新一代寬帶無線通信技術(shù)在貴冶的應(yīng)用實(shí)踐

〔摘 要〕介紹了貴溪冶煉廠在智能工廠建設(shè)中發(fā)揮新一代寬帶無線移動(dòng)通信技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在廠區(qū)內(nèi)部署基于NB-IoT技術(shù)的無線傳感器，實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)據(jù)采集;研發(fā)基于NB-IoT技術(shù)的渣包無線測(cè)溫裝置，實(shí)現(xiàn)渣包溫度精準(zhǔn)測(cè)量;利用5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)并結(jié)合無人機(jī)等特定裝備開展無人押車、無人機(jī)巡檢等應(yīng)用。實(shí)踐表明，新一代通信技術(shù)在銅冶煉智能工廠中的創(chuàng)新應(yīng)用，豐富了生產(chǎn)一線的數(shù)據(jù)來源，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目快速部署、數(shù)據(jù)互聯(lián)和資源共享，提升了工廠的管理效能。

〔關(guān)鍵詞〕NB-IoT；5G;智能工廠；無線測(cè)溫；寬帶無線移動(dòng)通信技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN92 ;TF08" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）04-0044-05

Application and Practice of New Generation Broadband Wireless Communication

Technology in Guixi Smelter

CHEN Geng， ZOU Xuehai

（Guixi Smelter of Jiangxi Copper Corporation Limited， Guixi， Jiangxi 335001， China）

Abstract" The paper introduces the technological advantages of the new generation broadband wireless mobile communication technology in the construction of intelligent plants at Guixi Smelter， such as providing wireless sensors based on NB-IoT technology within the smelter area， achieving plant data acquisition， developing slag ladle wireless temperature measurement unit based on NB-IoT technology， achieving accurate measurement of slag ladle temperature， utilizing the advantages of 5G technology and using specific equipment such as drones to carry out applications， e.g. unmanned escorting and drone inspections. Practice has shown that the innovative application of new generation communication technology in copper smelting intelligent plant can enrich the data sources on the production line， achieve rapid project configuration， data interconnection and resource sharing， and improve the management efficiency of the plant.

Keywords" NB-IoT; 5G; intelligent plant; wireless temperature measurement; broadband wireless mobile communication technology

當(dāng)前，我國(guó)正處于工業(yè)化和信息化加速發(fā)展的歷史交匯期，以及傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。在這樣的時(shí)代背景下，以信息技術(shù)引領(lǐng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推進(jìn)“中國(guó)制造2025”已經(jīng)成為國(guó)家重要發(fā)展戰(zhàn)略。以5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代信息技術(shù)也正在快速發(fā)展，為制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化帶來了新機(jī)遇。

江銅貴溪冶煉廠（以下簡(jiǎn)稱“貴冶”）作為國(guó)內(nèi)銅冶煉行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，也在積極探索智能工廠建設(shè)之路。2016年，貴冶申報(bào)國(guó)家工信部“銅冶煉智能工廠試點(diǎn)示范”項(xiàng)目獲批，成為銅冶煉行業(yè)唯一一家智能制造試點(diǎn)示范工廠[1]，開啟了智能工廠的探索之路。2019年，貴冶繼續(xù)申報(bào)了“基于新一代無線移動(dòng)通信技術(shù)的銅冶煉智能工廠應(yīng)用建設(shè)”項(xiàng)目，以期進(jìn)一步推進(jìn)智能工廠建設(shè)。

1" "總體規(guī)劃及建設(shè)內(nèi)容

智能工廠的規(guī)劃建設(shè)依賴于5G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用，這兩項(xiàng)技術(shù)是支持企業(yè)建設(shè)工業(yè)大數(shù)據(jù)集成平臺(tái)和大數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)。為此，貴冶通過部署5G基站、實(shí)現(xiàn)廠區(qū)無線覆蓋，為深化生產(chǎn)控制、經(jīng)營(yíng)管理、智能決策等諸多智能制造應(yīng)用場(chǎng)景奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1.1" 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，以下簡(jiǎn)稱“NB-IoT”）聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。NB- IoT 作為一項(xiàng)革命性的技術(shù)，尤其適用于監(jiān)測(cè)、測(cè)量等一些新興的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景[2]，是未來5G技術(shù)三大應(yīng)用場(chǎng)景之一，代表著未來的發(fā)展趨勢(shì)。

