專題丨基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠
作者簡介
趙國賓
永卓控股有限公司總裁助理、企業(yè)首席信息官、數(shù)字創(chuàng)新部部長，研究方向為企業(yè)管理、數(shù)字化、信息化、智能化規(guī)劃建設運營。
趙俊杰
永卓控股有限公司數(shù)字化管理室主任，研究方向為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型規(guī)劃、新一代信息技術應用、精益+數(shù)字化提升業(yè)務場景價值應用管理。
祁萌
永卓控股有限公司數(shù)字化管理室項目經(jīng)理，研究方向為企業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化項目規(guī)劃與建設管理。
楊慧
永卓控股有限公司數(shù)字化管理室科技申報經(jīng)理，研究方向為數(shù)字化、信息化、智能化科技項目申報、知識產(chǎn)權和企業(yè)資質(zhì)建設管理。
顧銀琴
永卓控股有限公司數(shù)字化管理室體系經(jīng)理，研究方向為數(shù)字化、信息化、智能化體系建設運營管理。
論文引用格式：
趙國賓, 趙俊杰, 祁萌, 等. 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠[J]. 信息通信技術與政策, 2023, 49(11): 55-64.
基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠
趙國賓 趙俊杰 祁萌 楊慧 顧銀琴
（永卓控股有限公司，張家港 215600）
摘要：永卓控股旗下的永鋼集團冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠使用5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術改善了傳統(tǒng)的大體量、粗放式、弱研發(fā)、輕環(huán)保的管理模式，實現(xiàn)了生產(chǎn)集控化、安環(huán)可視化、作業(yè)無人化、點檢智能化、協(xié)同高效化、管理智慧化，將工廠打造成高度信息化和智能化的“黑燈工廠”。
關鍵詞：5G；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；綠色工廠
0 引言
近年來，為積極響應國家創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展等高質(zhì)量發(fā)展要求，一些公司大力推進信息化、數(shù)字化、智能化建設，在全流程生產(chǎn)設備全面自動化、數(shù)字化和工廠管理全面智慧化的基礎上，加強網(wǎng)絡化建設，充分利用5G、大數(shù)據(jù)、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等新一代信息技術和窄帶物聯(lián)網(wǎng)、超寬帶等網(wǎng)絡通信技術，構建自身的物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過“精益+數(shù)字化”實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的技術、業(yè)務、組織兩化融合四要素協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)了生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、設備運行、能源管控、物流運輸、環(huán)境監(jiān)控等企業(yè)運營管控智慧化。
1 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的設計意義
1.1 建設冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠，是鋼鐵行業(yè)企業(yè)落實政策、合規(guī)經(jīng)營的必經(jīng)之路
鋼鐵冶金工業(yè)的發(fā)展促進了經(jīng)濟的快速增長，為經(jīng)濟建設提供了物質(zhì)保障，但冶煉生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量廢渣、廢物等也成為了環(huán)境污染的主要來源。鋼鐵廠廢渣含有多種硫化物、氧化物等有害物質(zhì)和污染物，成分復雜。如果未經(jīng)妥善處理而隨意排放，其產(chǎn)生的粉塵和顆粒物會隨著空氣流動釋放到大氣環(huán)境中，危害人體健康。
隨著當前環(huán)保治理力度的加大，節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的主題。如何把鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鋼渣、富鋅含鐵除塵灰固體廢物全面回收利用，實現(xiàn)變廢為寶，是企業(yè)建設綠色智能工廠必須面對的問題，也是鋼鐵行業(yè)企業(yè)落實政策、合規(guī)經(jīng)營的必然選擇。
