5G+工業(yè)PON在智慧工廠中的融合應(yīng)用

李賢毅

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022）

0 引 言

隨著我國(guó)智能制造2025的提出，加快了傳統(tǒng)制造業(yè)向高端制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，奠定了我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)。同時(shí)，5G、工業(yè)PON以及人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，以及與高端制造業(yè)的進(jìn)一步融合，催生了智慧工廠的建設(shè)需求，加快5G、工業(yè)PON、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)在智慧工廠中的應(yīng)用，可提升智慧工廠網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化以及智能化水平。

5G大容量、低時(shí)延以及超寬帶的特點(diǎn)，將與智慧工廠解決方案核心要素契合，必將帶動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的加速落地。5G+工業(yè)PON在垂直行業(yè)應(yīng)用能力的提升，將使其走進(jìn)越來(lái)越多的企業(yè)，同時(shí)機(jī)器視覺(jué)、無(wú)人車(chē)輛以及遠(yuǎn)程控制等尖端5G應(yīng)用將助力傳統(tǒng)制造業(yè)新一輪的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 智慧工廠解決方案核心要素

智能制造的核心發(fā)展趨勢(shì)是大容量、低時(shí)延、超寬帶、靈活、高可靠及信息安全，以支持工業(yè)場(chǎng)景的發(fā)展需求。智慧工廠解決方案核心要素為超級(jí)透明、超級(jí)柔性以及超級(jí)智慧。超級(jí)透明指人與人、人與設(shè)備、人與系統(tǒng)以及系統(tǒng)與系統(tǒng)等之間所有信息是透明的，可以隨時(shí)交互通信。超級(jí)柔性包括組織柔性、物流柔性以及生產(chǎn)柔性。組織柔性包括定制協(xié)同、制造協(xié)同、銷(xiāo)售與生產(chǎn)協(xié)同、生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)同、采購(gòu)計(jì)劃協(xié)同以及生產(chǎn)執(zhí)行協(xié)同，物流柔性包括智慧物料供應(yīng)與送達(dá)及物流全業(yè)務(wù)掃碼驅(qū)動(dòng)，生產(chǎn)柔性包括柔性產(chǎn)線(xiàn)與物料關(guān)系、柔性工藝路線(xiàn)、作業(yè)與技術(shù)文檔以及出錯(cuò)與返工等。超級(jí)智慧包括智慧排程、智慧現(xiàn)場(chǎng)以及智慧物流。其中，智慧排程包括排程計(jì)算模型、訂單排程、有限產(chǎn)能排程、柔性產(chǎn)線(xiàn)定義、網(wǎng)絡(luò)工藝計(jì)劃以及需求優(yōu)先級(jí)等，智慧物流包括智慧物料供應(yīng)、智慧立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)、智慧亮燈揀貨系統(tǒng)以及物料的混用替代與組合替代，智慧現(xiàn)場(chǎng)包括智慧電子看板、現(xiàn)場(chǎng)智慧防錯(cuò)、技術(shù)檔案管理、全程的質(zhì)量與追溯管理以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)異常處理[1]。

2 5G技術(shù)在智慧工廠中的應(yīng)用

智慧工廠5G應(yīng)用可分為IT域、OT域以及CT域。IT域系統(tǒng)設(shè)備包括OA系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、CRM系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)、預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等。OT域系統(tǒng)設(shè)備包括現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)等通信方式。CT域系統(tǒng)設(shè)備包括5G核心網(wǎng)、邊緣計(jì)算MEC、基站以及工業(yè)CPE等[1]。CT域連接IT域和OT域，為工廠提供網(wǎng)絡(luò)承載和業(yè)務(wù)質(zhì)量保障。

智慧工廠網(wǎng)絡(luò)由工廠內(nèi)網(wǎng)和工廠外網(wǎng)組成。工廠內(nèi)網(wǎng)中，通過(guò)5G基站和室內(nèi)分布基站對(duì)工廠園區(qū)和車(chē)間內(nèi)部進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋，覆蓋方案見(jiàn)圖1。工業(yè)機(jī)器數(shù)據(jù)可通過(guò)5G數(shù)據(jù)采集模塊采集后上傳到后端設(shè)備，通過(guò)園區(qū)和工廠網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器進(jìn)行處理。不具備5G通信數(shù)據(jù)采集能力的工業(yè)終端，可以通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)前置設(shè)備和工業(yè)融合網(wǎng)關(guān)接入5G網(wǎng)絡(luò)，然后完成數(shù)據(jù)上傳和處理[2,3]。工廠內(nèi)可移動(dòng)性終端設(shè)備，如AGV、叉車(chē)以及天車(chē)等可優(yōu)先考慮采用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，其他固定不動(dòng)設(shè)備可以在后期進(jìn)行5G接入改造，以便適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求。

圖1 智慧工廠5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋架構(gòu)

5G技術(shù)在智能制造業(yè)中的重要應(yīng)用可體現(xiàn)在智慧工廠的建設(shè)上。5G網(wǎng)絡(luò)可無(wú)縫連接工廠內(nèi)的各種生產(chǎn)設(shè)備，可打通工業(yè)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)以及物流等各種環(huán)節(jié)，滿(mǎn)足工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通和遠(yuǎn)程交互的應(yīng)用需求[4-6]。5G的3大應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的智慧工廠應(yīng)用如下。eMBB應(yīng)用場(chǎng)景下，應(yīng)用業(yè)務(wù)包括可預(yù)測(cè)性維護(hù)、動(dòng)態(tài)產(chǎn)能監(jiān)控、智慧巡檢、設(shè)備點(diǎn)檢管理以及能耗管理。uRLLC應(yīng)用場(chǎng)景下，應(yīng)用業(yè)務(wù)有VI+AI分析、邊緣計(jì)算以及智能云測(cè)試等。mMTC應(yīng)用場(chǎng)景下，應(yīng)用業(yè)務(wù)有云化機(jī)器人、人機(jī)協(xié)同、AR遠(yuǎn)程控制、移動(dòng)IGV以及云化PLC。

