5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用

0 引言

隨著“ 5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”工作走向深入，5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)加快提升傳統(tǒng)制造業(yè)效率、實(shí)施制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)揮的作用越來(lái)越大。 5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為助推工業(yè)向數(shù)字化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要力量。鋼鐵屬于流程型生產(chǎn)行業(yè)，其主要特點(diǎn)為生產(chǎn)作業(yè)連續(xù)且流程較為規(guī)范，一旦某一工序作業(yè)停止，會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成較大影響，因此保障聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)行非常重要。

目前鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用存在三大技術(shù)痛點(diǎn)：一是冶金工廠環(huán)境復(fù)雜，部署有線網(wǎng)絡(luò)較為困難且成本高；二是廠區(qū)內(nèi)強(qiáng)電磁干擾場(chǎng)景多，無(wú)線信號(hào)衰減嚴(yán)重，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋難度高，4G網(wǎng)絡(luò)帶寬不足和高時(shí)延，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用需求；三是企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)安全、生產(chǎn)安全、網(wǎng)絡(luò)安全要求高。

5G技術(shù)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的困境，可以承載豐富的應(yīng)用；5G的高速率打破4G的帶寬局限，可支持傳輸工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多路超高清視頻；5G的超低時(shí)延可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操作設(shè)備，例如無(wú)人化天車、生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集等，做到與生產(chǎn)的無(wú)縫銜接；5G具備高可靠性，不受鋼鐵企業(yè)惡劣環(huán)境（如粉塵、高溫）影響，能夠做到可靠、精準(zhǔn)傳輸。

2024年是我國(guó)5G進(jìn)人商用的第5年，成效顯著，尤其在工業(yè)制造領(lǐng)域。據(jù)工業(yè)和信息化部數(shù)據(jù)，全國(guó) 5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的項(xiàng)目數(shù)已經(jīng)超過(guò)8000個(gè)，以中國(guó)寶武為先導(dǎo)，引領(lǐng)各鋼企加速?gòu)S區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，通過(guò) 5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建全連接是工廠數(shù)字化的前提，也是實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)流程各環(huán)節(jié)互聯(lián)的關(guān)鍵。5G技術(shù)以不同場(chǎng)景深度應(yīng)用為依托，打造數(shù)字化、智能化產(chǎn)線，加速推動(dòng)新質(zhì)生產(chǎn)力成為核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵行業(yè)的建設(shè)

中國(guó)寶武從2019年逐步推廣工業(yè)智慧“智”造，借助5G的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，聚焦鋼鐵企業(yè)高效生產(chǎn)、安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗等方面，提供更豐富、更專業(yè)的 5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。中國(guó)寶武某鋼廠建設(shè)企業(yè)內(nèi)部專用5G核心網(wǎng)，該項(xiàng)目是湖北省首個(gè)將核心網(wǎng)和承載網(wǎng)全下沉到企業(yè)園區(qū)的5G網(wǎng)絡(luò)，將整套的5G通信核心控制及網(wǎng)元部署在廠區(qū)22km² 內(nèi)，整張網(wǎng)絡(luò)由企業(yè)自主獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，各類安全策略權(quán)限均由企業(yè)自行設(shè)置全權(quán)管控，達(dá)到最高的安全等級(jí)和控制管理，除具有5G網(wǎng)絡(luò)更低時(shí)延、大帶寬、海量連接等能力外，還具備數(shù)據(jù)不出園區(qū)，安全高度受控等顯著特點(diǎn)。

1.15G專網(wǎng)系統(tǒng)的組成

5G專網(wǎng)系統(tǒng)由核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)及終端設(shè)備等構(gòu)成。

核心網(wǎng)：由AMF接人管理、SMF會(huì)話管理、UPF用戶轉(zhuǎn)發(fā)、UDM用戶管理等網(wǎng)元組成，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)用戶管理和核心控制轉(zhuǎn)發(fā)。主要設(shè)備包括算力服務(wù)器、業(yè)務(wù)匯聚交換機(jī)、硬件管理交換機(jī)和防火墻等。

核心網(wǎng)網(wǎng)元名稱功能5GC（SA）AMF接入和移動(dòng)性管理功能，完成移動(dòng)性管理、NASMM信令處理、NASSM信令路由、安全錨點(diǎn)和安全上下文管理等SMF會(huì)話管理功能，完成會(huì)話管理、UEIP地址分配和管理、UP選擇和控制等UDM統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能，管理和存儲(chǔ)簽約數(shù)據(jù)、鑒權(quán)數(shù)據(jù)PCF策略控制功能，支持統(tǒng)一策略框架，提供策略規(guī)則NRF網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能，維護(hù)已部署NF的信息，處理從其他NF過(guò)來(lái)的NF發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求NSSF網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能，實(shí)現(xiàn)切片選擇功能UPF用戶面功能，完成用戶面轉(zhuǎn)發(fā)處理

