“5G+”与工业制造
“5G+”推动工业向智能升级
随着政策的推进和智能化生产概念的逐渐深入,工业行业的数字化转型逐渐加速,生产企业对于提高智能化生产水平、生产效率,降低生产运营安全隐患都有较高要求。连接是智能工厂的基础,先有大连接才有大数据,才有智能生产制造的未来。网络连接是智能工厂的基础,打造低时延、高可靠的网络基础设施是实现全要素各环节的泛在深度互联的前提。在加强工业互联网基础设施建设规划与布局的过程中,5G技术将帮助工业建设低时延、高可靠、广覆盖的工业互联网,为智能工厂的实现打下坚实基础。
目前,虽然有多数工厂已经进行了部分智能化、网联化升级,但多以工厂内工业级Wi–Fi和工业级专网为主,工厂外的网络连接设施不完备,并不能满足智能工厂的网络需求。而5G的到来,刚好为工业的智能化升级带来了福音。5G的高可靠性解决了工业级Wi–Fi可靠性差,经常出现丢包断网现象,导致工作现场整体停顿的问题;
5G的大连接能力允许大量的5G终端同时接入网络,解决了目前工业互联网设备接入能力差、部分设备经常掉线的问题;
5G的广覆盖解决了大厂房、跨厂房库房间远距离搬运的网络切换问题,保障设备永不离线;
5G技术的使用在授权频段内,运营商提供可靠的网络服务,解决了共有频率没有质量保障的问题。
5G的到来不单单解决现有工厂网络连接的问题,更能深入工厂的生产环节,为工业的生产制造带来更大提升。智能工厂生产环节网联需求见图12–1。
5G带来的大带宽、低时延、大连接等能力,结合边缘计算、云计算、人工智能等技术,能够为工厂的生产带来信息化升级、降本增效等多重效果,消除生产过程中的痛点,推动工业的智能化升级。
智能工厂应用场景
智能工厂作为实现智能制造的重要载体,是指以先进的信息网络技术和先进的制造技术深度融合,实现工厂生产操作、生产管理、管理决策三个层面全部业务流程的闭环管理,继而实现整个工厂全部业务流程上下一体化业务运作的决策、执行自动化。
目前工厂内主要有四大典型生产制造场景,分别为实时工业控制、设备和环境检测管理、物料供应管理、深度媒体交互,每个场景中都有5G连接的需求。
实时工业控制
随着柔性制造的推进,生产制造灵活性、柔性化成为发展趋势,原有的固定产线的生产模式逐渐被解构,灵活的可重新编排的制造单元、移动化机器人越来越多地进入厂房。5G在工厂内部的无线化部署替代了传统连接机械设备与可编程控制器间的现场工业总线,解决了固定线路阻碍灵活编排与机器人移动的问题。
此外,机械设备供应商逐渐从卖产品转向卖服务,从一次性买卖转向与工厂客户契动运营,卖出的机械设备需要随时在线,尤其是控制部分与外界需要更加广泛的数据融通。为了便于更加灵活地实时控制,本地化、封闭的生产制造执行系统逐渐被云化生产制造执行系统替代,随之硬件可编程控制器逐渐软件化、云化。5G网络的高可靠、低时延特性可以为云化的可编程控制器与机械设备提供快速、准确、安全的数据传输。生产制造系统对通信的连接需求包括:
• 时延:毫秒级超低时延,短周期在5~20毫秒,长周期在20~50毫秒。
• 可靠性:99.999%。
• 安全性:不会受到攻击,保障安全生产。
• 可靠性:只允许极少量的数据丢包。
设备和环境检测管理
智能化工厂中有大量的设备信息以及环境信息需要5G网络实现联网、采集与监测。通过5G网络,结合各类传感器,包括设备的精度、位置、数量、转速等数据在内的设备运行状态、使用情况被上传至制造管控系统,制造管控系统对设备进行预测性维护分析、告警实时处理。
此外,温度、湿度等信息经过5G网络也会被上传至制造管控系统,制造管控系统根据环境实时变化动态做出调整,再下发到相应的执行设备中,提高了厂房智能化管控的能力。设备检测管理中对通信的连接需求包括:
