鋼鐵行業大型特種設備5G應用系統設計

李 渝，韓政鑫，程景浩（.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 00048；.中國聯通研究院，北京 0076）

1 概述

據世界鋼鐵協會統計，2020 年全球粗鋼產量達到18.64 億噸，同比下降0.9%。其中，中國的粗鋼產量達到10.53 億噸，同比提高5.2%，占全球粗鋼產量的56.5%，中國粗鋼產量份額占全球比重過半并持續提升，鋼鐵行業是國民經濟的基石，在支撐中國宏觀經濟快速復蘇方面起到了重要作用。工業和信息化部表示，2021 年將加速推進鋼鐵行業的兼并重組，推動解決行業長期存在的同質化競爭嚴重、資源配置不合理、研發創新協同能力不強等方面的問題，提高鋼鐵行業的創新能力和規模效益［1］。

鋼鐵行業是典型的流程型行業，現階段鋼鐵行業信息化水平參差不齊，很多環節大量依靠人工操作，天車、堆取料機、翻斗車、鐵水罐車、焦化廠四大車等是鋼鐵廠區的關鍵性設備，原材料提供、產品的吊取、運輸、裝卸等都以人工現場操作為主，存在操作環境惡劣高危，人工成本高，生產效率低等問題。智慧鋼鐵作為行業發展的必然趨勢，以5G+工業互聯網為載體，融合鋼鐵行業智能制造創新技術，將會為鋼鐵行業自動化升級注入新動力［2］。5G 大型特種設備應用將為鋼鐵企業高效生產、安全生產及高價值設備提供保障。它克服了光纖鋪設不便，Wi-Fi 容量不足不穩定等缺點，將高清視頻、PLC 控制信號、設備運行狀態實時地傳送到后臺，實現操作工在后臺遠程進行精準操作，甚至是自動化運作，可提升作業效率和減少現場人工操作安全隱患。

隨著5G、邊緣計算、大數據、云計算等先進技術的日益成熟，以典型5G 應用為基礎，打造具有運營商特色的鋼鐵行業服務，聚焦網絡化、智能化、無人化等發展方向，有利于運營商形成5G 工業創新的先發優勢［3］。

2 大型特種設備作業現狀、需求和痛點分析

目前天車、堆取料機、翻斗車、鐵水罐車、焦化廠四大車等大型特種設備在鋼鐵冶煉等流程性行業使用廣泛。冶煉流程伴隨著高風險性，給工作人員帶來人身安全隱患［4］。

a）人工調度，效率低。操作過程均為人工現場操作，操作室在設備邊緣側，操作室工作空間狹小，操作過程重復性高，工作時間長，操作過程存在安全隱患。

b）操作精確定位。操作過程需要人為進行定位，效率低下。

c）人工計量。吊裝計量采用人工方式，不利于生產過程精細化管理。

d）工作環境/生產安全。作業工作環境相對較差；現場為非封閉式環境，無電子柵欄，現場監控存在死角，工作人員多雜時，容易忽視人員監管，影響生產安全。

現場環境粉塵嚴重，環境溫度較高，對操作工作業安全和身體健康影響大。

室外操作霧氣較大時，司機必須等霧氣散了以后才能作業，影響效率。

霧氣中含有硫化物等有害氣體，對司機的身體有較大的影響，亟需解決影響司機身體健康的問題，改善司機的工作環境。

3 5G性能指標在生產中應用分析

對已有設備進行了改造，遠程無線控制方式以工業AP 為主，品牌一般為摩莎/東土/西門子等。Wi-Fi6，即802.11ax，在速率方面做了提升，可支持最高速率為9.6 Gbit/s，安全性有一定提升，但大規模室外覆蓋能力弱，無法滿足超低延時和高可靠性保障［9］。

從安全性、時延、穩定可靠性、覆蓋、業務和海量連接等幾方面對無線控制方式進行對比分析。5G 和Wi-Fi6對比分析如表1所示［5］。

表1 無線控5G和Wi-Fi對比分析

5G 具備低延時、高可靠和大帶寬的技術特點，5G網絡與大型特種設備生產業務場景需求匹配度高。5G網絡可為高清監控視頻回傳業務提供高帶寬服務，為遠程控制業務提供超低時延服務，為現場設備運行狀態數據采集業務提供海量連接服務［6-8］。