1.2 基于5G 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建廠的意義
制造業(yè)在發(fā)展期間，相關人員應不斷分析和探索“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”時代的特點，同時將制造高端裝備作為核心，持續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新制造模式，提升高端裝備制造質(zhì)量和效率[1]。冶金塵泥循環(huán)利用綠色智能工廠響應國際智能制造與固廢處理方針，應用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一系列技術，結合5G實現(xiàn)整體智能，在鋼鐵行業(yè)內(nèi)有標桿效應，可在其他地區(qū)鋼鐵企業(yè)落地進行推廣。
2 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的技術方案
2.1 5G CPE規(guī)劃
在廠區(qū)，5G 客戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）以鼎橋的CPE Ins2.0為主。該CPE防護等級為IP65，工作溫度為-40 ℃~60 ℃，可以較好地滿足廠區(qū)的環(huán)境要求。
因為CPE在實際部署過程中遇到了信號干擾的問題，通過對比站間擋板和CPE縮口屏蔽罩兩種抗干擾方案，最終采用縮口屏蔽罩方案，使得鄰小區(qū)干擾下降4~5 dBm，本小區(qū)干擾下降2~3 dBm，能量匯集與干擾控制較好，可解決多終端并發(fā)帶來的小區(qū)間干擾問題。
2.2 網(wǎng)絡高可用方案
遠程訪問路由器（Access Router，AR）采用1+1熱備方案，一個設備接兩個CPE（Ins2.0），采用負荷分擔；基站基帶板1+1備份、主控板1+1備份；多接入邊緣計算池（Multi-access Edge Computing Pool，MEC POOL）組網(wǎng)；利用已經(jīng)建設好的微波等，實現(xiàn)5G+微波雙鏈路，提高網(wǎng)絡可靠性。
2.3 終端組網(wǎng)
IP攝像頭和天車控制可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等都采用私網(wǎng)IP地址通信，為了局域網(wǎng)二層通訊能承載5G網(wǎng)絡，需要在5G網(wǎng)絡上疊加一條隧道。關于隧道技術的選擇，根據(jù)實際情況的分析評估，通用路由封裝（Generic Routing Encapsulation，GRE）處理器開銷較小，可支持L2及L3的隧道，因此，推薦采用GRE隧道技術。
以5G遠控天車場景為例，5G CPE工作在橋接模式（二層透傳），天車和中控室的AR分別從5G核心網(wǎng)獲取運營商IP地址，可以通過動態(tài)主機配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）每次都獲取相同的IP（需要核心網(wǎng)設置相應策略），也可以由運營商分配好后，配置靜態(tài)IP地址。這樣就可以在兩臺AR之間建立起GRE隧道。由于本方案中還采用了微波備份，可以在微波鏈路上也同時建立一條GRE隧道，并在GRE隧道上配置雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢查（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）連通性檢測功能。這樣，當一條隧道連接斷開，可以快速切換到備用隧道。由于GRE隧道的引入，增加了報文的開銷，為了保障IP攝像頭這類大數(shù)據(jù)包的傳輸，攝像頭的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）可設置為1 400。
2.4 邊緣云方案
該技術方案的云邊協(xié)同總體架構如圖1所示。
圖1 云邊協(xié)同總體架構圖
5G全連接工廠建設場景主要基于機器視覺AI的分析應用、AR輔助裝配等，針對工廠目前的設備、機器、倉儲、物流調(diào)度等業(yè)務需求及后續(xù)產(chǎn)業(yè)智能化升級規(guī)劃目標，采用邊云協(xié)同的解決方案，邊緣云采用信息交換模式（Message Exchange Pattern，MEP）方案。
邊緣云部署AI推理應用，中心云用于模型訓練。中心云和邊緣云之間通過智能邊緣平臺（Intelligent EdgeFabric，IEF）解決方案（見圖2）實現(xiàn)邊云協(xié)同。
圖2 IET解決方案
通過邊緣云、中心云的協(xié)同，實現(xiàn)5G定制網(wǎng)絡的穩(wěn)定時延接入能力、可靠性保障能力以及差異化隔離能力，中心云資源將基于5G切片/負極-正極-負極晶體管（Negative-Positive-Negative，NPN）實現(xiàn)多種顆粒度接入控制，避免工廠專屬資源被強占（見圖3）。
圖3 多種顆粒度接入控制示意圖
