面向鋼鐵廠的5G專網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)

張亮，馬恒，馬金，李陽，耿興元

（中興通訊股份有限公司，北京 100029）

鋼鐵行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)制造行業(yè)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，具有連續(xù)生產(chǎn)的流程型工業(yè)特征，其上下游工序銜接緊密，自動(dòng)化程度高。因此，鋼鐵生產(chǎn)對通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性要求非常嚴(yán)格，特別是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，為保障整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化和生產(chǎn)控制智能化通訊，對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。

5G作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，保持無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，具有柔性部署，扁平化架構(gòu)的特點(diǎn)，超高帶寬、超低時(shí)延、超大規(guī)模連接等特征契合了鋼鐵企業(yè)多數(shù)場景的需求，特別適用于服務(wù)對象有較大范圍運(yùn)動(dòng)和連接線易損壞場景，通過應(yīng)用專網(wǎng)增強(qiáng)型專屬設(shè)備、優(yōu)化無線信道、精準(zhǔn)端到端時(shí)間和設(shè)計(jì)系統(tǒng)高可用技術(shù)等，使5G網(wǎng)絡(luò)在鋼鐵企業(yè)的通訊功能從可用到好用。

1 鋼鐵企業(yè)典型場景網(wǎng)絡(luò)需求

鋼鐵企業(yè)業(yè)務(wù)類型繁多，各種場景對網(wǎng)絡(luò)具體需求不盡相同，嵌入生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制類業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求極高，如高速連軋控制，伺服電機(jī)控制PLC掃描周期為1 ms；無人行車業(yè)務(wù) PLC控制指令下達(dá)要求時(shí)延小于10～20 ms；一般啟停控制操作如連鑄翻包機(jī)指令時(shí)延為50～100 ms。針對鋼鐵企業(yè)天車遠(yuǎn)控和連鑄連軋控制對網(wǎng)絡(luò)的需求［1］分析如下：

（1）天車遠(yuǎn)程操控/無人天車的網(wǎng)絡(luò)需求

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)制造、產(chǎn)品銷售等環(huán)節(jié)涉及各類庫區(qū)的天車作業(yè),尤其是煉鋼以后的工序，涉及煉鋼板坯庫，熱軋板坯庫、成品庫；冷軋?jiān)蠋?、中間庫、成品庫，集港集站區(qū)域物流暫存庫等，應(yīng)用范圍極其廣泛。傳統(tǒng)作業(yè)模式為天車工人24 h輪班現(xiàn)場作業(yè)，天車懸掛操作室人工操作，高空地面協(xié)調(diào)操作的方式，工作效率低，且工作環(huán)境惡劣。天車遠(yuǎn)程控制，天車車間少人甚至無人化將是該領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。無人天車系統(tǒng)由檢測感知系統(tǒng)（鞍位形狀掃描儀、夾具對位傳感器、夾具加緊傳感器等）、定位系統(tǒng)（X軸定位:激光定位、格雷母線定位；Y軸定位:編碼等）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（攝像頭）、調(diào)度決策系統(tǒng)（發(fā)布指令、指揮天車運(yùn)行）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（PLC控制系統(tǒng)）、網(wǎng)絡(luò)（有線或無線）構(gòu)成。遠(yuǎn)程操控和無人駕駛需要前端執(zhí)行系統(tǒng)和后端控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的連接，以支持控制流和視頻流實(shí)時(shí)通訊。

移動(dòng)場景下通訊需求功能：①控制信令下發(fā)，高清視頻傳輸；②上行帶寬≥50 Mbps，下行帶寬≥10 Mbps；③控制傳輸時(shí)延≤20 ms，時(shí)延抖動(dòng)±5 ms，可靠性≥99.99%；④覆蓋生產(chǎn)車間。

（2）連鑄連軋控制的網(wǎng)絡(luò)需求

連鑄連軋短流程工藝是將鋼水鑄成不同規(guī)格的板坯直接軋制，自動(dòng)控制軋機(jī)動(dòng)作，以每秒幾米至20米的軋制速度按要求的金相結(jié)構(gòu)和厚度精度在相變溫度723～1 200℃對鑄坯進(jìn)行壓力加工，生產(chǎn)滿足用戶要求的熱軋板卷。