3 工業(yè)PON在智慧工廠中的應(yīng)用

工業(yè)PON屬于車(chē)間級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。工業(yè)級(jí)接入網(wǎng)關(guān)光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）可實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)到工廠內(nèi)各設(shè)備層的連接，光分配網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)各車(chē)間內(nèi)工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)到匯聚網(wǎng)關(guān)光線(xiàn)路終端（Optical Line Terminal，OLT）的集中，最終通過(guò)匯聚網(wǎng)關(guān)（OLT）與企業(yè)IT網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)OT和IT的融合組網(wǎng)[7,8]。

建設(shè)中小型智慧工廠可配置2臺(tái)互為備份的OLT設(shè)備放置于控制室，ONU放置于各操作工位或車(chē)床附近，建設(shè)大型智慧工廠則可根據(jù)需要配置多對(duì)互為備份的OLT設(shè)備，采用手拉手的組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)備份和保護(hù)[9]。

新建廠房、生產(chǎn)車(chē)間或新增生產(chǎn)線(xiàn)可同步部署工業(yè)PON設(shè)備。利用工業(yè)PON技術(shù)可搭建車(chē)間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，向上通過(guò)OLT設(shè)備連接核心交換機(jī)，向下通過(guò)工業(yè)級(jí)ONU直接連接生產(chǎn)機(jī)器設(shè)備或數(shù)據(jù)采集設(shè)備。點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)，可以工廠提供多種業(yè)務(wù)并集成無(wú)線(xiàn)覆蓋。車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)中，有些設(shè)備已有近端工業(yè)機(jī)床信息化操作，但尚未將相關(guān)數(shù)據(jù)及控制指令遠(yuǎn)程化，則需要通過(guò)PON網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)采集到遠(yuǎn)端進(jìn)行監(jiān)控。工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)連接新的業(yè)務(wù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種應(yīng)用進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全隔離（物理及邏輯雙重）。此外，工業(yè)PON可適用于工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)的承載，可參考現(xiàn)有政企接入網(wǎng)的建設(shè)模式，通過(guò)PON設(shè)備進(jìn)行工廠內(nèi)辦公網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)建設(shè)。工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)最常用的組網(wǎng)方式是鏈型組網(wǎng)和星型組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)全光路保護(hù)，為智慧工廠的通信可靠性提供了保障。

4 5G+工業(yè)PON在智慧工廠中的融合應(yīng)用

工業(yè)PON可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床）的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)也可通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)承載實(shí)現(xiàn)車(chē)間有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)一體化網(wǎng)絡(luò)覆蓋。工業(yè)PON主要適合帶寬、可靠性以及實(shí)時(shí)性要求高且位置相對(duì)固定的設(shè)備接入。工業(yè)PON不僅是智慧車(chē)間智能化的有線(xiàn)承載方式，同時(shí)也提供車(chē)間5G網(wǎng)絡(luò)承載和無(wú)線(xiàn)設(shè)備POE供電等。

5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，在智慧工廠應(yīng)用范圍上將比工業(yè)PON更加豐富，可應(yīng)用于車(chē)間、工廠以及園區(qū)等。根據(jù)5G的特點(diǎn)，適合廣覆蓋、移動(dòng)性強(qiáng)、有危險(xiǎn)性以及有線(xiàn)無(wú)法通達(dá)等工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，如化工園區(qū)、鋼鐵、礦山、交通、能源以及電力等行業(yè)。智能工廠建設(shè)過(guò)程中，5G可以逐步替代工業(yè)以太網(wǎng)，提高性?xún)r(jià)比。

企業(yè)內(nèi)的5G網(wǎng)絡(luò)可以宏站、室分以及一體化小基站等多種組合方式進(jìn)行部署。工業(yè)PON承載5G組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商外網(wǎng)，可考慮將小基站的數(shù)據(jù)經(jīng)由PON回傳后分流至5GC。對(duì)于宏站，可以考慮采用工業(yè)PON作為回傳，BBU如果放在運(yùn)營(yíng)商機(jī)房，則無(wú)需通過(guò)工業(yè)PON回傳[10]。對(duì)于企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，根據(jù)業(yè)務(wù)的不同，可部署MEC，將部分WiFi、5G小基站以及宏站的流量分流到工廠內(nèi)部。

圖2 工業(yè)PON承載5G組網(wǎng)架構(gòu)

5 結(jié) 論

隨著5G、工業(yè)PON以及大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，智能制造將朝網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化以及智能化方向發(fā)展，工業(yè)PON也需要向全光網(wǎng)絡(luò)解決方案演進(jìn)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)步伐的加快，5G在智慧工廠創(chuàng)新應(yīng)用方面取得突破，并將逐步得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)PON可以組建安全可靠的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，有效解決工廠和數(shù)字車(chē)間的數(shù)據(jù)通信交流，為企業(yè)上云提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)服務(wù)，并針對(duì)新型智慧工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)需求，提供邊緣計(jì)算、低時(shí)延業(yè)務(wù)承載、開(kāi)放的工業(yè)App平臺(tái)以及智能化的運(yùn)維管控能力。5G和工業(yè)PON在智慧工廠建設(shè)中相互協(xié)同，互為補(bǔ)充，并結(jié)合各自特點(diǎn)開(kāi)展業(yè)務(wù)。隨著5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生以及人工智能的深度融合，將助推智慧工廠等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域向更加智能、高效、便捷以及低成本方向發(fā)展。