根據(jù)該技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)一些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高、數(shù)據(jù)傳輸量不大、有線信號(hào)傳輸距離又較遠(yuǎn)的業(yè)務(wù)場(chǎng)所，安裝采用 NB-IoT 技術(shù)的儀表終端設(shè)備，通過設(shè)備與 RTU（NB 模組）相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸，可以搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而構(gòu)建一個(gè)基于 NB-IoT 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

1.2" 5G 技術(shù)應(yīng)用

5G 具有大帶寬、泛在網(wǎng)、低延時(shí)等特點(diǎn)。對(duì)一些數(shù)據(jù)傳輸量大、實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)場(chǎng)所，通過5G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)廠區(qū)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳、偏僻區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而使廠區(qū)生產(chǎn)管理系統(tǒng)支持道路交通、運(yùn)輸車輛監(jiān)管、無人巡檢等功能，降低人工勞作強(qiáng)度，使業(yè)務(wù)監(jiān)管高效可控。

2" "應(yīng)用分析

2.1" NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用

2.1.1" NB-IoT技術(shù)在貴冶的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商已在貴冶所在的江西省鷹潭市建成了3張NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)全域覆蓋，為NB-IoT技術(shù)在貴溪冶煉廠的推廣落地打下了基礎(chǔ)。

貴冶智能工廠一期所開展的“NB-IoT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在線檢測(cè)裝備計(jì)量?jī)x表和SCADA項(xiàng)目”，充分利用NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)，通過使用噪聲監(jiān)測(cè)儀、流量計(jì)、pH 計(jì)、液位計(jì)等窄帶儀表共計(jì)七十余臺(tái)（套），極大地補(bǔ)充和完善了工廠數(shù)據(jù)采集手段。

圖1" 窄帶儀表部署現(xiàn)狀

2019年8月，貴冶成功申報(bào)了“江西省03專項(xiàng)及5G項(xiàng)目”，項(xiàng)目?jī)?nèi)容之一就是要擴(kuò)展NB-IoT技術(shù)應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，該廠提出了渣包無線測(cè)溫裝置的研究與應(yīng)用。

2.1.2" 基于的渣包無線測(cè)溫裝置研究應(yīng)用

銅冶煉過程中會(huì)產(chǎn)生大量爐渣，這些爐渣經(jīng)渣包車運(yùn)至緩冷場(chǎng)后，通過自然緩冷—噴淋水冷—翻包倒運(yùn)—破碎作業(yè)—磨礦作業(yè)—浮選作業(yè)等工序后，回收其中的銅、金、銀等有價(jià)礦物。在自然緩冷、噴淋水冷[3]的過程中，控制渣包內(nèi)的爐渣溫度對(duì)于銅元素的回收至關(guān)重要。渣水溫度高達(dá)1 200 ℃以上，傳統(tǒng)的測(cè)溫裝置無法對(duì)熔體溫度進(jìn)行在線測(cè)量，目前主流方法都是人工手持紅外測(cè)溫儀定時(shí)測(cè)量渣包外壁溫度，再通過渣包外壁溫度推算渣包內(nèi)爐渣的溫度。然而，人工測(cè)量渣包外壁溫度存在安全隱患大、數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)在線更新等問題，為了徹底扭轉(zhuǎn)該局面，貴冶開始研發(fā)基于窄帶技術(shù)的渣包無線測(cè)溫裝置。為了便于管理，搭建了一套渣包外壁溫度監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)窄帶物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與貴溪冶煉廠生產(chǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通。渣包無線測(cè)溫裝置部署情況見圖2，渣包溫度監(jiān)控平臺(tái)畫面見圖3。