例如，某鋼鐵廠1700精軋機(jī)擁有液壓壓下、液壓彎輥、液壓竄輥等世界先進(jìn)水平的最新軋制設(shè)備，配合“帶鋼熱連軋機(jī)組全線自動(dòng)控制系統(tǒng)”模型，實(shí)現(xiàn)了連軋生產(chǎn)線設(shè)備的集成化。通過開發(fā)和集成具有基礎(chǔ)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化、生產(chǎn)控制自動(dòng)化的三級快速計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，完全滿足帶鋼熱連軋對控制系統(tǒng)高精度、高響應(yīng)度、高速通訊能力的要求。在系統(tǒng)云端部署三級管理軟件，過程控制模型，前饋硬度趨勢AGC控制及板形控制策略等，通過通訊網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場PLC實(shí)時(shí)控制交互，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率達(dá)到國際先進(jìn)水平。系統(tǒng)部署投資省、達(dá)產(chǎn)快、噸鋼成本少、產(chǎn)品質(zhì)量高。

通訊需求功能：①控制信令下發(fā)，現(xiàn)場設(shè)備PLC響應(yīng)；②上行帶寬和下行帶寬均≥10 Mbps；③傳輸時(shí)延≤1 ms，時(shí)延抖動(dòng)±200 us，可靠性≥99.99%；④覆蓋生產(chǎn)線。

從上面兩個(gè)典型場景對網(wǎng)絡(luò)需求的分析可知，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性與確定性是關(guān)鍵，特別是具有多種控制的場景，對傳輸時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)都提出了明確的需求?，F(xiàn)代鋼鐵制造企業(yè)擁有高度自動(dòng)化的工藝產(chǎn)線裝備，具備大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化的制造過程管理體系，急需通過網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化改造來提升工作效率和員工安全。鋼廠傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以有線和光纖為主，有線網(wǎng)絡(luò)的部署和維護(hù)成本高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷網(wǎng)對生產(chǎn)影響大。穩(wěn)定、可靠、安全的無線網(wǎng)絡(luò)可以作為基礎(chǔ)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的有利補(bǔ)充。

2 5G鋼鐵專網(wǎng)的架構(gòu)和技術(shù)特征

2.1 專屬核心網(wǎng)

為打造鋼鐵企業(yè)安全可靠的專網(wǎng)，采用專網(wǎng)5GC作為網(wǎng)絡(luò)控制的核心設(shè)備下沉到鋼鐵工廠園區(qū)，通過UPF DNN分流功能進(jìn)行流量本地卸載，從而為天車遠(yuǎn)控、鋼水運(yùn)輸無人機(jī)車、云化PLC控制等提供大帶寬、低時(shí)延和高可靠性的5G網(wǎng)絡(luò)保障，實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的智慧化和無人化，滿足智能制造轉(zhuǎn)型升級的需求。圖1為鋼鐵企業(yè)5G專網(wǎng)部署示意圖。

圖1 鋼鐵企業(yè)5G專網(wǎng)部署示意圖Fig.1 Schematic Diagram for 5G Private Network Arrangement in Iron and Steel Enterprises

極簡核心網(wǎng)i5GC在廠區(qū)內(nèi)獨(dú)立部署，滿足控制面、轉(zhuǎn)發(fā)面數(shù)據(jù)不出園區(qū)，符合安全&自服務(wù)要求。控制面實(shí)現(xiàn)注冊管理、移動(dòng)管理、安全管理、連接管理、簽約策略控制、路由選擇、會話管理等功能；用戶面實(shí)現(xiàn)分組路由及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、服務(wù)保障、策略執(zhí)行、用戶面地址分配等功能。i5GC部署于廠區(qū)內(nèi)核心設(shè)備實(shí)現(xiàn)以上全部功能，不僅滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)及信令不出廠區(qū)的要求，而且當(dāng)鋼鐵廠區(qū)的核心設(shè)備與運(yùn)營商5G大區(qū)核心網(wǎng)的上行鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，由于配置下列冗余設(shè)備、接口和鏈路，不影響園區(qū)內(nèi)在網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

