5G 技術在離散制造車間應用探討

韓永磊，李剛，張國政，左振波，王雷

（江蘇杰瑞信息科技有限公司，江蘇連云港 222000）

數字經濟時代已經到來，5G 新基建將重點發力。在生產制造行業，隨著信息化程度的提升，對無線網絡的需求也逐步提升。而5G 應用技術正是銜接設備和數據的重要通道，有別于4G，5G 的大帶寬、低時延、廣連接等特點將給制造企業帶來較大的技術影響。基于此，本文分析了離散制造車間應用5G 的必要性，典型應用場景，對5G 在離散制造車間的應用進行了較為詳細的分析，為之后5G 工業場景應用推廣提供借鑒[1]。

5G 技術是第五代移動通信技術，目前在運營商的協助下，已在多個工業場景得到了應用，特別是為工業互聯網產業的發展提供了巨大的幫助。目前中國的制造業正進行轉型升級中，不局限于車間設備的自動化和信息化升級換代，也需要實現輔助決策、自適應排產等自主化生產。而這些信息的傳遞及交互實現，則依托通信技術，而5G 技術的應用，加快了功能應用的實現。5G 在工業場景中的應用主要依靠它高速率、低時延、移動性和大容量等基本特征，還有其能夠具備可擴展、可編程，能夠支持多用戶，能夠基于同一基礎架構來支持不同使用場景。這些典型特征在工業場景，特別是離散制造領域，具有獨特的優勢，離散制造車間對信息傳輸的低時延、高可靠、高安全等方面有著明確的要求，而通過5G 技術能夠提高離散制造車間網絡化、智能化水平，進而實現降本增效，來促進應用企業高質量發展。

1 離散制造車間對于5G 的需求和要求分析

離散制造車間將向智能化方向轉型，將重點實現物理與數字虛擬的映射、聯動、管控。進而提高離散制造車間生產制造靈活性和可擴展性，提高生產效率。打破封閉獨立體的界限，實現生產與需求在互聯網端的便捷融合，新一代通信技術的重要性不言而喻。

5G 技術借助其優勢可在物聯網領域得到較好的應用。當前離散制造型企業內網的傳輸方式主要為工業以太網和現場工業總線，而受到Wi-Fi、藍牙、ZigBee 等應用技術的限制，其在穩定性、傳輸速率、安全性等方面都比5G 技術差，導致了無線應用技術難以得到高效利用。具體來說其劣勢還表現在如下幾個方面：①無線網絡無法滿足離散制造車間海量設備連接的問題；②部分離散制造車間需要高清視頻等高帶寬數據的傳輸需求；③部分精密儀器需要低時延的信息反饋等基本需求。而通過5G 應用技術，能夠解決這些難點，同時能夠傳輸全息影像等信息，這給制造的交互產生了大的影響。同時由于其還具有高可靠性，也將給車間的遠程管控奠定基礎；并且組網方式較簡單，能夠節約成本，并解決了好多受限于有線連接方式的工業場景。

5G 網絡也能夠隨離散制造車間業務流向變化而變化，可以實現應用本地化、內容分布化。在本地化應用方面，能夠為制造工廠、車間等自己的具體業務應用在本地實現閉環，通過海量連接設備來降低應用成本；內容分布化將實現高帶寬內容從中心到區域分布式部署，在虛擬現實、遠程運維等方面能夠得到較好應用。而高清視頻傳輸的需求也能夠滿足；在制造車間的邊緣側，也能夠實現超低時延業務，例如自動駕駛小車、工業機器人協作等方面。

總體來說，5G 應用技術在離散制造車間的必要性和優勢有如下幾點：①無線連接。無須綜合布線，可以簡化工廠和生產線的建設施工，也減輕了后期的維護工作，適配復雜工作活動區域，降低受限性。②帶寬大。能夠傳輸高清視頻、AR/VR 等大量指數級增長的數據。③低時延。對部分遠程操控及精密儀器的控制提高保障。④海量連接。能夠滿足工業場景多設備的聯網需求。

