基于5G+開放系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線應(yīng)用研究與實踐

祝遠建 王建宏 徐旨勝

中國移動通信集團江蘇有限公司無錫分公司

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)模式逐漸走向以最終客戶需求為導(dǎo)向，智能制造正從MTS（make to stock，備貨型生產(chǎn)），走向MTO（make to order，按單生產(chǎn)）以及ETO（engineer to order，按訂單設(shè)計）。柔性制造作為制造自動化技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，在自動化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，將智能化機械與人有機融合，全面提升生產(chǎn)能力的柔性化以及供應(yīng)鏈敏捷準(zhǔn)確的反應(yīng)能力。

以典型的小批量、多品種離散型制造企業(yè)無錫普洛菲斯電子有限公司為例，該工廠產(chǎn)品大多應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，制造上百個產(chǎn)品家族，10000多個型號的產(chǎn)品，產(chǎn)品最小批量為1pcs，每筆訂單金額平均僅為2萬元人民幣，是典型的小批量、多品種離散型制造企業(yè)。工廠按訂單組織生產(chǎn)，客戶需求與項目關(guān)聯(lián)大，訂單預(yù)測波動大；另外，工廠現(xiàn)有生產(chǎn)區(qū)域大部分為固定廠線，區(qū)域利用率已達極致，但各個組裝產(chǎn)線常年處于負(fù)載不均衡的狀態(tài)。如要進一步提升產(chǎn)能，就需要對負(fù)載較低的廠線進行柔性化改造，通過柔性的解決方案來實現(xiàn)投資、自動化率及生產(chǎn)空間利用效率的最優(yōu)化。其對柔性生產(chǎn)的核心訴求有：

（1）機器的柔性化：機器設(shè)備具有隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的能力，典型應(yīng)用包括機器手臂可根據(jù)不同的產(chǎn)品加工更換不同的夾具，測試機柜兼容多種不同產(chǎn)品的物理接口等。

（2）產(chǎn)線的柔性化：產(chǎn)線可以重組，以承接不同類型產(chǎn)品的訂單，從而使工廠可基于海量訂單做出快速反應(yīng)并實現(xiàn)最經(jīng)濟化的運行。

在柔性制造場景需求下，對機器的靈活組網(wǎng)和差異化業(yè)務(wù)處理能力提出了較高要求，傳統(tǒng)以有線和WIFI為主的網(wǎng)絡(luò)通信方式存在較大的局限性。有線布線成本高、走線難、部署周期長，導(dǎo)致企業(yè)無法根據(jù)需求靈活調(diào)整產(chǎn)線，制約了柔性制造的發(fā)展；WIFI穩(wěn)定性不足，在連接數(shù)達到一定水平之后網(wǎng)絡(luò)干擾問題嚴(yán)重，移動性差。5G網(wǎng)絡(luò)具備高速率、低時延、大連接特性，可以滿足制造業(yè)苛刻的高可靠性和移動性需求，使得柔性生產(chǎn)成為現(xiàn)實。同時，通過5G+MEC部署可以將大量運算功能和數(shù)據(jù)存儲功能移到邊緣端，從而大大降低生產(chǎn)線設(shè)備的復(fù)雜度。

1 5G柔性生產(chǎn)線方案設(shè)計

1.1 柔性生產(chǎn)線設(shè)計理念

將生產(chǎn)功能單元整體解耦，各個功能模塊化，每個機臺負(fù)責(zé)一項功能，各工作機臺之間通過搭積木式靈活組合，根據(jù)不同的產(chǎn)品生產(chǎn)要求，使用不同的機臺組合實現(xiàn)生產(chǎn)線快速搭建。不同設(shè)備機臺之間通過5G網(wǎng)絡(luò)進行連接通訊，相比WIFI易受干擾、跨AP業(yè)務(wù)會中斷以及容量受限問題，5G無線網(wǎng)絡(luò)由于其低時延、大帶寬和大容量特性可以提供安全可靠的無線連接。

1.2 柔性產(chǎn)線模塊化設(shè)計方案

（1）整體方案設(shè)計

5G柔性產(chǎn)線整體方案包括四大部分：柔性生產(chǎn)單元（工作臺）、5G專網(wǎng)、開放控制系統(tǒng)和邊緣計算平臺。不同柔性生產(chǎn)單元通過搭積木式組合可以實現(xiàn)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，5G專網(wǎng)為各個生產(chǎn)單元之間以及生產(chǎn)端與控制系統(tǒng)之間提供穩(wěn)定可靠的無線連接，開放控制系統(tǒng)和邊緣計算平臺提供生產(chǎn)流程控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時處理。