（1）部署 2套專網(wǎng) i5GC設(shè)備，N3、N4多鏈路主備容災(zāi)組網(wǎng)；

（2）N3接口：基站到專網(wǎng)i5GC的業(yè)務(wù)流量通過基站接入交換機(jī)，匯聚后接入專網(wǎng)i5GC設(shè)備；

（3）OMC維護(hù)：專網(wǎng)i5GC在廠區(qū)屬地化管理和維護(hù)；

（4）N6接口：UPF數(shù)據(jù)分流，為園區(qū)5G專網(wǎng)用戶規(guī)劃獨(dú)立TA區(qū)和DNN，園區(qū)用戶網(wǎng)絡(luò)注冊時(shí)由5GC控制面SMF網(wǎng)元根據(jù)DNN選擇本地UPF進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，訪問園區(qū)應(yīng)用的業(yè)務(wù)在本地進(jìn)行卸載。數(shù)據(jù)流流向經(jīng)5G終端→5G基站→UPF→園區(qū)企業(yè)應(yīng)用服務(wù)器，在UPF和鋼鐵廠應(yīng)用服務(wù)器之間部署防火墻進(jìn)行安全隔離。

相對于通用5G核心網(wǎng)，專屬的i5GC具有如下特點(diǎn)：占地小，能耗低，硬件投入少，可采用下沉部署，為用戶提供極低的時(shí)延和專屬的核心網(wǎng)服務(wù)；物理設(shè)備隔離，滿足特殊場景下的物理、數(shù)據(jù)安全隔離需求；專網(wǎng)設(shè)備，軟硬一體化設(shè)計(jì)，降低部署、運(yùn)維、使用的難度；提供簡易的系統(tǒng)監(jiān)控功能，鋼鐵廠客戶可自主運(yùn)維，掌握網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀況；采用虛擬化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靈活的部署形態(tài)；組網(wǎng)簡單，降低維護(hù)難度，對現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備接口需求少。

2.2 TSN時(shí)間確定性技術(shù)

TSN（Time-sensitive Networking）是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動(dòng)的全新工業(yè)通信技術(shù)，是在IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)框架下，基于特定應(yīng)用需求制定的一組“子標(biāo)準(zhǔn)”，旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時(shí)間敏感機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性。然而，TSN面向二層網(wǎng)絡(luò)，主要解決園區(qū)以太網(wǎng)連接場景下精準(zhǔn)傳輸?shù)膯栴}，對于廣域網(wǎng)、無線場景下確定性網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的研究還比較薄弱。5G以其無需布線、部署靈活以及移動(dòng)性支持等優(yōu)勢，與TSN技術(shù)結(jié)合將會有更廣泛的應(yīng)用場景。

在 3GPP Rel.16 的規(guī)劃中［2］，3GPP 已經(jīng)開始對5G NR支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行新的研究規(guī)劃。根據(jù)需求規(guī)范，對于時(shí)間敏感的工業(yè)應(yīng)用場景，空口可能需要達(dá)到0.5 ms的延遲和99.9999%的可靠性。TSN疊加在5G NR將通過實(shí)現(xiàn)分組分發(fā)、自動(dòng)尋址和服務(wù)質(zhì)量QoS等領(lǐng)域功能滿足工業(yè)企業(yè)需求，從而更好地集成5G和TSN。3GPP給出的5G TSN邏輯網(wǎng)橋系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，實(shí)現(xiàn)與TSN網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

圖2 5G TSN邏輯網(wǎng)橋系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 5G TSN Logical Bridge System Architecture

在該架構(gòu)中，5G系統(tǒng)作為一個(gè)TSN邏輯網(wǎng)橋，定義了如下3個(gè)功能模塊以實(shí)現(xiàn)5G TSN邏輯網(wǎng)橋和TSN網(wǎng)絡(luò)的對接。

DS-TT：終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（Device-side TSN Translator）。DS-TT可以看作為5G TSN邏輯網(wǎng)橋的一個(gè)端口，用于連接終端側(cè)的TSN系統(tǒng)，通常DS-TT和UE集成在一起。

NW-TT：網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器 （Network-side TSN Translator）。NW-TT可以看作為5G TSN邏輯網(wǎng)橋的另一個(gè)端口，用于連接網(wǎng)絡(luò)側(cè)的TSN系統(tǒng)。NW-TT是UPF的一個(gè)功能模塊。

TSN AF：TSN的應(yīng)用功能 （TSN Application Function）。TSN AF可以看作為5G TSN邏輯網(wǎng)橋的管理接口，用于連接TSN網(wǎng)絡(luò)的CNC控制器。通常TSN AF可以作為一個(gè)獨(dú)立的NF網(wǎng)元，也可以考慮和其他NF網(wǎng)元合設(shè)。