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，對各排放點、環(huán)保設備、固廢計量器、氣象參數(shù)等采用在線自動監(jiān)控、自動檢測、自動報警等智能化控制手段，通過超低排改造，建設更加綠色、安全、可靠的工廠環(huán)境。
（1）建立全流程自動化流水生產(chǎn)線。全流程提升智能制造應用比率，實施“信息化、智能化替代人工”策略。鼓勵從鋼鐵材料生產(chǎn)工藝設計，到鋼鐵材料組織性能預測與控制，到鋼鐵生產(chǎn)智能制造等方面向全流程多層次技術組合的一體化控制方向發(fā)展，以便更好地滿足客戶需求，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和能源效率。
（2）通過新增表面質(zhì)量檢測儀和在線技監(jiān)診斷自動分析系統(tǒng)，讓操作工在生產(chǎn)過程中能實時觀察到產(chǎn)品表面缺陷，以便及時采取針對性措施規(guī)避產(chǎn)品缺陷，降低不良率；同時，實現(xiàn)產(chǎn)品檔案的建立和追溯，有效提高售后服務水平。
（3）新增在線設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過建立信號分析方法庫、設備診斷規(guī)則庫、趨勢預警、遠程通訊等功能模塊，實現(xiàn)設備狀態(tài)綜合評價與故障預警、故障診斷分析、遠程技術支持，使所有重要設備的運行狀態(tài)在系統(tǒng)畫面上一目了然，實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，做到精準高效的管控設備，使得設備運轉(zhuǎn)率大幅提升。
（4）安全管理系統(tǒng)通過采用.NET技術，搭建瀏覽器/服務器（Browser/Server，BS）三層安全系統(tǒng)管理平臺，建立安全檢查及隱患排查治理、風險管理、安全教育培訓、特種設備設施管理、外協(xié)單位管理、安全預測預警、安全數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、安全知識庫等九大功能模塊，實現(xiàn)網(wǎng)絡化的現(xiàn)場管理、安全人管理、安全物管理的三級管理制度。
（5）基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)平臺技術，并采用鋼鐵流程能量流網(wǎng)絡信息描述模型實施能源監(jiān)控智能優(yōu)化平臺，實現(xiàn)所有能源介質(zhì)的在線實時監(jiān)控，杜絕了浪費現(xiàn)象，工序能耗穩(wěn)步下降至設計水平的70.7%。
3 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的設計與實施
3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺整體規(guī)劃
通過研究5G在工業(yè)領域中的典型應用場景，對5G在工業(yè)應用中的適用性進行分析，給出在典型行業(yè)的5G應用解決方案，對于指導和推動5G在工業(yè)應用落地具有重要意義[2]。采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，構建“平臺+應用”模式輸出數(shù)字化和智能化服務。底層借助5G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等物聯(lián)技術，使智能設備、儀表及工業(yè)控制系統(tǒng)互聯(lián)，建立企業(yè)級私有云基礎設施服務（Infrastructure as a Service，IaaS）和光纖網(wǎng)絡；平臺通過統(tǒng)一接口企業(yè)服務總線（Enterprise Service Bus，ESB）與企業(yè)原有的企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）、L2系統(tǒng)對接，在平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）層實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集并集成各類工業(yè)模型組件，重點打造出智慧運營類應用程序（Application，APP）和智能制造類APP（見圖4）。
圖4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺整體規(guī)劃圖
在生產(chǎn)制造現(xiàn)場，通過不同場景化應用的智能裝備與平臺建立連接，制定上層運管的質(zhì)量標準、工藝標準及檢修管理活動和作業(yè)計劃。通過平臺任務調(diào)度指令實時下達給現(xiàn)場各類智能測溫、自動噴印機器人等設備，形成信息流、物質(zhì)流和控制流三流同步合一，保障產(chǎn)品制造全過程質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)高效。
3.2 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠技術架構
