基于5G 通信的工業機械手遠程控制系統

師文濤，李 銀，馮作權

（蘭石集團能源裝備研究院，甘肅 蘭州730000）

1 概述

1.1 5G 技術簡介

2019 年6 月6 日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電四家運營商發放5G 商用牌照，我國正式進入5G 商用元年。從1G 到5G，通信系統的多址技術發生了巨大的變革，從FDMA、TDMA、CDMA、MIMO 到Massive MIMO，通信系統可利用的資源擴展到了頻率、時間、碼字、空間，通信容量大大增加。

5G 時代的到來對世界的影響是深遠的，5G 技術的快速發展對移動通信、物聯網、人工智能、云計算和制造業等各個領域的發展都提供了基礎。

1.2 5G 通信替代傳統通信技術的特點對比

5G 通訊可實現對信息數據的高精度、高可靠和超低延時傳送。其采用高頻率毫米波可以實現超高速率，可達4G 速率的100 倍，同時空口延時可以低到1ms，僅為4G 的1/10，遠低于人體的應激反應，可以廣泛應用于自動控制領域。

同時在工業領域，作為新一代信息技術與制造業深度融合的工業互聯網，正日益成為智能制造和新工業革命的關鍵支撐。為實現工業互聯網從而實現智能制造，傳統的工業通信方式已經不能滿足要求，如表1 所示。

表1 5G 與傳統通訊技術對比

而且目前大部分制造車間，特別是鑄造鍛造產業相關車間內煙塵較大，由于工作環境較差，操作人員勞動強度大，越來越難招聘到年輕的操作工人。

2 基于5G 通訊網絡的工業機械手遠程控制系統

2.1 整體網絡架構

電控系統是機組各部件按工藝要求協調動作的組織和指揮中心，是整個機組達到設計性能的根本保證，本項目遠程控制的準確性和可靠性是系統的中心任務。

工業機械手控制系統本次采用遠程控制臺和現場無線控制器，為確保數據傳輸的及時性、可靠性和準確性，選擇5G 遠程數據傳輸。整個控制系統分為現場電氣控制端、遠程監控控制端和5G 數據傳輸設備。如圖1 所示。

2.2 5G 通信網絡

本項目為確保遠程控制的實時性和可靠性，為保證監控設備低延遲，采用5G 通訊，可保證延遲在20ms，基本實現無延遲監控和操作。

圖1 5G 網絡架構

通過TCP/IP 協議將PLC 及現場監控數據傳輸給工業交換機，并通過前置設備CPE 將數據轉為無線信號發送給基站，通過無線傳播模型的測算和實際經驗表明，采用CPE 的客戶端與基站的傳輸距離可以達到1km～5km。

遠程控制接收端同樣采用CPE 和工業交換機接收并轉化數據，通過TCP/IP 協議將控制信號傳送給操作臺，將數據信號傳送給觸摸屏，將監控信號傳送給32 寸F200 監視器，從而實現遠程監控和操作。

2.3 控制單元

可編程控制單元是整個工業機械手控制系統的核心。該單元主要完成設備旋轉、升降、扒渣等所有動作的控制，實現各種監測、診斷、故障報警等任務，還要完成整個控制系統的通信、管理和協調。

該單元選擇德國SIEMENS 公司S7 系列PLC為核心采用模塊化結構設計，各種功能的輸入輸出模塊之間可進行任意自由組合以滿足各種需求。

選用SIMATIC S7-1200 系列PLC,它所具有的模板擴展和配置功能使其能夠按照不同的應用需求靈活組合，模塊化及無風扇設計，堅固耐用。具有容易擴展的特點和廣泛的通訊能力。獨立的Flash EPROM存儲卡不需要后背電池的支持，即可安全備份控制程序。主站包括：電源模塊、中央處理單元（CPU）、各種I/O 模塊（SM）等。控制對象主要為所有現場控制閥組，并承擔傳感器數據的采集和傳輸。如圖2 所示。

現場采用無線控制設備，可在調試時或遠程端故障時采用無線控制手柄進行工業機械手的控制和操作。在PLC 上與操作手柄上增加PLC 專用485 透傳無線通訊模塊，可用手柄對PLC 進行無線控制。如圖3 所示。

其通訊通過隨著RF 無線數模塊模塊的日益成熟，相比傳統的紅外、藍牙等傳輸控制方式，采用無線數傳模塊進行現場控制，可顯著提高操作效率，增大控制范圍，降低成本。

現場共計安裝3 個攝像頭，包括1 臺1600 萬全景紅外八目拼接哈勃守望者網絡攝像機，2 臺質能紅外變焦槍型網絡攝像機，全景攝像機最大分辨率可達8192×1800（全景）+2560×1440（球機），全景：1/3s～1/100000s（可手動或自動調節），球機：1/1s～1/30000s（可手動或自動調節）；內置GPU 芯片，支持深度學習算法，有效提升現場監控可靠性。

圖2 PLC 控制單元

圖3 無線控制設備

2.4 遠程操作單元

遠程操作單元位于遠程操作室內，主要包括操作臺、監視器、觸摸屏和數據存儲部分。若用戶需要對數據進行處理或者需要編程自動控制，可將觸摸屏更換為工控機進行數據存儲和控制。

機組的人機交互平臺是以遠程操作室為核心搭建的，操作、維護人員通過操作臺和模擬屏上的設定計算機，輸入手柄、按鈕開關等控制整個設備的運行，通過操作臺和模擬屏上的監控計算機，指示燈、報警器等了解機組的狀態信息。

所有操作指令均通過操作臺手動操作，并將所有傳感器數據實時顯示在觸摸屏上，輔助操作。監視器采用分屏顯示，由于用5G 傳輸數據，基本可實現畫面實施傳送，3 個攝像頭可全方位監控現場動態，不僅使機組操作人員能夠直觀清晰地監視工業機械手的工作狀態，并且可以實時了解現場周邊情況，是機組安全生產的關鍵保障。

3 結束語

目前5G 技術已經應用于工程機械、煤礦智能化和無人天車等領域。隨著對5G 應用場景的探索，應用也將更加廣泛，本文所述的的基于5G 通訊的遠程控制系統具有普適性，可應用于多種遠程控制設備，將操作人員從復雜惡劣的現場環境中解放出來。

隨著我國制造行業的不斷發展，遠程控制系統在工業現場的應用將更加的普遍，5G 通訊由于其低延時、高速率的特性，也將在工業互聯網中應用更加廣泛。