承載網(wǎng)：由分布在廠區(qū)的傳輸接入設(shè)備、傳輸匯聚設(shè)備和光纖環(huán)網(wǎng)組成，實(shí)現(xiàn)5G基站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定傳輸承載。主要設(shè)備包括承載網(wǎng)核心設(shè)備和接入設(shè)備等。

無(wú)線網(wǎng)：由5G基站和5G接入終端設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端設(shè)備與5G網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)。主要設(shè)備包括BBU（基帶處理單元）、5G宏站（AAU有源天線單元、RRU射頻拉遠(yuǎn)單元）等。

終端設(shè)備：具有5G模組，插入授權(quán)后的5G專網(wǎng)卡能在廠區(qū)5G專網(wǎng)內(nèi)使用的各類終端設(shè)備稱為5G專網(wǎng)終端設(shè)備，包括5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、CPE、DTU、TSP、5G攝像頭等相關(guān)5G應(yīng)用終端通訊設(shè)備。

1.25G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

5G專網(wǎng)項(xiàng)目采用無(wú)線、承載和核心網(wǎng)的端到端整體解決方案，建設(shè)主備（在線和備用）共2套廠區(qū)專用5GSA網(wǎng)絡(luò)（獨(dú)立組網(wǎng)模式），5G核心網(wǎng)（5GC）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

5G終端接人無(wú)線基站，然后NR通過(guò)接入環(huán)MAR、匯聚環(huán)設(shè)備MER與5GC專網(wǎng)互通，核心網(wǎng)根據(jù)終端訪問(wèn)地址，送到不同的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)（圖2）?？紤]到廠區(qū)架空管道和高壓線密集，不利于宏站合理布局，因此采用宏站覆蓋+ 微站補(bǔ)盲的建設(shè)思路。室外宏站為分布式基站，采用 BBU+AAU 架構(gòu)。室內(nèi)區(qū)域使用Qcell、室內(nèi)宏站進(jìn)行5G覆蓋。5GC專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具備 Gbp/s 的峰值速率、毫秒級(jí)時(shí)延、數(shù)據(jù)不出園區(qū)的高度安全性，以及100萬(wàn)個(gè) /km² 的連接能力、 10Mbps/m² 流量需求，能夠滿足智慧工廠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)需求。尤其在安全領(lǐng)域，能夠提供專網(wǎng)級(jí)別安全保護(hù)，降低來(lái)自5GC精品專網(wǎng)的非法授權(quán)訪問(wèn)和利用系統(tǒng)漏洞、網(wǎng)絡(luò)蠕蟲等人侵攻擊對(duì)信息網(wǎng)產(chǎn)生威脅的風(fēng)險(xiǎn)。

25G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵行業(yè)的創(chuàng)新實(shí)踐

通過(guò)5G專網(wǎng)建設(shè)，針對(duì)生產(chǎn)域的不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，構(gòu)建“ 1+N+X^′ ’的5G全連接工廠構(gòu)架，在不同的分廠內(nèi)按需構(gòu)建工控專網(wǎng)，利用5G工控算力底座提供“端”“邊”“云”“網(wǎng)”“業(yè)”相融合的一體化解決方案，提供端到端的業(yè)務(wù)連接監(jiān)控，滿足鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)和管理等各個(gè)領(lǐng)域豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

圖15GC核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖25GC專網(wǎng)端到端連接

2.1“ 1+N+X^′ 的5G全連接工廠構(gòu)架

“1”個(gè)專屬核心網(wǎng)：專屬5GC下沉到廠區(qū)，可滿足企業(yè)物理設(shè)備、數(shù)據(jù)安全隔離的需求，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)完全不出廠區(qū)。5GC專網(wǎng)專用，還可以為企業(yè)應(yīng)用提供更低的業(yè)務(wù)時(shí)延和更好的SLA保障服務(wù)。

“N”個(gè)5G共享基站：目前廠區(qū)內(nèi)已建成63個(gè)5G共享基站，廠區(qū)內(nèi)5G覆蓋率達(dá) 95% 以上。廠區(qū)內(nèi)的5G基站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享的方式，一方面滿足廠區(qū)內(nèi)企業(yè)員工的網(wǎng)絡(luò)需求，另一方面利用網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)滿足廠區(qū)內(nèi)企業(yè)應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求。