5G全連接工廠從系統(tǒng)層級、智能功能、生命周期3個維度出發(fā)，考慮基礎、安全、管理、監(jiān)測評價、可靠性能共性要求，使用先進自動化、智能化設備及系統(tǒng)，在搭建數(shù)據(jù)平臺的基礎上引入建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、 虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、5G等新興技術，開發(fā)各類應用來提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提升安全生產(chǎn)水平，并為工廠的下一步發(fā)展化夯實數(shù)據(jù)基礎。
工廠數(shù)據(jù)平臺主要集成三方面數(shù)據(jù)，即基礎數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。在集成數(shù)據(jù)平臺的基礎上，開發(fā)了生產(chǎn)工藝、設備與點巡檢、安全環(huán)保、智能物流、視頻監(jiān)控、廠區(qū)導覽、成本管理等八大功能模塊，具體功能如表1所示。
表1 八大功能模塊
3.3 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的核心場景應用
基于5G通信技術的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用，極大地滿足了一些場景的應用需求，如高速移動、旋轉(zhuǎn)和網(wǎng)絡部署維護，在強化信息傳輸效率的同時還可以降低運行成本投入[3]。
3.3.1 虛擬現(xiàn)場服務5G全連接工廠使用BIM技術構建全廠的三維模型。傳統(tǒng)的三維建模，往往使用3DMax等純圖形軟件，建成的模型僅包含幾何性質(zhì)，僅能做展示用，無法將其與其他數(shù)據(jù)相關聯(lián)。近年來，智能三維模型軟件被越來越多地用于工業(yè)三維建模，而BIM技術是其中應用較為廣泛的。BIM的核心是通過建立虛擬的三維模型，利用數(shù)字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含非構件對象（如空間、運動行為）的狀態(tài)信息。借助生產(chǎn)線的三維模型，大大提高了生產(chǎn)的信息集成化程度，從而將生產(chǎn)打造成一個工程信息交換和共享的平臺。BIM模型中的每一個實體，均能夠被賦予自定義的屬性，并通過這些屬性與其他系統(tǒng)進行關聯(lián)。點擊模型中的實體，便可獲取各種信息。如點擊攝像頭打開實時視頻，當設備異?；蚬收蠄缶瘯r，中控工可以通過BIM平臺快速定位到該設備并采取相應操作。
3.3.2 廠區(qū)智能理貨3D勞動機器化如圖5所示，通過對轉(zhuǎn)底爐的崗位梳理與工作職責分析，識別出 3D（即Dirty：環(huán)境惡劣、Difficult：困難復雜、Dangerous：危險勞動）崗位，引進上料無人行車、成品料倉自動發(fā)貨、鋅粉自動收集、鋅粉包裝自動噴碼、無人轉(zhuǎn)運小車、智能倉庫、自動清料等機器人替代人工勞動。圖5所示廠區(qū)現(xiàn)有2 000 套設備入網(wǎng)，其中智能裝備136 套。未來，該廠區(qū)預計升級改造設備1 500 套，新增智能裝備300 套，打通控制系統(tǒng)100 套，并新增500 萬個數(shù)據(jù)點。
圖5 3D勞動機器化
3.3.3 無人智能巡檢如圖6所示，利用可視化技術可實現(xiàn)“無人點巡檢”。通過創(chuàng)建一名“虛擬員工”，在制定巡檢路線上實現(xiàn)一鍵開啟智能巡檢，代替真人現(xiàn)場巡檢。以“虛擬員工”的視角，在制定好的路線中查看相關設備數(shù)據(jù)。“虛擬員工”點巡檢的效率是普通員工的3倍左右，在“虛擬員工”巡檢過程中，只要有一處設備發(fā)生故障，顯示大屏上就會發(fā)出警報信息，工作人員便能在第一時間發(fā)現(xiàn)問題并迅速采取措施。這不僅可以讓“虛擬員工”按照設定路線點巡檢，還能讓身處中控室的普通員工通過VR模擬生產(chǎn)的真實環(huán)境，只要帶上VR眼鏡就能實現(xiàn)去任意位置點巡檢。這種“足不出戶”的點巡檢方式，不僅可以讓工廠員工在任意時間“親臨”生產(chǎn)現(xiàn)場對設備進行檢查，還能在保證安全的前提下，有效降低安全培訓成本。
圖6 數(shù)字化點巡檢
3.3.4 生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測如圖7所示，配合定位手環(huán)，中控室大屏上的紅色部分是重點管控區(qū)域設置的電子圍欄，當員工靠近或者誤入此區(qū)域時，系統(tǒng)會自動報警提醒員工，極大降低了安全隱患。在一些特定作業(yè)時，例如點巡檢過程中的人員或作業(yè)檢修人員進入重點管控區(qū)域，超出安全作業(yè)時間時，系統(tǒng)也會自動報警并將信息反饋到中控室，中控室數(shù)字化工廠的報警系統(tǒng)模塊會實時聯(lián)動報警，第一時間通知管理人員。
圖7 電子圍欄
工廠配備高精度人員定位管理系統(tǒng)，結合移動定位技術和5G通信技術，為員工配置智能定位手環(huán)，除可隨時檢測人員活動范圍外，還可以實時監(jiān)測人員健康狀態(tài)。