圖1 柔性產(chǎn)線整體方案

（2）5G+積木式柔性生產(chǎn)單元

項目將各生產(chǎn)工作站做成蜂窩狀模塊化生產(chǎn)單元（AGV移動的通用物料架/可高度兼容測試平臺/寬適用性的協(xié)同機械臂），然后通過5G專網(wǎng)接入擺脫線纜的束縛，各生產(chǎn)單元之間可進行快速連接，任意組合，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及功能需求，如圖2所示。

圖2 柔性生產(chǎn)單元

（3）5G+開放控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)是整個小批量、多品種制造的核心軟件，車間的各個工站，通過5G專網(wǎng)連接而迅速組合在一起形成生產(chǎn)單元。當(dāng)有新產(chǎn)品或新工藝生產(chǎn)需求時，可以依托5G專網(wǎng)實現(xiàn)工位之間秒級組合和拆分，并能針對生產(chǎn)制造所涉及的海量數(shù)據(jù)進行低延時傳輸、反饋。系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)實時監(jiān)控各單元模塊的組裝進度，并保證所有的步驟按照設(shè)計要求和檢驗標(biāo)準(zhǔn)完成。人機協(xié)同機械臂支持便捷化編程，所有程序集中化管理，存儲于MEC邊緣云，依托5G網(wǎng)絡(luò)快速切換生產(chǎn)產(chǎn)品的基本數(shù)據(jù)，隨時調(diào)整裝夾方案，保證生產(chǎn)的效率。

（4）5G +MEC+ PLC自動化

5G+MEC+PLC使用5G的無線傳輸方式取代原有主控電腦到產(chǎn)線單元硬件PLC之間的有線通信方式，通過5G工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)MEC邊緣云與原有工業(yè)控制協(xié)議的適配，使得各單元模塊的組合更加便捷、快速，可以有效地提升PLC的運算能力，降低PLC應(yīng)用成本。

2 基于5G的靈活安全組網(wǎng)架構(gòu)

穩(wěn)定可靠的無線網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)整個柔性生產(chǎn)線的前提。柔性產(chǎn)線對無線網(wǎng)絡(luò)的核心訴求主要有以下幾點：（1）數(shù)據(jù)不出廠，提供局域?qū)＞W(wǎng)；（2）高可靠性（可靠性大于99.9%）；（3）安全性（滿足OT網(wǎng)絡(luò)安全審計要求）；（4）低時延（南北向雙向時延低于20ms，東西向時延低于35ms）。為滿足以上訴求，本方案采取了中移動專享模式建設(shè)方案，通過下沉建設(shè)入駐式獨享MEC實現(xiàn)UPF下沉并提供MEP轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地處理轉(zhuǎn)發(fā)，進一步降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延，同時實現(xiàn)客戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園的愿景；通過專用切片、5G APN/DNN隔離技術(shù)，滿足隔離性、按需定制、高可靠性和端到端網(wǎng)絡(luò)保障。

2.1 5G專網(wǎng)整體組網(wǎng)方案

新建一套入駐式MEC，控制面接入南京大區(qū)5G核心網(wǎng)，為客戶規(guī)劃專用切片和獨立DNN，并通過AMF、SMF配置實現(xiàn)本地用戶的UPF選擇。工廠柔性生產(chǎn)線通過5G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)入駐式UPF路由至同機房客戶內(nèi)網(wǎng)，生產(chǎn)線不同工位間通過開啟DNN內(nèi)卡互訪經(jīng)由兩個網(wǎng)關(guān)之間進行通信，如圖3所示。

圖3 5G專網(wǎng)整體組網(wǎng)架構(gòu)

端到端網(wǎng)絡(luò)由以下幾個部分組成：5G終端、5G基站、5G承載網(wǎng)和5G核心網(wǎng)，這些設(shè)備均遵從3GPP規(guī)范，并滿足99.999%以上的電信級可靠性。

（1）5G終端：5G CPE作為5G接入終端，柔性生產(chǎn)單元（工作站）內(nèi)的各設(shè)備如PLC、傳感器和機械臂等通過網(wǎng)線連接到CPE，由CPE通過5G網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)器以及其它工作臺的CPE進行連接。