分別在用戶側(cè)的UE，無線側(cè)RAN和核心網(wǎng)C-Plane控制面和U-Plane轉(zhuǎn)發(fā)面加載新的時(shí)間管理功能，進(jìn)行拓?fù)涔芾怼r(shí)鐘同步、傳輸納管和調(diào)度優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)源宿兩端的通訊較低時(shí)延和前后分組數(shù)據(jù)的間隔可控（抖動(dòng)?。?。5G系統(tǒng)作為TSN網(wǎng)絡(luò)中的透明橋梁，由DS-TT和NW-TT提供TSN數(shù)據(jù)流的駐留和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。

2.3 無線網(wǎng)絡(luò)空口和調(diào)度優(yōu)化

針對5G無線側(cè)時(shí)延要求不同，采取不同技術(shù)手段。端到端時(shí)延要求為10～50 ms，可通過開啟上行預(yù)調(diào)度、設(shè)置SR周期、關(guān)閉DRX功能等［3］降低調(diào)度時(shí)間來實(shí)現(xiàn)；時(shí)延要求為5～10 ms，需要使用短時(shí)隙、Mini-slot等URLLC技術(shù)；時(shí)延要求1～5 ms，在URLLC的基礎(chǔ)上還需要考慮幀格式、子載波間隔、雙工模式等方面。此外，對于控制類業(yè)務(wù)還需要解決時(shí)延抖動(dòng)和成功概率穩(wěn)定性。

目前，由于核心控制工序的傳統(tǒng)工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，暫時(shí)沒有量化確定指標(biāo)，可參考3GPP給出對應(yīng)的推薦值。例如上行預(yù)調(diào)度技術(shù)，為了壓縮上行調(diào)度等待時(shí)延，基站可周期性分配給終端上行傳輸資源立即發(fā)送，省去調(diào)度請求。但是由于需要提前分配上行資源，存在額外的控制信道開銷和干擾，會導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

空口有周期性傳輸間隔 （Transport Time Interval即TTI），縮小TTI可增加數(shù)據(jù)被調(diào)度的機(jī)會，壓縮數(shù)據(jù)等待和傳輸時(shí)延。關(guān)鍵技術(shù)包括短時(shí)隙、Mini-slot、DS 1ms幀結(jié)構(gòu)等。更小的調(diào)度單位可進(jìn)一步壓縮調(diào)度與傳輸時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)中新定義的Mini-slot基于非時(shí)隙調(diào)度，不需要等待slot，數(shù)據(jù)可從任一符號開始傳輸持續(xù)需要的符號數(shù)，更加靈活地降低數(shù)據(jù)傳送時(shí)延。以2符號為例的Mini-slot技術(shù)見圖3。PDSCH支持2/4/7符號，PUSCH支持1～13個(gè)符號。

圖3 Mini-slot技術(shù)Fig.3 Mini-slot Technology

2.4 高可用冗余保護(hù)技術(shù)

可用性是產(chǎn)品可靠性、故障恢復(fù)性和可維修性的綜合反映，通常大家習(xí)慣用N個(gè)9來表征系統(tǒng)可用性，比如 99.9%（3-nines availability），99.999%（5-nines availability）。 可用性指標(biāo)［4］可以用來表征在一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)成功提供服務(wù)的時(shí)間量百分比，不僅與MTBF，還和MTTR（Mean Time To Repair，即系統(tǒng)由故障狀態(tài)轉(zhuǎn)為正常工作狀態(tài)時(shí)的平均修復(fù)時(shí)間）有關(guān)?？梢詫TBF理解為 Uptime（運(yùn)行時(shí)間)，MTTR 理解為 Downtime（宕機(jī)時(shí)間)，系統(tǒng)可用性計(jì)算公式為：

例如：一個(gè)系統(tǒng)MTBF為10萬h，發(fā)生故障到系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，故障平均失效時(shí)間為30 min（MTTR），則該系統(tǒng)的可用性為：A=99.999%，即 5個(gè)9的可用性。該系統(tǒng)在一年時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，平均失效時(shí)間為：

8 760 h×60 min×（1-99.999%）=5.256 min

在生產(chǎn)控制所需的高可用冗余場景下，比如雙連接場景，通常采用組件并聯(lián)場景（沒有上下文同步的1+1冗余系統(tǒng)，不屬于并聯(lián)系統(tǒng)，本質(zhì)上還是單系統(tǒng)，可用性增強(qiáng)）。并聯(lián)模型下，除非所有并聯(lián)組件同時(shí)失效，否則不影響系統(tǒng)可用。