3.3.5 生產(chǎn)效能管控5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在設計之初即構建了專屬的能源管理系統(tǒng)并接入企業(yè)級能源管理平臺，不僅可實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場內(nèi)部的能耗數(shù)據(jù)采集和管理，還能支撐企業(yè)級的能源調(diào)度和管理要求，通過公司級的能耗管理向下層層追溯，可以做到工序、班組、產(chǎn)品的能源精細化管理，大幅減少能源浪費（見圖8）。工廠的能源綜合管理系統(tǒng)中建有產(chǎn)耗預測模型，實現(xiàn)了對水、電、氧、氣（汽）等消耗的實時監(jiān)控、指標超預警功能，能耗目標≤190.907 kgce/t；還建有物料消耗的配料計算模型，在滿足成品質(zhì)量要求的前提下，可實現(xiàn)原輔料最低成本配比。
圖8 智慧能源管理
利用能源綜合管理系統(tǒng)，處理分析轉(zhuǎn)底爐能源消耗的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)耗數(shù)學模型，并通過可視化技術展現(xiàn)在轉(zhuǎn)底爐中控室。通過數(shù)字模型預測生產(chǎn)水、電、氣（汽）等能耗，完成數(shù)據(jù)分析改進、能耗異常監(jiān)測、指標超預警功能，從而控制轉(zhuǎn)底爐能源消耗，實現(xiàn)資源的優(yōu)化調(diào)度和有效管理。
4 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的關鍵核心技術
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)依賴高速通信網(wǎng)絡技術，分析性能卓越的5G通信網(wǎng)絡有力地推動互聯(lián)網(wǎng)應用的快速發(fā)展，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用產(chǎn)生巨大影響[4]。
4.1 5G組網(wǎng)
由于工廠車間大多為金屬結構，有線方式布線困難，傳統(tǒng)無線通信設備無法可靠使用，傳統(tǒng)的“Wi-Fi+有線”方式無法達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。同時，考慮到私密性及低時延要求，本文采用“5G專網(wǎng)+MEC”方案，用來傳輸各種數(shù)據(jù)、視頻等。其中，MEC部署在蘇州電信機房，作為網(wǎng)絡邊緣計算平臺，和公網(wǎng)演進型分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）共用機房資源，專網(wǎng)的控制面和業(yè)務面流量均與公網(wǎng)EPC隔離。公網(wǎng)用戶接入新空口（New Radio，NR），S1 流量正常路由接入EPC，不經(jīng)過MEC設備。企業(yè)專網(wǎng)用戶通過專屬公共陸地移動網(wǎng)絡（Public Land Mobile Network，PLMN）接入MEC設備，專網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)直接通過專網(wǎng)的傳輸鏈路到達MEC設備，傳向企業(yè)服務器，專網(wǎng)數(shù)據(jù)不經(jīng)過公網(wǎng)核心網(wǎng)。且MEC無需對EPC做任何的軟件和硬件上的改動，僅需要本地修改基站部分路由的數(shù)據(jù)，如跟蹤區(qū)域碼（Tracking Area Code，TAC）參數(shù)。
在運營商提供的基礎設施（公有云、行業(yè)云、CMNET、承載網(wǎng)等）下，共25 個基站，將網(wǎng)絡部署在核心機房，再轉(zhuǎn)為廠區(qū)范圍內(nèi)的專用網(wǎng)絡，最終傳輸?shù)絽^(qū)域內(nèi)的各數(shù)字終端。
5G組網(wǎng)數(shù)據(jù)指標：切片速率方面，單終端極速上行率100 Mbit/s，下行率1 000 Mbit/s；單終端暢聯(lián)上行速率60 Mbit/s，下行率500 Mbit/s。時延及抖動方面，最大雙向時延小于40 ms，平均雙向時延20 ms。5G覆蓋率95%，平均參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）為-95 dbm，平均信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）為3，誤塊率（Block Error Rate，BLER）為15，丟包率0.50%，上行平均速率80 Mbit/s，下行平均速率800 Mbit/s，NR切換成功率98%。