“X”個(gè)工控專網(wǎng)：針對(duì)無(wú)人化行車、設(shè)備數(shù)據(jù)采集等工控應(yīng)用場(chǎng)景，在熱軋、冷軋、硅鋼建設(shè)下沉式5G工控專網(wǎng)，利用5G工控算力底座構(gòu)建“端”“邊”“云”“網(wǎng)”“業(yè)”相融合的一體化網(wǎng)絡(luò)。

2.2基于雙發(fā)優(yōu)收機(jī)制的雙頻工控專網(wǎng)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行是生產(chǎn)企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)、提升效率的重要因素，這就需要5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到垂直行業(yè)OT生產(chǎn)域以后，能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)高可靠地運(yùn)行。為了保障5G工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)端到端的業(yè)務(wù)確定性，可以通過(guò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署及異構(gòu)網(wǎng)上所承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)冗余傳輸方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)級(jí)高可靠保障。

雙發(fā)優(yōu)收冗余機(jī)制（frame replication andeliminationforreliability，F(xiàn)RER），通過(guò)兩條獨(dú)立的無(wú)線鏈路，在匯聚側(cè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)收轉(zhuǎn)發(fā)，既規(guī)避了空口無(wú)線鏈路的偶發(fā)干擾導(dǎo)致的重傳甚至丟包，也規(guī)避了單UE突發(fā)異常引起的業(yè)務(wù)中斷?；赟martEdge（簡(jiǎn)稱SE）邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和NodeEngine（簡(jiǎn)稱NE）算力單板的雙發(fā)選收功能，上行業(yè)務(wù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制，并通過(guò)兩個(gè)5G模塊分別進(jìn)行發(fā)送，在NE側(cè)進(jìn)行匯聚選收轉(zhuǎn)發(fā)；下行業(yè)務(wù)在NE網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行復(fù)制處理后，工業(yè)網(wǎng)關(guān)SE9102的兩個(gè)模組同時(shí)收取數(shù)據(jù)并進(jìn)行去重轉(zhuǎn)發(fā)，見(jiàn)圖3。

熱軋、冷軋產(chǎn)線無(wú)人化庫(kù)區(qū)的應(yīng)用需求中，行車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)應(yīng)滿足遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)通信時(shí)延、帶寬和移動(dòng)性要求，確保網(wǎng)絡(luò)連接安全可靠，組網(wǎng)與運(yùn)維簡(jiǎn)單。

針對(duì)以上需求定制優(yōu)化雙發(fā)優(yōu)收方案，原理是發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)RER功能將數(shù)據(jù)包進(jìn)行復(fù)制，沿不同路徑傳輸；接收端接收數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)RER功能刪除復(fù)制的數(shù)據(jù)包，只保留一個(gè)數(shù)據(jù)包。構(gòu)建雙頻5G網(wǎng)絡(luò)（3.5G和2.1G），通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)配置兩個(gè)5G模組，兩個(gè)5G模組分別接入兩個(gè)5G小區(qū)，實(shí)現(xiàn)雙鏈路傳輸。BBU（基帶處理單元）NodeEngine和無(wú)線網(wǎng)關(guān)上部署FRER服務(wù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的復(fù)制和重組，從而保證無(wú)線鏈路的可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)方式見(jiàn)圖4。

圖3基于SE+NE的雙方優(yōu)收組網(wǎng)模式

行車上PLC和攝像頭通過(guò)二層交換機(jī)連接雙模5G網(wǎng)關(guān)，行車數(shù)據(jù)從5G網(wǎng)關(guān)到BBU，通過(guò)NE分流到二層交換機(jī)，PLC業(yè)務(wù)經(jīng)控制匯聚交換機(jī)到WMS系統(tǒng)，攝像頭業(yè)務(wù)經(jīng)視頻匯聚交換機(jī)到視頻服務(wù)器。

雙頻5G專網(wǎng)具有以下5個(gè)優(yōu)點(diǎn)： ① 5G網(wǎng)絡(luò)專網(wǎng)專用，劃分獨(dú)立的端到端網(wǎng)絡(luò)切片，供行車業(yè)務(wù)專用。 ② 3.5G專網(wǎng)專屬視頻切片，2.1G專網(wǎng)專屬控制切片，滿足視頻業(yè)務(wù)與控制業(yè)務(wù)安全隔離。PRB（physical resourceblock，物理資源塊）資源預(yù)留，滿足控制業(yè)務(wù)安全隔離，無(wú)線空口帶寬資源專屬專用。 ③SE+NE 雙發(fā)優(yōu)收方案天車與地面二層通訊，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，設(shè)備故障結(jié)點(diǎn)更少。 ④ 行車數(shù)據(jù)通過(guò)NE本地分流，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)。 ⑤ 視頻SE同時(shí)作為控制業(yè)務(wù)的備用5G終端。SE有兩個(gè)通道：通道1接入3.5G網(wǎng)絡(luò)，承載視頻業(yè)務(wù)；通道2接入2.1G網(wǎng)絡(luò)，承載控制業(yè)務(wù)備份，若控制SE故障，交換機(jī)接入視頻SE通道2實(shí)現(xiàn)終端備份。