多組件并聯(lián)的系統(tǒng)可用性數(shù)學(xué)計(jì)算公式為：

例如，在無線雙連接的場景下，A1代表5G 2.6 GHz eMBB連接，可用性99%，A2代表5G 4.9 GHz URLLC連接，可用性99.99%,則該雙連接的整體可用性為1-（1-99%）×（1-99.99%）=99.9999%。即通過一路并聯(lián)，可以將可用性從“4個(gè)9”進(jìn)一步提升到“6 個(gè) 9”。

在端到端的5G網(wǎng)絡(luò)中，采用多UE方案，就是把多個(gè)UE集成到終端設(shè)備中，從UE建立多個(gè)PDU會話，其使用獨(dú)立的無線RAN（gNB）和核心網(wǎng)CN（UPF）實(shí)體，形成不同并聯(lián)路徑，圖4為5G冗余會話系統(tǒng)架構(gòu)圖［4］。

圖4 5G冗余會話系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 5G Redundant Conversational System Architecture

采用多UE建立冗余PDU會話方案，對網(wǎng)絡(luò)側(cè)的需求與單UE建立冗余PDU會話的要求類似，都要求網(wǎng)絡(luò)側(cè)能提供充分獨(dú)立的用戶面?zhèn)鬏斅窂?。為了讓多個(gè)UE能分別連接到不同的gNB，一種方式是可以考慮讓不同的UE鎖定不同的頻段，另外一種方式是通過為UE及gNB的小區(qū)定義可靠性組（RG）來實(shí)現(xiàn)。確定UE所屬的可靠性分組，可以與核心網(wǎng)S-NSSAI等現(xiàn)有參數(shù)關(guān)聯(lián)。對UPF的選擇可以基于UE的配置或者不同的DNN的網(wǎng)絡(luò)配置，也可以關(guān)聯(lián)S-NSSAI等現(xiàn)有參數(shù)。還有一個(gè)簡單的辦法就是讓不同的UE連接到運(yùn)營商不同的子網(wǎng)，保證不同UE建立的PDU會話路徑獨(dú)立，這樣的并聯(lián)機(jī)制利用網(wǎng)絡(luò)級別的冗余，從而使得承載業(yè)務(wù)獲得高可用行。

3 在鋼鐵生產(chǎn)基地的實(shí)踐

5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、確定性和高可靠性等特點(diǎn)可以賦能鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，5G扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)打破傳統(tǒng)鋼鐵信息化5層4連接架構(gòu)，形成云邊端的新型架構(gòu)，鋼企生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)可大體分為三個(gè)連接部分：現(xiàn)場級設(shè)備部分、邊緣云部分、中央管理/集團(tuán)私有云。

現(xiàn)場級設(shè)備部分指工業(yè)現(xiàn)場、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線上的生產(chǎn)設(shè)備/機(jī)器。I/O執(zhí)行單元以及傳感器通過有線網(wǎng)絡(luò)連接至PLC，可以采用現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、TSN等；I/O執(zhí)行單元以及傳感器也可以采用5G方式承載工業(yè)以太或者TSN到PLC，實(shí)現(xiàn)柔性的布線，降低有線損耗與組網(wǎng)復(fù)雜性。骨干/承載網(wǎng)絡(luò)可以連接現(xiàn)場設(shè)備和集控室/邊緣云設(shè)備，如分布式的PLC，PLC客戶端與服務(wù)端之間的通信，中央控制器與邊緣云之間的通信。集控室/邊緣云提供車間/廠區(qū)集中控制管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集管理。

為了支持跨層級數(shù)據(jù)全連接，5G網(wǎng)絡(luò)還可以直接打通現(xiàn)場和云化PLC/中央控制器的連接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)集團(tuán)級別的數(shù)據(jù)采集和非實(shí)時(shí)控制。5G網(wǎng)絡(luò)與鋼企生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的工控網(wǎng)絡(luò)融合模式見圖5，主要包括以下5種模式。

圖5 5G網(wǎng)絡(luò)與鋼企生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的工控網(wǎng)絡(luò)融合模式Fig.5 Integration Mode for Industrial Control Network between 5G Network and Production Network for Iron and Steel Enterprises

（1）5G網(wǎng)絡(luò)賦能生產(chǎn)線集中控制器與單個(gè)機(jī)器自身控制器之間的通信（L2C），見圖5中A。應(yīng)用場景如產(chǎn)線自動(dòng)裝配、AGV自動(dòng)化搬運(yùn)、傳送帶、柔性生產(chǎn)等。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)賦能控制器與現(xiàn)場設(shè)備I/O模塊之間的通信（C2D，C2/IO），見圖5中B。應(yīng)用場景有遠(yuǎn)程控制，包括鐵水/鋼水運(yùn)輸、龍門吊遠(yuǎn)程控制、天車遠(yuǎn)程控制、堆取料機(jī)遠(yuǎn)程控制，機(jī)器人動(dòng)作控制。