4.2 工廠聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，計算機在工業(yè)自動化領域發(fā)揮著越來越重要的作用。工廠中選用了各種智能儀器儀表，這些智能設備的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡實時地采集到應用系統(tǒng)，從而將設備的運行狀態(tài)采集到分布在不同地理位置的應用系統(tǒng)中，方便工作人員隨時掌握設備的生產(chǎn)信息，并做狀態(tài)跟蹤、故障診斷等。
在線數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)是銜接各個自動化系統(tǒng)與MES、點巡檢系統(tǒng)及安全環(huán)保系統(tǒng)之間的橋梁，能夠自動在線采集設備狀態(tài)、故障、報警、能耗、加工步驟等狀態(tài)信息，接收管理系統(tǒng)的計劃、指令，并將這些信息下發(fā)到各個自動化及控制系統(tǒng)，同時采集各個自動化及控制系統(tǒng)的操作實績信息，通過計算匯總之后再反饋至各個管理系統(tǒng)。在線數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括能源的數(shù)據(jù)、原輔料的消耗數(shù)據(jù)、成品的產(chǎn)出及發(fā)出貨數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程實績數(shù)據(jù)，以供信息資源互通、數(shù)據(jù)集成與共享。
4.3 工廠邊緣計算設計
5G全連接工廠中的邊緣計算主要應用在人員定位方案中，考慮到UWB定位數(shù)據(jù)的私密性及低時延要求，本文采用“5G專網(wǎng)+MEC邊緣計算”方案，具體組網(wǎng)架構如圖9所示。
圖9 “5G+MEC+UWB”定位組網(wǎng)拓撲圖
MEC部署在蘇州電信機房，作為網(wǎng)絡邊緣計算平臺，對定位芯片上傳的數(shù)據(jù)進行處理。MEC邊緣計算結合5G網(wǎng)絡的組網(wǎng)方案具有超帶寬（本地服務，不受核心網(wǎng)帶寬限制）、低時延（本地處理，適合工業(yè)自動化等重要通信應用）、大連接（本地計算，內(nèi)容匯整增強，減少傳輸負荷）、高可靠性（企業(yè)業(yè)務在本地處理，具有更高的安全性）的特點，可為移動終端提供更好的業(yè)務體驗。
針對專網(wǎng)用戶鑒權原理和實現(xiàn)方式，為確保只有企業(yè)內(nèi)的特定用戶才能使用專網(wǎng)業(yè)務，MEC提供了對用戶的多重鑒權方式。專網(wǎng)用戶只能通過專屬PLMN和專屬接入點名（Access Point Name，APN)接入MEC設備。同時，MEC設備會對想要登錄的終端的用戶識別模塊(Subscriber Identity Module，SIM)卡的國際移動用戶識別（International Mobile Subscriber Identification，IMSI）碼進行鑒別，僅允許在MEC中被寫入相應信息的終端登錄。
5 基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠的技術創(chuàng)新成果
以5G為核心切入制造行業(yè)，以大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、機器視覺、AR點檢及培訓等集成應用與工業(yè)軟件構建智能工廠產(chǎn)品體系和解決方案能力數(shù)字化轉(zhuǎn)型是制造業(yè)未來發(fā)展的必由之路[5]。5G全連接工廠現(xiàn)已實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的數(shù)字化，信息、數(shù)據(jù)可以在執(zhí)行層、基礎層、管理層間進行交互。工廠中基礎層的設備均已具備數(shù)字化功能，物料、輔具、人員等生產(chǎn)資源已具備了可數(shù)字化識別的能力。通過數(shù)字化貫穿執(zhí)行層中各個管理模塊的業(yè)務、活動及資產(chǎn)管理，實現(xiàn)生產(chǎn)精益化、透明化。同時，從統(tǒng)籌管理角度出發(fā)，能效管理、安全管理、環(huán)境管理、辦公自動化、項目管理等已與公司級平臺對接。
生產(chǎn)設備數(shù)字化、智能化、自動化覆蓋率為99%。應用射頻識別、二維碼等方式對生產(chǎn)資源進行自動、半自動識別，使得工廠的自動化信息、數(shù)據(jù)采集率達到95%；運用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術實現(xiàn)工廠內(nèi)各層級資源之間的信息交互；建有的MES、質(zhì)量管理、設備管理等系統(tǒng)已覆蓋工廠生產(chǎn)制造全過程；研發(fā)的設備狀態(tài)監(jiān)控的故障預測、微檢修、VR檢修、人員定位健康監(jiān)控等系統(tǒng)則可以對人和物的安全進行有效地分析、評估、預防、規(guī)避，大幅提高安全生產(chǎn)水平。5G全連接工廠固廢成效如表2所示。
表2 5G全連接工廠固廢成效
5G全連接工廠的績效指標如表3所示，滿足《國家智能制造標準化建設體系指南》《江蘇省“十三五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》的相關績效要求。
表3 5G全連接工廠績效指標優(yōu)化情況