通過與人工測(cè)量的試驗(yàn)對(duì)比可以看出，基于NB-IoT技術(shù)的渣包無線測(cè)溫裝置的測(cè)量誤差在±3 ℃以內(nèi)，滿足工藝生產(chǎn)控制需求。渣包外壁溫度無線測(cè)溫儀與紅外測(cè)溫槍測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1" 無線測(cè)溫儀與紅外測(cè)溫槍測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比" " " "℃

本裝置實(shí)現(xiàn)了渣包外壁溫度的在線精準(zhǔn)測(cè)量，為國(guó)內(nèi)銅行業(yè)的首創(chuàng)，為下一步渣包溫度的精準(zhǔn)控制提供了準(zhǔn)確可靠的控制參數(shù)。在實(shí)現(xiàn)渣包溫度自動(dòng)控制后，渣包緩冷的能源消耗和安全風(fēng)險(xiǎn)將大幅降低。同時(shí)，通過本項(xiàng)目的實(shí)施，貴冶窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入數(shù)量擴(kuò)充到三百余臺(tái)（套），不僅豐富了工廠對(duì)各類參數(shù)指標(biāo)的管控手段，也為新一代無線通信技術(shù)與工業(yè)融合的應(yīng)用實(shí)踐提供了全面的指導(dǎo)意義[4]。貴冶NB-IoT系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

圖4" "貴冶NB-IoT系統(tǒng)架構(gòu)

2.2" 5G技術(shù)與智能裝備的綜合應(yīng)用

貴冶通過部署建設(shè)5G基站，實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)廠區(qū)全域覆蓋，見圖５，對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的有限覆蓋進(jìn)行了有效擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了工廠區(qū)域網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，達(dá)到無死角全面布控、全方位監(jiān)控的目的。

圖5" "廠區(qū)5G基站部署

2.2.1" 原料部5G+無人押車監(jiān)控

廠區(qū)內(nèi)運(yùn)輸物料的車輛需要通過固定路線將物料存放在堆場(chǎng)。之前，原料部要求工廠員工在特定線路上對(duì)運(yùn)輸原料的車輛進(jìn)行人工跟車。這項(xiàng)工作人工成本大，技術(shù)含量不高，且押車過程中，員工無法實(shí)時(shí)掌握汽車的行駛狀況以及司機(jī)的違規(guī)行為。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，貴冶充分利用5G技術(shù)的高速率、低延時(shí)、大容量特點(diǎn)，結(jié)合視覺識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析等新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了原料部押車的無人化。無人押運(yùn)系統(tǒng)由高清智能卡口前端子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，見圖6。

圖6" "原料無人押運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）高清智能卡口前端子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要完成目標(biāo)檢測(cè)和圖像采集處理，由卡口抓拍單元+補(bǔ)光燈組成?？谧ヅ膯卧梢曨l檢測(cè)功能，采用視頻檢測(cè)算法完成機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人的目標(biāo)檢測(cè)及抓拍，同時(shí)輸出高清照片和車牌識(shí)別數(shù)據(jù)，清晰呈現(xiàn)機(jī)動(dòng)車正面全貌和車牌特征。

2）網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)由前端設(shè)備 5G信號(hào)接收CPE、5G基站和指揮中心視頻接收CPE 三部分組成。通過電信定制的5G+VPDN 網(wǎng)絡(luò)，打通CPE和專網(wǎng)之間的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通道，通過CPE下掛路由設(shè)備和專網(wǎng)設(shè)備搭建GRE 隧道方式，實(shí)現(xiàn)前端相機(jī)和后端服務(wù)器的路由可通。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃見圖7。