應用中不同業務對于網絡性能的需求不同，網絡承載的業務主要包括遠程控制業務、高清實時畫面回傳業務、現場設備運行狀態數據采集及實時回傳業務，具體網絡性能需求如表2所示。

表2 天車業務對網絡需求

4 5G專網應用分析

鋼鐵行業的生產及業務場景對無線網絡覆蓋質量、時延、上行帶寬、數據保密性、設備移動性和網絡控制權等的要求均高于公共大網。對于大型特種設備這種特定場景需要綜合型、靈活便捷的5G 行業專網，按需提供定制化的網絡解決方案，解決現有無線專網的痛點。

5G行業專網為現場作業提供了如下服務［15］。

a）低時延專網保障服務。采用移動網絡切片技術，可為生產現場提供端到端低時延安全隔離的專網保障服務。

b）數據本地分流服務。即設備上采集的業務過程數據和設備運行狀態工作數據、作業生產環境數據等都通過無線網絡直接傳遞到本地數據中心平臺，實現就近邏輯處理或者工業數據的集中解析、適配、存儲和策略制定，并能夠在毫秒級時延內反饋給執行系統，實現在工業現場閉環控制等（即保密數據無需流向核心網側）。

c）現場高帶寬的監控和分析服務。即在現場為生產設備提供近端網絡服務的同時，也可以為數字化仿真現場監控、視頻監控等提供高帶寬服務。

d）業務協同服務。在面向設備無線數采，無線視頻采集、遠程控制、精準定位等應用場景中，5G切片與智能MEC 邊緣云協同編排，可以實現端到端低時延、高可靠數采的專網品質保障［10］。

5 5G智能大型特種設備應用系統架構和功能

系統總體目標是實現作業無人化、自動化、智能化。遵循“設計一步到位，分階段實施”的原則，通過開展遠程集中控制改造和智能化改造，實現半無人化、半智能化；同時為完全無人化、智能化做好硬件系統的準備，屆時升級軟件系統即可實現完全無人化、智能化。

系統智能化按照“一網、一平臺、N應用”的整體技術方案。整體技術方案如圖1所示。

圖1 整體技術方案圖

5.1 大型特種設備操作方式

大型特種設備系統智能化發展趨勢，可以分為4個階段。

a）人工操作。操作員在駕駛室操縱，外部設置瞭望或指揮人員，共同完成作業任務。此階段對位、控制、走行、傾倒等需要人工介入，效率低下；同時作業現場環境惡劣，作業人員精神緊張，勞動強度大，作業安全隱患大。

b）地面遙控操作。操作員通過控制手柄，在距離較遠的地方完成操縱。相比有人方式，作業人員的安全得到了提升；但作業效率沒有改善。

c）遠程集中控制。在地面中控室內通過視頻監控及遠程控制系統，實現對大型特種設備的遠程集中控制。操作員在遠程控制操作終端上用鼠標點擊相應區域和作業類型完成作業。這種作業方式的優點是操作員作業環境得到顯著改善，作業安全性得到顯著提升。同時，在集中控制模式下，遠程控制系統可以與MES 等生產調度系統打通，作業效率有所改善，可以實現一人多機操作，企業實現降本增效。

d）智能化作業。遠程控制系統與MES 等系統實現無縫對接，業務調度、大型特種設備操控、現場過程監控無需人工介入，實現無人化，操作員僅需在中控室內監控運行即可。作業安全性和作業效率得到充分保證。

5.2 系統功能

系統由感知層、網絡層、5G 邊緣工業互聯網平臺和智能化生產作業系統等組成。

5.2.1 感知層

感知層實現對大型特種設備周邊環境的全面感知，保證設備安全、穩定的“無人化、智能化”運行。感知層的感知對象包括以下幾方面。

a）運行狀態。比如行進速度、行進方向、牽引力輸出功率等，以及無人駕駛系統感知的結果，如周圍障礙物等情況。

b）實時反饋并管控周邊的基礎設施。比如路口交通信號燈的設置、道岔、道閘開啟和關閉、異物入侵報警等。如機車軌道周邊環境的感知，比如人員闖入、車輛橫置等情況。鐵水罐的吊裝、傾倒等。