（2）5G基站：5G基站實現(xiàn)5G用戶的接入和用戶數(shù)據(jù)的空口傳輸。項目采用Lampsite數(shù)字化有源室分（DIS）系統(tǒng)新建室內(nèi)覆蓋方案。

（3）5G承載網(wǎng)：承載網(wǎng)的作用是將5G基站連接至核心網(wǎng)，實現(xiàn)5G用戶信令和用戶數(shù)據(jù)的傳輸。為滿足數(shù)據(jù)不出廠要求，本方案下沉建設(shè)一套SPN，并為新增設(shè)備出局傳輸線路采用雙路由環(huán)網(wǎng)通道保護，確保網(wǎng)絡(luò)安全性，以避免業(yè)務(wù)在傳輸側(cè)的中斷。

（4）5G核心網(wǎng)：5G核心網(wǎng)的功能主要是提供用戶連接、對用戶的管理以及對業(yè)務(wù)完成承載，作為承載網(wǎng)絡(luò)提供到外部網(wǎng)絡(luò)的接口。本次核心網(wǎng)部署包含兩個部分，控制面網(wǎng)元設(shè)備部署在南京大區(qū)核心機房，用戶面網(wǎng)元設(shè)備UPF部署在客戶機房，用戶面網(wǎng)元設(shè)備UPF通過下沉SPN設(shè)備進入承載網(wǎng)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從無線基站經(jīng)下沉SPN路由至入駐UPF，全程數(shù)據(jù)不出廠。

2.2 柔性生產(chǎn)單元二層互通方案

5G專網(wǎng)下CPE終端和服務(wù)器，以及終端和終端之間通信是基于三層網(wǎng)絡(luò)，由于CPE下同時接了多個生產(chǎn)終端設(shè)備，各生產(chǎn)設(shè)備之間需要進行二層通信，為滿足該需求，采用了在兩個CPE網(wǎng)關(guān)之間建立GRE隧道的方式，從而實現(xiàn)二層互通功能，如圖4所示。

圖4 DTU之間二層互通方案

實際測試兩臺網(wǎng)關(guān)之間雙向時延在20ms以內(nèi)，滿足低時延要求。

2.3 端到端組網(wǎng)安全保障

工廠生產(chǎn)線對網(wǎng)絡(luò)安全有很高的要求，5G專網(wǎng)可提供物理上隔離的網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)切片能力可根據(jù)應(yīng)用的差異來提供對應(yīng)的業(yè)務(wù)隔離。項目引入5G專網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)切片功能，使得公司的各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)根據(jù)其隱私級別、性能要求進行不同級別的隔離、授權(quán)、加密，實現(xiàn)了按需隔離。安全架構(gòu)在終端中引入終端安全面，通過構(gòu)建受信存儲、計算環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)化安全接口，分別從終端自身和外部兩方面為終端安全提供保障。5G專網(wǎng)系統(tǒng)端到端網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險控制點如圖5所示。

圖5 端到端安全組網(wǎng)控制

風(fēng)險點1：終端接入安全。針對終端接入安全控制，5G網(wǎng)絡(luò)提供5G SIM卡加二次鑒權(quán)、切片準(zhǔn)入和基于位置區(qū)接入的安全管理功能。

風(fēng)險點2：無線空口傳輸安全。針對無線空口安全，5G網(wǎng)絡(luò)提供加密和完整性保護功能。

風(fēng)險點3：N3接口安全。針對BBU和UPF之間的N3數(shù)據(jù)接口，5G網(wǎng)絡(luò)提供可選的IPsec數(shù)據(jù)加密功能。

風(fēng)險點4：N6接口安全。針對UPF和客戶內(nèi)網(wǎng)之間的N6接口，通過部署防火墻隔離以及提供對N6口進行IPsec數(shù)據(jù)加密。

3 結(jié)束語

本研究提出的基于5G+開放控制系統(tǒng)的安全可靠柔性產(chǎn)線端到端解決方案目前已完成試點部署驗證。方案包括開放靈活的自動化產(chǎn)線、5G+MEC專網(wǎng)環(huán)境、設(shè)備運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)。基于5G的積木式柔性生產(chǎn)線，是在原有生產(chǎn)線硬件及軟件基礎(chǔ)上進行的創(chuàng)新，重點是將硬件重新進行了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計，同時定義5G作為柔性產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)化通信連接手段，提供滿足柔性產(chǎn)線的5G低時延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)解決方案，使方案供應(yīng)商能夠?qū)ο鄳?yīng)行業(yè)進行批量化復(fù)制。