5G 技術(shù)在離散制造車間應(yīng)用探討

韓永磊，李剛，張國政，左振波，王雷

（江蘇杰瑞信息科技有限公司，江蘇連云港 222000）

數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代已經(jīng)到來，5G 新基建將重點(diǎn)發(fā)力。在生產(chǎn)制造行業(yè)，隨著信息化程度的提升，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的需求也逐步提升。而5G 應(yīng)用技術(shù)正是銜接設(shè)備和數(shù)據(jù)的重要通道，有別于4G，5G 的大帶寬、低時(shí)延、廣連接等特點(diǎn)將給制造企業(yè)帶來較大的技術(shù)影響。基于此，本文分析了離散制造車間應(yīng)用5G 的必要性，典型應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)5G 在離散制造車間的應(yīng)用進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，為之后5G 工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用推廣提供借鑒[1]。

5G 技術(shù)是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，目前在運(yùn)營商的協(xié)助下，已在多個(gè)工業(yè)場(chǎng)景得到了應(yīng)用，特別是為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的幫助。目前中國的制造業(yè)正進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)中，不局限于車間設(shè)備的自動(dòng)化和信息化升級(jí)換代，也需要實(shí)現(xiàn)輔助決策、自適應(yīng)排產(chǎn)等自主化生產(chǎn)。而這些信息的傳遞及交互實(shí)現(xiàn)，則依托通信技術(shù)，而5G 技術(shù)的應(yīng)用，加快了功能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。5G 在工業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用主要依靠它高速率、低時(shí)延、移動(dòng)性和大容量等基本特征，還有其能夠具備可擴(kuò)展、可編程，能夠支持多用戶，能夠基于同一基礎(chǔ)架構(gòu)來支持不同使用場(chǎng)景。這些典型特征在工業(yè)場(chǎng)景，特別是離散制造領(lǐng)域，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，離散制造車間對(duì)信息傳輸?shù)牡蜁r(shí)延、高可靠、高安全等方面有著明確的要求，而通過5G 技術(shù)能夠提高離散制造車間網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降本增效，來促進(jìn)應(yīng)用企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 離散制造車間對(duì)于5G 的需求和要求分析

離散制造車間將向智能化方向轉(zhuǎn)型，將重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)物理與數(shù)字虛擬的映射、聯(lián)動(dòng)、管控。進(jìn)而提高離散制造車間生產(chǎn)制造靈活性和可擴(kuò)展性，提高生產(chǎn)效率。打破封閉獨(dú)立體的界限，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與需求在互聯(lián)網(wǎng)端的便捷融合，新一代通信技術(shù)的重要性不言而喻。

5G 技術(shù)借助其優(yōu)勢(shì)可在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。當(dāng)前離散制造型企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的傳輸方式主要為工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線，而受到Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee 等應(yīng)用技術(shù)的限制，其在穩(wěn)定性、傳輸速率、安全性等方面都比5G 技術(shù)差，導(dǎo)致了無線應(yīng)用技術(shù)難以得到高效利用。具體來說其劣勢(shì)還表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①無線網(wǎng)絡(luò)無法滿足離散制造車間海量設(shè)備連接的問題；②部分離散制造車間需要高清視頻等高帶寬數(shù)據(jù)的傳輸需求；③部分精密儀器需要低時(shí)延的信息反饋等基本需求。而通過5G 應(yīng)用技術(shù)，能夠解決這些難點(diǎn)，同時(shí)能夠傳輸全息影像等信息，這給制造的交互產(chǎn)生了大的影響。同時(shí)由于其還具有高可靠性，也將給車間的遠(yuǎn)程管控奠定基礎(chǔ)；并且組網(wǎng)方式較簡(jiǎn)單，能夠節(jié)約成本，并解決了好多受限于有線連接方式的工業(yè)場(chǎng)景。