圖4工控專網(wǎng)通信模式

35G應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)5G專網(wǎng)的不斷完善，針對(duì)生產(chǎn)域的不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在不同的分廠內(nèi)按需構(gòu)建工控專網(wǎng)，滿足鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)和管理等各個(gè)領(lǐng)域豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，形成5大類25大工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，建成了 5G+ 全連接工廠。

（1） 5G+ 鐵鋼界面智慧管控

通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)車無(wú)人化操控，自動(dòng)摘掛、自動(dòng)駐車、自動(dòng)充電、機(jī)車位置信息自動(dòng)觸發(fā)道口報(bào)警、道口視瀕上機(jī)車。運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)輸工序可視化跟蹤管控，全物流成本管控?cái)?shù)據(jù)深人分析。 5G+ 鐵鋼界面系統(tǒng)全面上線以來(lái)，提升鐵水運(yùn)輸效率 10% ，降低鐵水溫降 10K。

（2） 5G+ 智慧生態(tài)環(huán)保

建設(shè) 5G+ 智慧生態(tài)環(huán)保平臺(tái)，針對(duì)環(huán)保監(jiān)測(cè)點(diǎn)多而分散的特點(diǎn)，融合5G、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，搭建從智能感知、智能分析到智能決策的智能化系統(tǒng)架構(gòu)和管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水、氣排放綜合管理，固廢利用/處置管理，綜合環(huán)保管理等，形成具備鋼鐵企業(yè)特色的智慧環(huán)?！按竽X”。

（3） 5G+ 無(wú)人化庫(kù)區(qū)

將5G專網(wǎng)與行車無(wú)人化相結(jié)合，通過(guò)交換系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，將實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻、各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。在地面的遠(yuǎn)程操作室通過(guò)設(shè)備操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)行車的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)操控，有效保證控制指令快速、準(zhǔn)確、可靠執(zhí)行，提高作業(yè)效率。 5G+ 無(wú)人化行車應(yīng)用，有效減少吊運(yùn)過(guò)程中的產(chǎn)品碰擦損失，人與設(shè)備交互作業(yè)危險(xiǎn)源可減少約 20% ，作業(yè)效率提升 10% 。

（4） 5G+ 數(shù)字設(shè)備

利用5G大帶寬的特點(diǎn)，圖像識(shí)別技術(shù)，高壓線路巡檢已經(jīng)通過(guò)無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)回傳實(shí)時(shí)視頻，依托平臺(tái)的算力資源，可實(shí)時(shí)查看無(wú)人機(jī)巡檢畫面并排查高空電纜及塔桿缺陷。在熱軋廠區(qū)，開(kāi)展 5G+PLC 數(shù)據(jù)采集，覆蓋23個(gè)電氣室，實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)集中至操控中心。避免高頻數(shù)采對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)及主干網(wǎng)帶寬的占用，同時(shí)提高安全性。

（5） 5G+ 檢修安全管理

運(yùn)用5G攝像機(jī)安裝便捷、布線少、移動(dòng)靈活的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)將檢修現(xiàn)場(chǎng)音視頻轉(zhuǎn)送至安全行為觀察系統(tǒng)。管理人員可以通過(guò)公司內(nèi)網(wǎng)訪問(wèn)系統(tǒng)，獲取現(xiàn)場(chǎng)畫面，調(diào)取監(jiān)控錄像，方便管理人員對(duì)檢修或技改項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安全管控。對(duì)高危作業(yè)中存在安全隱患及時(shí)告警，提前介入確保安全生產(chǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

本文圍繞5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵行業(yè)的深度融合展開(kāi)研究，系統(tǒng)探討了新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如何驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)鋼鐵制造向智能化、綠色化方向轉(zhuǎn)型。以某鋼鐵企業(yè)為案例，通過(guò)將5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低時(shí)延特性與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相結(jié)合，為行業(yè)的生產(chǎn)流程優(yōu)化、設(shè)備互聯(lián)互通及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析提供了全新路徑。特別是在煉鐵、軋制、物流等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，通過(guò)5G技術(shù)的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)鋼鐵制造中數(shù)據(jù)孤島、響應(yīng)滯后等問(wèn)題，顯著提升了生產(chǎn)效率和資源利用率，為行業(yè)節(jié)能減排和降本增效提供了可復(fù)制的解決方案。

本文摘自《寶鋼技術(shù)》2025年第2期