)展性，可靈活應(yīng)用于各種生產(chǎn)場景。

4.6 實(shí)施效果

項(xiàng)目實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)了對股份公司關(guān)鍵控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問與運(yùn)維。減少了控制系統(tǒng)日常巡檢技術(shù)人員4人，有效節(jié)約人工成本約60萬元/年。同時，通過遠(yuǎn)程運(yùn)維，使公司自動化控制系統(tǒng)日常故障報修處理時間縮短了近70%，減少了系統(tǒng)故障對生產(chǎn)的影響程度和事故損失。日常報修85%以上的故障實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程運(yùn)維處理，減少了維護(hù)技術(shù)人員現(xiàn)場故障響應(yīng)頻次，有效降低了運(yùn)維人員到復(fù)雜作業(yè)環(huán)境進(jìn)行故障處理的頻次和安全風(fēng)險。

5 結(jié)束語

隨著5G通信工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各種基于5G通信技術(shù)的智能設(shè)備研發(fā)投用，“萬物互聯(lián)”“無人駕駛”不再是一種設(shè)想，基于5G通信的無人工廠、黑燈工廠時代即將來臨。通過5G通信實(shí)施遠(yuǎn)程操控、遠(yuǎn)程巡檢和檢測、遠(yuǎn)程運(yùn)維、視覺檢測的工業(yè)應(yīng)用場景將越來越廣泛。