5G 網(wǎng)絡(luò)也能夠隨離散制造車間業(yè)務(wù)流向變化而變化，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用本地化、內(nèi)容分布化。在本地化應(yīng)用方面，能夠?yàn)橹圃旃S、車間等自己的具體業(yè)務(wù)應(yīng)用在本地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，通過海量連接設(shè)備來降低應(yīng)用成本；內(nèi)容分布化將實(shí)現(xiàn)高帶寬內(nèi)容從中心到區(qū)域分布式部署，在虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程運(yùn)維等方面能夠得到較好應(yīng)用。而高清視頻傳輸?shù)男枨笠材軌驖M足；在制造車間的邊緣側(cè)，也能夠?qū)崿F(xiàn)超低時(shí)延業(yè)務(wù)，例如自動(dòng)駕駛小車、工業(yè)機(jī)器人協(xié)作等方面。

總體來說，5G 應(yīng)用技術(shù)在離散制造車間的必要性和優(yōu)勢(shì)有如下幾點(diǎn)：①無線連接。無須綜合布線，可以簡(jiǎn)化工廠和生產(chǎn)線的建設(shè)施工，也減輕了后期的維護(hù)工作，適配復(fù)雜工作活動(dòng)區(qū)域，降低受限性。②帶寬大。能夠傳輸高清視頻、AR/VR 等大量指數(shù)級(jí)增長的數(shù)據(jù)。③低時(shí)延。對(duì)部分遠(yuǎn)程操控及精密儀器的控制提高保障。④海量連接。能夠滿足工業(yè)場(chǎng)景多設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)需求。

上文對(duì)必要性作了簡(jiǎn)要分析，接下來將對(duì)需求性方面作較為深入的探討，離散制造是典型的工業(yè)制造場(chǎng)景，是支撐工業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要支柱。它對(duì)于新一代通信技術(shù)的需求注意表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①車間數(shù)字化設(shè)備種類繁雜，精細(xì)數(shù)控設(shè)備較多，而為了便于數(shù)據(jù)集中管控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)制造資源數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的需求很大；②離散制造業(yè)，以航空航天、船舶、汽車等行業(yè)為代表，部分制造環(huán)境是高溫、高腐等惡劣的環(huán)境，不適合有線通信，以及原廠區(qū)的信息化升級(jí)改造，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)通信的需求較為明顯；③柔性制造需求很廣，隨著部分車間信息化程度較高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式要求高，需要?jiǎng)討B(tài)適配，而5G應(yīng)用技術(shù)可以較好地解決此類問題；④5G成為智能化應(yīng)用必需品，部分離散車間的工藝或者業(yè)務(wù)，需要具備遠(yuǎn)程診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)等運(yùn)維手段，邊緣側(cè)設(shè)備的上云成為了基本需求。這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，而5G的出現(xiàn)能夠較好地解決問題[2-3]。

而5G 在離散制造車間的應(yīng)用要求如下：①部分離散制造車間涉及精密生產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、確定性、可用性等方面要求很高，5G 通信技術(shù)能夠滿足要求；②部分設(shè)備對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的性能提出了更高的要求，例如交付時(shí)間、端點(diǎn)節(jié)數(shù)、時(shí)間同步精度、冗余恢復(fù)時(shí)間等方面；③現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)無線等通信網(wǎng)絡(luò)也有較高的性能評(píng)估測(cè)試要求，而5G 應(yīng)用技術(shù)正是解決這些問題的有效手段[4]。

2 典型應(yīng)用場(chǎng)景分析

5G 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、多網(wǎng)多制式融合，靈活組網(wǎng)等特征。這些特征能夠適應(yīng)離散制造車間對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的需求和要求。下文將對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。

