5G CPE在煙草物流核心設(shè)備中的應(yīng)用研究

文/余寶意 胡業(yè)偉 石德倫

物流設(shè)備是現(xiàn)代物流系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)高效運行的硬件資源基礎(chǔ)，是實現(xiàn)物流安全運作的基本手段及有機(jī)組成。煙草企業(yè)物流的迅速發(fā)展和日益激烈的市場競爭，對自動化立體倉庫技術(shù)提出了更高的要求。巷道堆垛機(jī)作為一種常見的自動化立體倉庫系統(tǒng)的核心單機(jī)設(shè)備，其穩(wěn)定性直接決定了自動化立體倉庫的運行效率。傳統(tǒng)的堆垛機(jī)數(shù)據(jù)鏈路一般是采用漏波電纜、紅外通訊、Wi-Fi等通訊方式，漏波電纜對材質(zhì)和布線要求極高，且運行維護(hù)極為不便；紅外通訊對準(zhǔn)安裝過程復(fù)雜，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和可靠性較差，在惡劣的使用環(huán)境下容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸終端等情況；Wi-Fi在工業(yè)現(xiàn)場易受同頻干擾，且在縱深過長的密集貨架巷道中信號易被阻擋，無法保證穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)連接。5G技術(shù)具有大帶寬、低時延、高并發(fā)的特點，結(jié)合物流業(yè)務(wù)對通訊要求的特征，積極探索5G技術(shù)在物流核心單機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用場景，對物流高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的意義[1]-[3]。

一、應(yīng)用場景現(xiàn)狀

武漢卷煙廠物流車間共配置有23臺巷道堆垛機(jī)，分散部署在6個自動化立體倉庫中，由DEMATIC公司生產(chǎn)制造，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)主要分為地面控制站和機(jī)載控制柜兩個部分，地面控制站與機(jī)載控制柜之間采用PROFIBUS方式進(jìn)行通訊，之間通過紅外光通訊建立數(shù)據(jù)連接。地面控制站工控機(jī)底層采用一套WINAC控制系統(tǒng)，并部署SCS存儲控制系統(tǒng)，通過紅外光通訊傳輸指令控制位于堆垛機(jī)上的ET200S和S120驅(qū)動系統(tǒng)。WINAC控制系統(tǒng)與WCS倉儲調(diào)度系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)建立數(shù)據(jù)連接。以成品自動化立體化倉庫堆垛機(jī)控制系統(tǒng)為例，其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

貨架巷道縱深長度約100m，紅外光通訊在位置產(chǎn)生偏差后對準(zhǔn)安裝工作極為不便，且在巷道照度低、粉塵多等惡劣環(huán)境條件下，穩(wěn)定的通訊數(shù)據(jù)連接往往得不到保證，不僅影響了整個物流系統(tǒng)的運行效率，而且導(dǎo)致了設(shè)備維護(hù)資源的極大投入。因此，采取5G CPE WIN的終端組網(wǎng)形態(tài)來解決當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈路存在的諸多問題顯得尤為迫切。

二、基于5G CPE的數(shù)據(jù)鏈路改進(jìn)設(shè)計

1. 硬件設(shè)備改進(jìn)設(shè)計

如圖2所示為當(dāng)前的巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路結(jié)構(gòu)圖。其中，地面控制站通過紅外光通訊連接SRM1和SRM2兩臺巷道堆垛機(jī)。紅外光通訊為透明器件，沒有PROFIBUS地址，無需進(jìn)行硬件組態(tài)。DPDP耦合器連接地面WINAC系統(tǒng)，在本地PROFIBUS地址為5，WINAC通過工業(yè)以太網(wǎng)連接WCS。

圖2 改進(jìn)前堆垛機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路圖

本次改進(jìn)設(shè)計的目標(biāo)為建立紅外光通訊的備份通訊鏈路，以本地5G專網(wǎng)覆蓋地面控制站與SRM1、SRM2的連接，同時降低通訊時延。采用的改進(jìn)設(shè)計數(shù)據(jù)鏈路如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后堆垛機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路圖

本次改進(jìn)設(shè)計保留原系統(tǒng)的WINAC控制單元，并在原WINAC控制單元上增加CP1616，用以通過5G CPE連接5G網(wǎng)絡(luò)，并在SRM1和SRM2堆垛機(jī)上增加帶有CP5613和CP616的WINAC控制單元，新增WINAC系統(tǒng)完全復(fù)制和保留地面控制站W(wǎng)INAC系統(tǒng)控制程序和控制算法。CP5613通過切換器接入堆垛機(jī)上PROFIBUS總線，CP1616通過5G CPE連接5G網(wǎng)絡(luò)。采用PNPN耦合器連接地面WINAC控制單元和新增的SRM1、SRM2的WINAC控制單元，PNPN耦合器具有兩個IP地址，對于地面WINAC控制單元而言，通過其中一個IP接入的PNPN耦合器是一個IO站；對于新增的WINAC控制單元而言，通過另一個IP接入的PNPN耦合器也是一個IO站；兩個控制單元的信息在PNPN耦合器上自動交換。