（3）5G網(wǎng)絡(luò)賦能機(jī)器控制器與控制器之間的通信（C2C），見圖5中C、D、E。典型應(yīng)用場景如鋼鐵廠焦化裝煤車、推焦車等四大車遠(yuǎn)程協(xié)同控制、機(jī)械臂協(xié)同裝配、煉鐵煉鋼集控室應(yīng)用，或者上述遠(yuǎn)程控制升級為集中化的無人控制。

（4）5G網(wǎng)絡(luò)賦能設(shè)備與計(jì)算平臺之間的通信（D2Cmp），見圖5中F。設(shè)備與云平臺、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、數(shù)據(jù)采集平臺等之間的通信，非控制相關(guān)的通信，如鋼鐵行業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備預(yù)測性維護(hù)。

（5）5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于鋼企生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，可為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備提供廣泛無線網(wǎng)絡(luò)接入，滿足現(xiàn)場設(shè)備之間的通信；為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備和邊緣集控室、位于中央管理部分的云化控制器設(shè)備提供低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸；以及現(xiàn)場設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、上云。

面向鋼鐵廠的5G專網(wǎng)2.0在鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司率先部署完成。該網(wǎng)絡(luò)具有雙頻雙網(wǎng)接入，核心網(wǎng)園區(qū)專屬1+1冗余，承載網(wǎng)環(huán)網(wǎng)保護(hù)，以及工業(yè)TSN交換機(jī)的雙發(fā)優(yōu)收保護(hù)等增強(qiáng)特性。5G專網(wǎng)將現(xiàn)場機(jī)車的PLC控制器、激光測距儀、攝像頭等采集和控制設(shè)備安全可靠移動(dòng)連接到系統(tǒng)集控平臺。雙頻雙網(wǎng)的高可靠連接和專屬安全的核心網(wǎng)滿足平均控制時(shí)延≤30 ms，上行帶寬≥300 Mbps，可靠性99.99%的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。2022年基于該網(wǎng)絡(luò)的無人鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)投運(yùn)后，實(shí)現(xiàn)了鐵水運(yùn)輸全天候無人化作業(yè)，極大改善了作業(yè)環(huán)境，崗位優(yōu)化約42%，人身安全事故發(fā)生率降為0。提高鐵水運(yùn)輸效率的同時(shí)，大幅降低鐵水運(yùn)輸成本，鐵水周轉(zhuǎn)率提升約47%，鐵水溫降減少約 10℃，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色、高效、安全生產(chǎn)。

4 結(jié)語與展望

目前，基于移動(dòng)性的遠(yuǎn)程控制和無人控制通過5G網(wǎng)絡(luò)+邊緣集控方式逐步得到了廣泛應(yīng)用，且取得了較好的效果。鞍鋼陸續(xù)上線了鐵水運(yùn)輸、無人天車、質(zhì)計(jì)無人采樣車等場景，滿足了時(shí)延20 ms和可靠性99.99%的控制要求和視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。一些數(shù)據(jù)采集類如動(dòng)能環(huán)傳感器數(shù)據(jù)采集、帶鋼表檢等數(shù)據(jù)、圖片類大數(shù)據(jù)采集也獲得了驗(yàn)證。5G網(wǎng)絡(luò)的專屬設(shè)備、信道優(yōu)化、時(shí)間確定性、高可用技術(shù)使其具備規(guī)模商用的基本條件。但是需要指出的是，在高速控制領(lǐng)域，5G在低時(shí)延和低抖動(dòng)方面還面臨很多挑戰(zhàn)，特別是1 ms周期的連軋PLC控制，在R16解決空口小于1 ms和100 us抖動(dòng)基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步挖掘和優(yōu)化傳輸、核心網(wǎng)控制等各個(gè)環(huán)節(jié)?？梢韵胂?，5G網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場的工業(yè)總線、融合網(wǎng)關(guān)相結(jié)合，與有線網(wǎng)絡(luò)合理分工，通過云邊端的新型架構(gòu)合理分擔(dān)計(jì)算與控制，一定會為鋼鐵企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化生產(chǎn)創(chuàng)造更好條件。