在涉及到運(yùn)動(dòng)控制的制造車間，以數(shù)控機(jī)床為例，在從站數(shù)20，數(shù)據(jù)量50 B，周期時(shí)間小于50 ms 的情況下，總網(wǎng)絡(luò)速率大于16 Mbit/s；在多工業(yè)機(jī)器人控制應(yīng)用方面，以裝配機(jī)器人為例，在從站數(shù)4，數(shù)據(jù)量40～250 B，周期時(shí)間8 ms 情況下，總網(wǎng)絡(luò)速率大于5 MB/s；在工業(yè)AR/VR應(yīng)用方面，在從站數(shù)3 個(gè)/基站，周期時(shí)間10 ms 情況下，總傳輸速率達(dá)到1.33 Gbit/s；在移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用方面，以精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制為例，在從站數(shù)100，數(shù)據(jù)量40～250 B，周期時(shí)間小于1 ms 的情況下，總網(wǎng)絡(luò)速率大于10 Mbit/s。通過對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景分析，可以發(fā)現(xiàn)，目前5G 技術(shù)在離散制造車間應(yīng)用方面，主要分為兩類應(yīng)用場(chǎng)景，一是面向離散制造車間，與視頻監(jiān)控、視覺監(jiān)測(cè)以及工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備進(jìn)行技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)制造監(jiān)測(cè)、物流運(yùn)輸以及遠(yuǎn)程運(yùn)維等功能，二是在開闊場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)與無人機(jī)、數(shù)字化機(jī)械設(shè)備來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。主要是通過5G 技術(shù)解決上傳至云端問題。

3 典型應(yīng)用作用分析

在對(duì)典型場(chǎng)景進(jìn)行分析后，對(duì)部分應(yīng)用的作用和效果進(jìn)行研究探討。主要有如下幾個(gè)方面：①5G 與虛擬現(xiàn)實(shí)的結(jié)合應(yīng)用，在速率大于50 Mbit/s，時(shí)延小于20 ms 的應(yīng)用需求下，能夠達(dá)到人機(jī)協(xié)作交互，可根據(jù)情況來進(jìn)行維修指導(dǎo)，完成虛擬裝配和遠(yuǎn)程培訓(xùn)等；②5G 與機(jī)器視覺的結(jié)合應(yīng)用，在速率大于50 Mbit/s，時(shí)延小于10 ms 的應(yīng)用需求下，能夠?qū)崿F(xiàn)物品的視覺定位以及物料分揀等功能；③5G 與遠(yuǎn)程運(yùn)維的結(jié)合應(yīng)用，在速率大于50 Mbit/s，時(shí)延小于20 ms 的應(yīng)用需求下，能夠?qū)崿F(xiàn)異地設(shè)備維護(hù)、故障診斷等功能；④5G與AGV 的結(jié)合應(yīng)用，在速率大于50 Mbit/s，時(shí)延小于20 ms的應(yīng)用需求下，能夠?qū)崿F(xiàn)按需調(diào)度分配、規(guī)劃路徑等功能；⑤5G 與無人機(jī)的結(jié)合應(yīng)用，在速率大于50 Mbit/s，時(shí)延小于20 ms 的應(yīng)用需求下，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻監(jiān)控、設(shè)備巡檢等功能；⑥5G 與遠(yuǎn)程控制的結(jié)合應(yīng)用，在速率大于50 Mbit/s，時(shí)延小于20 ms 的應(yīng)用需求下，能夠?qū)崿F(xiàn)惡劣環(huán)境或遠(yuǎn)距離設(shè)備遠(yuǎn)程操控等功能。

4 結(jié)論

綜上所述，通信技術(shù)的發(fā)展會(huì)激發(fā)出更多的潛在需求，從3G 激發(fā)了視頻瀏覽需求，4G 激發(fā)IOT 通信需求，而5G作為新一代通信技術(shù)勢(shì)必會(huì)激發(fā)生產(chǎn)車間的成本、交互、業(yè)務(wù)提升方面新需求。同時(shí)5G 應(yīng)用技術(shù)給工業(yè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步產(chǎn)生了較大的影響，也倒逼了離散制造車間及智能工廠的轉(zhuǎn)型升級(jí)。未來將繼續(xù)深耕5G 在離散制造車間應(yīng)用分析，在遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)維、質(zhì)量控制、數(shù)字孿生工廠、物流管理等方面進(jìn)行深入探討，找出適合離散制造車間的網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)方案，推動(dòng)中國離散制造工廠邁向新征程，達(dá)到新高度。