3）前端數(shù)據(jù)處理及上傳。前端數(shù)據(jù)處理及上傳單元由終端服務(wù)器加相關(guān)軟件組成。終端服務(wù)器采用嵌入式、低功耗、無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，能夠在室外惡劣環(huán)境下正常工作；采用大容量工業(yè)級(jí)硬盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)，能夠保存大容量車輛信息記錄，最終實(shí)現(xiàn)外來車輛車速狀況、行車軌跡、駕駛員行為分析、路障檢測(cè)的智能判定和提示預(yù)警。

通過5G技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高清視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、無人運(yùn)料監(jiān)管，大大降低了人工成本，降低了安全事故發(fā)生率，同時(shí)也減少了安全事故造成的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失情況。原料無人押運(yùn)數(shù)據(jù)處理分析情況推送預(yù)警見圖8。

2.2.2" 5G+無人機(jī)特定工況安環(huán)監(jiān)測(cè)

無人機(jī)具有成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、智能程度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，使用無人機(jī)對(duì)廠區(qū)開展智能化、自動(dòng)化巡檢，可減少?gòu)S區(qū)日常巡檢的人員投入，降低人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提升管理效率。5G網(wǎng)絡(luò)有著全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)超高帶寬、毫秒級(jí)時(shí)延、超高密度鏈接，這些優(yōu)點(diǎn)極大地增強(qiáng)了各類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的能力，尤其是對(duì)無人機(jī)的應(yīng)用上。5G網(wǎng)絡(luò)不僅能讓無人機(jī)在現(xiàn)有場(chǎng)景中做得更好、更穩(wěn)定，而且網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)將會(huì)驅(qū)動(dòng)更多種類應(yīng)用場(chǎng)景的升級(jí)。

本項(xiàng)目基于5G通信技術(shù)，通過載重型六旋翼無人機(jī)設(shè)備，搭載高清運(yùn)動(dòng)相機(jī)、有害氣體檢測(cè)等模塊，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)有毒有害氣體成分檢測(cè)、廠區(qū)和周邊喊話警示功能；同時(shí)，自動(dòng)將實(shí)時(shí)巡檢數(shù)據(jù)回傳指揮中心，協(xié)助管理人員實(shí)施安全管理工作。本項(xiàng)目致力于促進(jìn)廠區(qū)安全生產(chǎn)的機(jī)械化、信息化和智能化，以應(yīng)對(duì)安全管理任務(wù)量大、作業(yè)人員短缺、成本高、智能化水平低等問題。

系統(tǒng)包括發(fā)送端、服務(wù)器端、PC 監(jiān)控端，見圖10。發(fā)送端搭載于無人機(jī)上，包括控制器、攝像頭，控制器通過 RTSP 流媒體協(xié)議封裝視頻流數(shù)據(jù)，并通過 5G 推送給流媒體服務(wù)器。服務(wù)器端通過 RTSP 流媒體協(xié)議接收來自發(fā)送端的數(shù)據(jù)，再通過 RTSP 流媒體協(xié)議分發(fā)給 PC 端。PC監(jiān)控端通過RTSP協(xié)議從流媒體服務(wù)器拉取視頻流，再經(jīng)過解碼、格式轉(zhuǎn)換，將視頻流實(shí)時(shí)顯示到 PC 端窗口，最終達(dá)到廠區(qū)智能化、自動(dòng)化巡檢的目的。同時(shí)，無人機(jī)還具備高機(jī)動(dòng)性、高集成化、高智能化等特點(diǎn)，可掛載各功能模塊，完成不同工作任務(wù)，大大提高了無人機(jī)的擴(kuò)展能力和實(shí)用性。

圖10" "圖傳系統(tǒng)總體架構(gòu)

3" "實(shí)施效果

貴冶共部署了窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備291臺(tái)，創(chuàng)新開發(fā)了適用于多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的NB-IoT模組，對(duì)窄帶設(shè)備、技術(shù)的快速更迭起到了積極的推動(dòng)作用。與此同時(shí)，該廠還實(shí)現(xiàn)了工廠核心區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，可達(dá)到無死角全面布控、全方位監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，利用5G 移動(dòng)技術(shù)與智能裝備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了視頻巡檢、高清視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)輸車輛監(jiān)管、廠區(qū)無人巡檢等功能，降低了人工成本和安全事故發(fā)生率。

