5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用探索
——以中天鋼鐵集團(tuán)5G數(shù)字工廠為例

趙曉偉

（中國(guó)電信股份有限公司常州分公司，江蘇 常州213000）

2020年國(guó)家對(duì)新基建的重視程度顯著提升，中央會(huì)議也明確強(qiáng)調(diào)加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。作為基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)商，中國(guó)電信常州分公司，一方面加快5G基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)；另一方面基于5G網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展應(yīng)用場(chǎng)景的探索和嘗試。本文以中天鋼鐵集團(tuán)運(yùn)用5G技術(shù)，變革生產(chǎn)過(guò)程、提升企業(yè)信息化為例展開(kāi)探討，同時(shí)可以為其他鋼鐵企業(yè)提供一些有益的借鑒。

1 5 G新技術(shù)的特點(diǎn)

5G技術(shù)有大帶寬、廣鏈接、低時(shí)延三大特點(diǎn)。

1.1 eMBB：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)

5G網(wǎng)絡(luò)的速率單基站可以達(dá)到10Gbps，是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍。單用戶(hù)可達(dá)到1.35Gbps。5G網(wǎng)絡(luò)充分利用高頻頻譜資源，5G的單載波頻譜從原先4G LTE的20MHz提升到了100MHz，同時(shí)利用高頻使單位面積的天線陣子數(shù)成倍增加，進(jìn)而使5G帶來(lái)超高的速率。5G eMBB特性可以滿(mǎn)足高清視頻直播、高清視頻會(huì)議、VR/AR等大帶寬速率業(yè)務(wù)的需求。

1.2 mMTC：海量的物聯(lián)網(wǎng)連接

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代萬(wàn)物互聯(lián)，海量通信顯得異常重要。物聯(lián)網(wǎng)海量通信的核心是提供大規(guī)模的連接，5G mMTC不僅要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，滿(mǎn)足100萬(wàn)連接/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、共享單車(chē)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.3 URLLC：低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)

5G URLLC具有高可靠性、低延遲和高可用性的特點(diǎn)。被業(yè)界認(rèn)為可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用和控制、交通安全和控制、遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程培訓(xùn)、遠(yuǎn)程手術(shù)等場(chǎng)景應(yīng)用中，同時(shí)URLLC在無(wú)人駕駛領(lǐng)域具有巨大的潛力。5G的時(shí)延降低到了10ms，最低可以達(dá)到1ms。用戶(hù)面時(shí)延1ms內(nèi)，一次傳送32字節(jié)包的可靠性為99.999%。如果時(shí)延允許，5G URLLC還可以采用重傳機(jī)制，進(jìn)一步提高成功率。

2 中天鋼鐵集團(tuán)5 G數(shù)字工廠建設(shè)項(xiàng)目

中天鋼鐵集團(tuán)有限公司位于江蘇省常州市，成立于2001年9月，歷經(jīng)近二十年跨越發(fā)展，已成為年產(chǎn)鋼1300萬(wàn)噸、營(yíng)業(yè)收入超1400億元，已連續(xù)十六年榮列中國(guó)企業(yè)500強(qiáng)，榮獲“第六屆中國(guó)工業(yè)大獎(jiǎng)”。

2.1 項(xiàng)目的總體規(guī)劃

圍繞中天鋼鐵集團(tuán)進(jìn)行智慧升級(jí)和5G賦能，建設(shè)中天鋼鐵集團(tuán)內(nèi)部基于5G專(zhuān)網(wǎng)的核心服務(wù)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和5G等新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、工業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)軟件化與模塊化、工業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)與運(yùn)行，從而支撐生產(chǎn)智能決策、業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育。

2.2 項(xiàng)目的具體實(shí)施

該項(xiàng)目是在中天鋼鐵集團(tuán)第三煉鋼廠內(nèi)部建設(shè)，構(gòu)建面向特定行業(yè)的企業(yè)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供具有中天特色的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，以信息化手段推進(jìn)中天從制造向智造轉(zhuǎn)變，構(gòu)建符合中天鋼鐵集團(tuán)實(shí)際的5G+智慧鋼鐵未來(lái)工廠規(guī)劃。項(xiàng)目實(shí)施的主要應(yīng)用場(chǎng)景有。

2.2.1 5G專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)部署

建立中天鋼鐵集團(tuán)有限公司5G專(zhuān)網(wǎng)設(shè)置核心服務(wù)器，服務(wù)全廠現(xiàn)有及未來(lái)發(fā)展的5G應(yīng)用平臺(tái)。在三煉鋼現(xiàn)場(chǎng)部署25臺(tái)5G室內(nèi)基站，精確覆蓋加料跨、精煉跨和廢鋼跨，服務(wù)于高清視頻傳輸、紅外監(jiān)控、集中控制和高精度定位等應(yīng)用需求。通過(guò)在用戶(hù)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行5G核心設(shè)備的整體部署，實(shí)現(xiàn)5G數(shù)據(jù)流在園區(qū)內(nèi)的閉環(huán)管理，真正做到數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

2．2．2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

針對(duì)中壓35KV中高壓配電室溫度的采集滿(mǎn)足有序、實(shí)時(shí)，在線對(duì)相關(guān)測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量，采用無(wú)線無(wú)源的方式，同時(shí)不受采集數(shù)量的限制最多可以布放五十個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)，在配電設(shè)備的有限空間內(nèi)解決發(fā)熱隱患采集的全面性，不破壞現(xiàn)有供電配電的完整性，安裝方便性。通過(guò)加裝溫度采集模塊，在線對(duì)相關(guān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，并采用5G專(zhuān)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。本方案能方便巡檢人員實(shí)時(shí)獲取機(jī)房溫度和空調(diào)送風(fēng)溫度，提升運(yùn)維能力和效率。