• 终端连接数:一个规模工厂内生产设备数量在万级以上。
• 电池寿命:许多设备,如环境传感器没有外接电源,对电池寿命要求高。
• 安全性:环境监测情况将直接影响生产决策,对安全性要求较高。
• 时延:环境实时变化,生产决策实时调整,当出现突发危险时需及时告警。
物料供应管理
物料供应运输设备(如AGV)在工厂内作业时具有很强的移动性,并且有自动控制需求,需要通过无线网络的方式接入,并且要保障其控制场景的低时延需求。相比当前大多采用的工业Wi–Fi连接方式,5G网络具有很大的优势,在可靠性、终端接入数量、移动性等方面都有较高的保障,让AGV在工厂内的应用发挥更大的价值。物料供应管理中对通信的连接需求包括:
• 时延:10~50毫秒。
• 安全性:AGV直接供物料至产线旁,出现差错将影响生产,对安全性要求较高。
• 可靠性:可接受少量丢包,但大量错误将造成AGV瘫痪,因此对可靠性要求较高。
• 连接数:货架智能化场景中,需要安装多种传感器,终端接入数据大。
• 电池寿命:货架多无外接供电,因此对传感器、通信模块电池寿命要求较高。
深度媒体交互
AR、平视显示、高清视频等新交互技术进入工厂生产中,能够加强人机交互,提升人员间协作能力,从而显著提升人员参与效率。同时,AR、高清视频的引入也对网络的带宽能力产生了较高的要求,这种情况下需要5G的大带宽能力来满足高清视频的交互。通过5G建立操作人员与操作对象(如机械设备)以及工厂智能中枢制造执行管控系统间的连接,可以使制造作业数据、图像与人形成深度交互。
此外,很多关键性需要人员参与的操作,设备作业环境严苛,危险度高,人员不宜近距离操作,需要通过5G的网络连接实现人员远程操作。人与执行设备的连接要求超低时延、高可靠、高安全性,差错容忍度很低,对网络连接提出很高要求,具体要求包括:
• 时延:10~25毫秒。
• 安全性:安全级别很高。
• 可靠性:99.999%。
• 带宽:50Mbps(AR)、20Mbps(4K视频)。
“5G+”赋能工业制造
柔性制造和云化生产制造执行系统已成为工业制造的发展趋势,5G推动工业制造从有序生产向无序化生产演进,提高定制化产品生产效率,赋能行业。
生产线生产是工业制造在早期阶段大规模提升效率的里程碑式发展。福特发明了生产线,将生产环节带入了一个有秩序的生产时代,工业化生产使产品成本大幅下降。丰田推动了精益生产,使生产线的效率和水平又进一步提高。然而,随着工业的发展和客户定制化需求的提高,柔性制造逐渐成为生产环节的主流。过去的生产线确实很好,可以在大规模生产线上实现个性化定制和个性化生产,但是一个商品一定要走完生产线的全过程。由于商品是个性化的,所以这个产品可能在生产线的第10个步骤需要被操作,而第11个步骤与它没有关系,只有在第12个步骤才需要操作,但是作为一个商品其必须走完生产线的全部过程才能完成生产。无序生产的意思就是产品不要在生产线上走,而是根据自身需要按需去找它的生产环节完成生产。例如,一条工业生产线不再是垂直的流水线而是若干个制造中心,一个产品需要4个步骤,它就去4个制造中心完成生产,不必在生产线上浪费时间,从而提高效率。
流水线是有严格的信息传递的,制造中心是可以随时分裂的,这就要靠无线来构建,因此制造中心的联网就需要5G。就像扫地机器人一样,没电就可以自己回去充电,以后的产品生产不再是你要生产产品,而是产品自己找地方完善自己,无序化的智慧生产将给工业制造带来一个全新的理念。
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