貴溪冶煉廠充分依托智能工廠建成的數(shù)據(jù)中心和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，使江西省“03專項(xiàng)及5G項(xiàng)目”建設(shè)內(nèi)容全面融入貴冶智能工廠一期建設(shè)，滿足了智能工廠可視化調(diào)度、聯(lián)動(dòng)指揮、高效應(yīng)急處置的需求，提升生產(chǎn)效率及管控能力。貴溪冶煉廠智能工廠架構(gòu)見圖11。該廠不僅建立了統(tǒng)一的集成信息系統(tǒng)平臺(tái)，將“信息孤島”變?yōu)椤靶畔⑼ㄡ椤?，通過管理網(wǎng)、控制網(wǎng)、視頻網(wǎng)、無線網(wǎng)四網(wǎng)合一，將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接形成了一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了人與機(jī)器的深度融合。而且，借助NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)、5G移動(dòng)通信技術(shù)，該廠實(shí)現(xiàn)了物物互聯(lián)，滿足工藝裝置數(shù)據(jù)連續(xù)性精準(zhǔn)傳輸?shù)男枨?，?shí)現(xiàn)了各環(huán)節(jié)的緊密銜接和協(xié)同配合。系統(tǒng)通過規(guī)范化通信接口在各環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互，達(dá)到了“數(shù)據(jù)不落地”的傳輸目的，實(shí)現(xiàn)了資源大共享。

貴冶基于NB-IoT、5G網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)建設(shè)，增加企業(yè)管控手段，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，有效地促進(jìn)了企業(yè)高效高質(zhì)量發(fā)展。融合5G、NB-IoT技術(shù)開展銅冶煉智能工廠應(yīng)用建設(shè)的典型做法和經(jīng)驗(yàn)，具有較高社會(huì)價(jià)值與示范作用，形成了產(chǎn)業(yè)示范效應(yīng)，對(duì)于有色金屬行業(yè)智能冶煉系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)、改造提升具有借鑒與指導(dǎo)意義。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

貴冶通過NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)、5G移動(dòng)通信等技術(shù)在智能工廠建設(shè)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工廠各環(huán)節(jié)的緊密銜接、協(xié)同配合，資源、信息得到了實(shí)時(shí)匯集、傳遞與共享，滿足了智能工廠可視化調(diào)度、聯(lián)動(dòng)指揮、高效應(yīng)急處置的需求，提升生產(chǎn)效率及管控能力。本項(xiàng)目的實(shí)施不僅推進(jìn)了貴溪冶煉廠智能化建設(shè)，也為銅冶煉行業(yè)智能工廠建設(shè)提供了有益探索。今后該廠還將繼續(xù)深化研究，推動(dòng)新一代寬帶無線通信技術(shù)在銅冶煉行業(yè)的更多應(yīng)用場(chǎng)景，以適應(yīng)新時(shí)代智能制造新要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪飛虎.貴冶智能工廠建設(shè)實(shí)踐[J].銅業(yè)工程，2019（1）：1-4.

[2] 王旭，魏文勇.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及典型應(yīng)用研究[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2017（11） ：55-60.

[3] 李思勇.銅冶煉渣包冷卻制度的建立[J].有色金屬（冶煉部分），2017（11） ：42-45.

[4] 陳耕，董昱偉.窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在銅冶煉工廠中的應(yīng)用實(shí)踐及前景展望[J].有色金屬（冶煉部分），2020（2）：9-13.

[5] 陳建成.5G移動(dòng)無線通信技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響[J]．電子技術(shù)與軟件工程，2021（15）：8-9.

收稿日期：2023-12-15

作者簡(jiǎn)介：陳耕（1982—），男，高級(jí)工程師，主要從事自動(dòng)化等方面工作。