工廠全面5G化的應用效果如下。
（1）降低布線成本：“5G+UWB”方案可以大大減少布線的需求，因為5G網(wǎng)絡本身是一個無線通信技術，可以避免傳統(tǒng)的有線布線方式帶來的高成本和復雜性問題。同時，UWB技術具有精確測距和定位的功能，可以在室內(nèi)和復雜環(huán)境中實現(xiàn)高精度定位，而不需要布設大量的傳感器和線路。
（2）提高上線速度：由于5G網(wǎng)絡的高速度數(shù)據(jù)傳輸能力，無人天車的控制系統(tǒng)可以更快地獲取車輛的狀態(tài)和位置信息，并更快地發(fā)送控制指令。這可大大縮短無人天車的上線時間，提高其工作效率。
（3）增強可靠性和穩(wěn)定性：5G網(wǎng)絡具有更高的可靠性和穩(wěn)定性，因為其具有更好的通信協(xié)議和更強的技術支撐。這可以確保無人天車在運行過程中不會因為通信問題而出現(xiàn)故障或停機。
隨著5G技術的不斷發(fā)展和普及，人們可以預見未來無人天車將會更加智能化和自動化。例如，通過5G網(wǎng)絡連接更多的傳感器和設備，無人天車可以更好地感知周圍環(huán)境，更加智能地規(guī)劃和執(zhí)行任務。同時，通過與云計算和人工智能技術相結合，無人天車可以實現(xiàn)更高級別的自動化，甚至可以達到自主決策和自我學習的能力。
6 結束語
本文提出通過5G技術構建工廠的物聯(lián)網(wǎng)，將車間所有工作人員與設備納入物聯(lián)網(wǎng)的管理。工廠車間大多為金屬結構，有線方式布線困難，傳統(tǒng)無線通信設備無法可靠使用，故可采用“5G專網(wǎng)+MEC邊緣計算”方案，用來傳輸各種數(shù)據(jù)、視頻、信息等。通過打造堅實的5G通信底座，本文所述工廠在自動化、信息化、智能化方面得以大刀闊斧的改革和建設，前后獲得省智能制造示范工廠、江蘇省5G全連接工廠、中國標桿智能工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能綠色低碳發(fā)展優(yōu)秀案例等榮譽稱號。
Green intelligent factory for metallurgical dust and mud recycling based on 5G and Industrial Internet
ZHAO Guobin, ZHAO Junjie, QI Meng, YANG Hui, GU Yinqin
(Everrising Holdings Co., Ltd., Zhangjiagang 215600, China)
Abstract: The green intelligent factory for metallurgical dust and mud recycling is owned by Everrising Holdings’ Yonggang Group. By using technologies such as 5G, Industrial Internet, and big data, the factory has improved the traditional large-scale and extensive management mode which has weak research and development abilities and ignores environmental protection. It has also achieved centralized control of production, security visualization, unmanned operation, intelligent spot inspection, efficient cooperation, and intelligent management. And it has transformed into a highly informationized and intelligent “dark factory”.Keywords: 5G; Industrial Internet; big data; green factory
本文刊于《信息通信技術與政策》2023年 第11期
主辦：中國信息通信研究院
《信息通信技術與政策》是工業(yè)和信息化部主管、中國信息通信研究院主辦的專業(yè)學術期刊。本刊定位于“信息通信技術前沿的風向標，信息社會政策探究的思想庫”，聚焦信息通信領域技術趨勢、公共政策、國家/產(chǎn)業(yè)/企業(yè)戰(zhàn)略，發(fā)布前沿研究成果、焦點問題分析、熱點政策解讀等，推動5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字經(jīng)濟、人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云計算等技術產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展，引導國家技術戰(zhàn)略選擇與產(chǎn)業(yè)政策制定，搭建產(chǎn)、學、研、用的高端學術交流平臺。
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