上文對必要性作了簡要分析，接下來將對需求性方面作較為深入的探討，離散制造是典型的工業制造場景，是支撐工業產業的重要支柱。它對于新一代通信技術的需求注意表現在以下幾個方面：①車間數字化設備種類繁雜，精細數控設備較多，而為了便于數據集中管控，對現場制造資源數據互聯互通的需求很大；②離散制造業，以航空航天、船舶、汽車等行業為代表，部分制造環境是高溫、高腐等惡劣的環境，不適合有線通信，以及原廠區的信息化升級改造，對無線網絡通信的需求較為明顯；③柔性制造需求很廣，隨著部分車間信息化程度較高，對現場網絡的組網方式要求高，需要動態適配，而5G應用技術可以較好地解決此類問題；④5G成為智能化應用必需品，部分離散車間的工藝或者業務，需要具備遠程診斷、預測性維護等運維手段，邊緣側設備的上云成為了基本需求。這就對網絡提出了更高的要求，而5G的出現能夠較好地解決問題[2-3]。

而5G 在離散制造車間的應用要求如下：①部分離散制造車間涉及精密生產，對生產制造數據傳輸的實時性、確定性、可用性等方面要求很高，5G 通信技術能夠滿足要求；②部分設備對工業以太網的性能提出了更高的要求，例如交付時間、端點節數、時間同步精度、冗余恢復時間等方面；③現場總線、工業無線等通信網絡也有較高的性能評估測試要求，而5G 應用技術正是解決這些問題的有效手段[4]。

2 典型應用場景分析

5G 網絡組網具有網絡功能虛擬化、多網多制式融合，靈活組網等特征。這些特征能夠適應離散制造車間對工業網絡的需求和要求。下文將對典型應用場景進行分析。

在涉及到運動控制的制造車間，以數控機床為例，在從站數20，數據量50 B，周期時間小于50 ms 的情況下，總網絡速率大于16 Mbit/s；在多工業機器人控制應用方面，以裝配機器人為例，在從站數4，數據量40～250 B，周期時間8 ms 情況下，總網絡速率大于5 MB/s；在工業AR/VR應用方面，在從站數3 個/基站，周期時間10 ms 情況下，總傳輸速率達到1.33 Gbit/s；在移動機器人應用方面，以精準運動控制為例，在從站數100，數據量40～250 B，周期時間小于1 ms 的情況下，總網絡速率大于10 Mbit/s。通過對典型應用場景分析，可以發現，目前5G 技術在離散制造車間應用方面，主要分為兩類應用場景，一是面向離散制造車間，與視頻監控、視覺監測以及工業機器人等設備進行技術融合，實現制造監測、物流運輸以及遠程運維等功能，二是在開闊場景，實現與無人機、數字化機械設備來實現遠程操控。主要是通過5G 技術解決上傳至云端問題。

3 典型應用作用分析

在對典型場景進行分析后，對部分應用的作用和效果進行研究探討。主要有如下幾個方面：①5G 與虛擬現實的結合應用，在速率大于50 Mbit/s，時延小于20 ms 的應用需求下，能夠達到人機協作交互，可根據情況來進行維修指導，完成虛擬裝配和遠程培訓等；②5G 與機器視覺的結合應用，在速率大于50 Mbit/s，時延小于10 ms 的應用需求下，能夠實現物品的視覺定位以及物料分揀等功能；③5G 與遠程運維的結合應用，在速率大于50 Mbit/s，時延小于20 ms 的應用需求下，能夠實現異地設備維護、故障診斷等功能；④5G與AGV 的結合應用，在速率大于50 Mbit/s，時延小于20 ms的應用需求下，能夠實現按需調度分配、規劃路徑等功能；⑤5G 與無人機的結合應用，在速率大于50 Mbit/s，時延小于20 ms 的應用需求下，能夠實現視頻監控、設備巡檢等功能；⑥5G 與遠程控制的結合應用，在速率大于50 Mbit/s，時延小于20 ms 的應用需求下，能夠實現惡劣環境或遠距離設備遠程操控等功能。

4 結論

綜上所述，通信技術的發展會激發出更多的潛在需求，從3G 激發了視頻瀏覽需求，4G 激發IOT 通信需求，而5G作為新一代通信技術勢必會激發生產車間的成本、交互、業務提升方面新需求。同時5G 應用技術給工業產業的進步產生了較大的影響，也倒逼了離散制造車間及智能工廠的轉型升級。未來將繼續深耕5G 在離散制造車間應用分析，在遠程設備運維、質量控制、數字孿生工廠、物流管理等方面進行深入探討，找出適合離散制造車間的網絡最優方案，推動中國離散制造工廠邁向新征程，達到新高度。