5.2.2 網絡層

網絡層采用5G+工業AP+MEC 邊緣計算平臺的架構。

網絡層主要負責感知層到5G 工業互聯網平臺之間的數據的上傳和反向控制。

此外，網絡層以邊緣云的形式為工業互聯網平臺提供算力、存儲能力以及本地分流能力，進一步滿足工業控制、無人操作對低時延和數據不出園區等要求。

5.2.3 5G邊緣工業互聯網平臺

5G 邊緣工業互聯網平臺實現對物物泛在感知，MES 到生產執行裝備的數據互通，現場海量設備的數據采集和全面的互聯，以及泛在的物聯感知，為上層應用提供海量采集信息。通過人工智能、邊緣計算、云化PLC等技術，在5G專網內部實現對工業現場設備的遠程集中操控，設備間、工序間的柔性操作聯動和協同優化，實現工業生產協同控制、智能調度，進而助力企業實現少人化、無人化管理和運營。

5.2.4 集控中心

集控中心主要實現對大型特種設備的遠程控制、狀態監控和應急處置調度。

5.2.5 智能化生產作業系統

實現大型特種設備調度管理、定位管理、二三維可視化管理、故障告警管理、防撞告警、車輛識別、車輛管控、庫區管理等功能。能實時采集和反饋現場作業數據，并將調度信息實時展示，便于指揮調度，使管理者能夠實時掌握整個生產狀態。

5.3 5G邊緣工業互聯網平臺功能

5G 邊緣工業互聯網平臺實現平臺能力功能，包括設備管理、接入管理、數據管理、安全管理等基礎服務［14］。架構如圖2所示。

圖2 5G邊緣工業互聯網平臺架構圖

工業互聯網平臺主要有如下的功能。

a）工業物聯。

（a）工業控制組件。以全域物聯感知接入為基礎，圍繞終端設備統一接入和全生命周期管理，標準化物聯數據的采集融合，構建物聯網統一開放服務體系，實現物聯服務能力的即插即用。

（b）設備接入管理。設備接入管理實現對接入終端的集中管控。用戶需向平臺提出接入申請，并提交設備名稱、型號、類型、操作系統、接入協議以及用戶注冊信息等內容，平臺審核對接入設備進行認證。認證通過后，發放唯一標識，完成設備注冊。用戶通過平臺可實現對設備的管理、通過創建群組，把設備加入到對應的群組中，以實現對設備的分組管理，方便將設備產生的數據推送至不同的應用。

（c）支持多種工業協議。平臺支持設備直接接入和網關接入2 種接入方式，實現TCP、HTTP、LWM2M、MQTT、CoAP、HTTP、TCP/IP 等常用傳輸協議的適配，滿足低能耗網絡（NB-IoT）、無線網絡（Wi-Fi）、移動網絡（4G、5G）和光纖接入等；在數據協議解析方面，平臺應提供物聯協議模型和設備插件2 種方式，支持二進制碼流格式、XML 格式、JSON 格式等主流數據格式的解析。

b）工業控制。不僅能夠通過OPC、Profinet、Modbus等工業協議直接實現與PLC、DCS 等工業控制系統的數據交互，而且能夠實現時間要求敏感的工業控制邏輯。通過在操作系統內核空間實現任務調度與數據處理，實現對工業協議的解析、數據轉發和快速處理；在內核空間直接運行PLC程序等，完成對時間敏感的工業控制任務。結合軟PLC 開發組件，用戶功能實現多PLC、多系統之間的協同控制。

c）數據分發、融合。數據融合集成平臺提供全棧多云集成解決方案，是多云時代的應用和數據集成平臺。實現服務集成、消息集成、數據集成、業務解耦等核心功能，支撐跨多應用、數據、服務、資源等的協同，以實現企業的內部互通。數據分發、融合模塊主要負責提供集控中心視頻墻、遠程操控臺所需的個性化的視頻、狀態監測數據。