2．2．3 5G+行車(chē)遠(yuǎn)程操控

在煉鋼車(chē)間，高溫、粉塵、噪聲工作環(huán)境會(huì)損害員工健康。連續(xù)作業(yè)，疲勞駕駛，勞動(dòng)強(qiáng)度高，易引發(fā)人為操作錯(cuò)誤，導(dǎo)致安全和生產(chǎn)事故，對(duì)于天車(chē)的改造迫在眉睫。根據(jù)天車(chē)遠(yuǎn)程操控的電氣與自動(dòng)化控制原理，先將其升級(jí)改造為PLC電控系統(tǒng)，并且在行車(chē)上加裝9路4K高清視頻，使其具備遠(yuǎn)控條件。通過(guò)中天鋼鐵集團(tuán)5G專(zhuān)網(wǎng)，將行車(chē)的操控量和現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面高速率、高保真地傳輸?shù)讲倏嘏_(tái)屏幕上，幫助操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

本網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線微波網(wǎng)絡(luò)，并做雙備份設(shè)計(jì)，且兩套網(wǎng)絡(luò)之間可以做到在線熱切換，極大地提升了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2)通過(guò)仿真得到了X、Y、Z方向的切削力，通過(guò)銑削加工試驗(yàn)，獲取銑削力數(shù)值并與仿真銑削力進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。為后續(xù)試驗(yàn)研究(加工效果，加工質(zhì)量等)做好準(zhǔn)備。

2．2．4 數(shù)字孿生：三維可視化工廠

以中天鋼鐵全廠區(qū)外圍場(chǎng)景三維建模，同時(shí)細(xì)化建設(shè)高爐-煉鋼廠物流3D可視化系統(tǒng)，按照統(tǒng)一管理、靈活低耦合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)3D可視化系統(tǒng)管理架構(gòu)，可提供仰視、俯視、透視視角，360°全方位視角查看生產(chǎn)物流、主體設(shè)備的信息。為監(jiān)控?cái)?shù)字化車(chē)間運(yùn)行情況提供便利，從而大大提高煉鋼廠生產(chǎn)管控的真實(shí)感和靈活性。同時(shí)，3D化可視化工廠將作為煉鋼廠物聯(lián)網(wǎng)的顯示載體，將鐵、鋼水生產(chǎn)過(guò)程、鐵鋼料包運(yùn)轉(zhuǎn)管理、天車(chē)運(yùn)行管理等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)控和統(tǒng)一展示，為實(shí)現(xiàn)中天鋼鐵智慧制造目標(biāo)，打造極致高效安全的煉鋼智慧工廠提供展示平臺(tái)。

2．2．5 5G+AI智能檢測(cè)

（1）安全帽檢測(cè)：鋼鐵行業(yè)作為高危行業(yè)。佩戴安全帽成為保護(hù)員工的重要手段，有效降低了意外事故發(fā)生帶來(lái)的傷害。采用安裝AI智能高清攝像頭，對(duì)主要出入?yún)^(qū)域的進(jìn)出人員佩戴安全帽的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，通過(guò)5G專(zhuān)網(wǎng)部署，確保實(shí)時(shí)準(zhǔn)備的圖像數(shù)據(jù)傳輸及實(shí)時(shí)預(yù)警。

（2）轉(zhuǎn)爐熱成像：轉(zhuǎn)爐用于鋼水的運(yùn)輸，是與1000多度高溫鋼水直接接觸的，同時(shí)又承受著鋼水與鋼渣的機(jī)械沖刷和急冷急熱的作用，容易產(chǎn)生剝落，當(dāng)局部損毀嚴(yán)重而又未被發(fā)現(xiàn)時(shí)將造成嚴(yán)重的漏鋼事故。同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐安全性的在線測(cè)量，是廣大冶金工作者極其關(guān)心的問(wèn)題。紅外熱成像是一種可以遠(yuǎn)距離對(duì)物體表面的溫度分布進(jìn)行成像分析的非接觸式測(cè)溫儀器。它能夠快速發(fā)現(xiàn)物體的熱缺陷，全面監(jiān)測(cè)和記錄鐵水包的一切溫度變化情況，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，成為保證安全生產(chǎn)的重要措施。

2．3 項(xiàng)目實(shí)施的意義

該項(xiàng)目應(yīng)用5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)，布局國(guó)內(nèi)先進(jìn)一流的“智慧工廠”。將大數(shù)據(jù)信息、數(shù)字孿生和5G應(yīng)用完美展示，打造了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的智慧煉鋼展示中心，主要有以下意義：

（1）運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)打造智慧車(chē)間，為安全生產(chǎn)管理、科學(xué)調(diào)度、成品優(yōu)化等提供決策依據(jù)。

（2）全面感知生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，完善監(jiān)控體系，豐富5G生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)采集平臺(tái)。

（3）運(yùn)用5G高帶寬低延時(shí)特性，優(yōu)化控制和監(jiān)控方式，提供員工舒適、科技感十足的工作環(huán)境。

（4）運(yùn)用3D可視化技術(shù)打造AI智能煉鋼廠結(jié)合，5G高速低延時(shí)傳輸途徑，為實(shí)現(xiàn)中天鋼鐵智慧制造目標(biāo)，建設(shè)極致高效安全的煉鋼智慧工廠提供展示VR平臺(tái)。

（5）運(yùn)用AI智能圖像算法，實(shí)時(shí)高清視頻安全監(jiān)控，提升生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域管理效率，保障作業(yè)人員安全生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前5G的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景正處于探索階段，中天鋼鐵集團(tuán)5G數(shù)字工廠建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，為鋼鐵行業(yè)樹(shù)立了較好的標(biāo)桿，同時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了積極的探索和嘗試！