d）數據存儲。工業互聯網平臺數據存儲模塊同時支持結構化和非結構化數據。結構化數據庫主要用于配置參數、自建模塊定義數據等的存儲。非結構化數據主要用于生產數據的存儲。為了進一步提高數據存取速度，數據庫采用高可用集群模式實現數據的高速存取和高可用。數據存儲模塊主要存儲系統運行時各類關鍵信息，如機車狀態、決策與執行指令、工單完成情況等，方便事后跟蹤核查。

e）系統配置。工業互聯網平臺是一個多用戶、多任務的工業操作系統。因此，核心調度模塊需要支持高并發操作。系統配置模塊可配置多租戶，即不同的應用、不同用戶獨享數據，保證數據安全，并可設置用戶登錄權限。

f）現場可視化模塊。形象直觀的實時顯示大型特種設備的狀態，提供GIS地圖和位置信息，為生產調度和應急處置提供基礎決策數據和決策工具。

5.4 5G工業邊緣控制器功能

5G 工業邊緣控制器是集工業現場工業控制、數據采集與數據傳輸于一體的智能設備。

5G 工業邊緣控制器除具備工業通信協議配置管理、安全管理、版本管理、日志管理等通用功能外，還針對5G 數據采集及處理、5G 承載工業遠程控制、5G承載工業通信協議進行了特殊優化。

工業控制器融合了無線、有線、GRE、MQTT、COAP 等多種網絡協議，具有高速率、低時延、高可靠性、易部署等特點。

5.5 智能化生產作業系統功能

智能化生產作業系統總體架構如圖3所示。

圖3 智能化生產作業系統總體架構圖

a）二三維可視化管理。實現對廠區、大型倉儲廠房區域進行3D 建模，完成數字地圖建設；完成并提供指定區域數字地圖建設；完成對數字地圖的存儲、獲取和顯示；實現對大型特種設備、大型運輸車輛等大型技術裝備的3D 建模并結合真實數據模擬其實際運行狀態；實現對車牌、物料標識的自動識別。

b）倉儲管理。與MES系統和大型特種設備、視覺類識別系統、產線與地面設備系統連接，使大型特種設備安全高效完成庫區物流管理。

c）車輛管理。采用高清車牌識別攝像機對車輛進行車牌識別、圖片抓拍，將車牌信息傳輸給專用控制器，再上傳給服務器、引導車輛進入，并保存記錄；在通道口使用高清車牌攝像頭對駛入的車輛進行車牌號碼識別。根據車輛識別信息，獲取庫區物料位置，指引車輛到停靠位置，等待作業完成后，指引車輛駛離作業區。

d）生產調度管理。合理有效的調度方案對于保證生產順利運行、提高生產效率、降低生產成本具有重要的意義，通過分析調度系統要素，建立調度仿真模型，用于初步的調度方案。

e）告警管理。對現場作業進行預警。其中業務告警包括作業異常告警、設備連接異常告警等。

6 結束語

鋼鐵行業是典型的流程性行業，生產環境相對惡劣高危，當前現場控制、理貨、計量等需要采用人員三班倒的模式，用工需求量大，工作效率低，存在作業安全隱患。目前鋼鐵行業正處于轉型升級階段，5G的應用將助力鋼廠自動化改造升級，對實現鋼廠的減員增效具有實用意義，具備高可復制性，在鋼鐵行業具有廣闊的市場前景。

將5G技術應用于工業領域，融合鋼鐵行業智能制造創新技術，對整個生產過程精確可控，所有的作業過程可查詢、可追溯，提升精益化管理水平，提高現場工作效率，減少工作失誤造成的損失；提升企業技術水平和競爭力，由事后管理變為事中管理、實時管理，加速資金周轉，提升供應鏈響應速度，增強企業整體競爭能力；提升現場作業生產安全性，減少現場作業人員，作業區域合理化管理，同步結合AI 技術進一步提升了現場作業生產安全管控能力。