在地面WINAC控制單元中，不需要再建立S7連接，僅需要將WCS信息、ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器信息傳輸?shù)絇NPN耦合器；同樣對于新增的WINAC控制單元而言，也只需要將連接的PNPN耦合器對應(yīng)的IO地址改為ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器的IO地址，即可完全采用原地面WINAC控制單元的控制程序。

2. 5G MEC部署設(shè)計

圖45 G MEC部署設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計部署一個5G MEC，5G技術(shù)中的低時延應(yīng)用主要依托于前端部署的MEC基站和部署于移動節(jié)點上的5G網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)“5G無線節(jié)點+5G邊緣計算”組網(wǎng)模式[4]。5G網(wǎng)絡(luò)將自動化立體倉庫現(xiàn)場的堆垛機(jī)控制器與地面調(diào)度系統(tǒng)等連接起來，使移動的堆垛機(jī)與地面控制站之間可以進(jìn)行低時延通訊，實現(xiàn)更多功能和更復(fù)雜業(yè)務(wù)；同時保證數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，且具備了向廠級私有云平臺的擴(kuò)展能力，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中，現(xiàn)場設(shè)備底層數(shù)據(jù)采集傳感器、編碼器等信號可直接進(jìn)入ET200S從站，堆垛機(jī)和地面控制站的數(shù)據(jù)交互不再需要離開庫區(qū)，僅在邊緣計算中心內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。同時，5G MEC具備了向其他廠級MES轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理分析的功能。

3. 5G數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計

為了進(jìn)一步降低時延，5G邊緣計算配置 CDN（Content Delivery Network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）功能，相較于傳統(tǒng) CDN，MEC 更靠近無線接入網(wǎng)[5]。由于物理距離和通信層級的減少，自然移動邊緣計算相較于傳統(tǒng)CDN 時延進(jìn)一步降低，并且 MEC 還包括了本地化的計算能力和能力開放能力，因此具備了低時延和智能化特點[6]。

5G邊緣計算通過將庫區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)下沉到部署于庫區(qū)的5G 邊緣數(shù)據(jù)中心，邊緣數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)的第一入口，負(fù)責(zé)實時性業(yè)務(wù)決策和大量生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的短周期存儲，從而大大降低了通訊時延，也保證了數(shù)據(jù)不出廠，提高了數(shù)據(jù)的安全。在5G節(jié)點大量增加的將來，由于生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)已經(jīng)在現(xiàn)場的5G 邊緣數(shù)據(jù)中心進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，邊緣計算與5G結(jié)合使用可以在遇到突發(fā)且持續(xù)的流量激增情況下解決帶寬、速度和安全問題，外部增加的節(jié)點帶來的通訊壓力不會對庫區(qū)內(nèi)通訊造成影響，具有更高的效率，也能節(jié)約計算成本[7]。

為了減低項目風(fēng)險，保留原WCS和地面控制站對堆垛機(jī)系統(tǒng)的原有數(shù)據(jù)通訊鏈路，庫區(qū)5G可用于傳輸堆垛機(jī)移動端的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)，如實時生產(chǎn)視頻數(shù)據(jù)和實時設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時也作為WCS和地面控制站通訊的備份鏈路。如圖5所示。

圖5 5G數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

基于5G CPE數(shù)據(jù)鏈路，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時延進(jìn)行追蹤測試，得到的時延情況與紅外光通訊方式對比如圖6所示，由圖6可以看出，紅外光通訊方式平均時延在30ms左右，而5G CPE數(shù)據(jù)鏈路時延在5ms～10ms，數(shù)據(jù)傳輸實時性得到了顯著提高。根據(jù)堆垛機(jī)0.3m/s的平均制動速度，在5G CPE數(shù)據(jù)鏈路中以10ms的延時計算，控制指令因通訊延時產(chǎn)生的停位誤差 ，而在紅外通訊鏈路中以30ms的延時計算停位誤差為9mm，故堆垛機(jī)停靠站臺定位精度由9mm下降到了3mm，控制精度得到了較大提升。

三、結(jié)束語

本文建立了一套基于5G CPE WIN技術(shù)的終端組網(wǎng)形態(tài)，并于2021年9月率先在行業(yè)內(nèi)成功應(yīng)用于物流核心單機(jī)設(shè)備中，且取得了提升設(shè)備運行穩(wěn)定性的效果，同時為將來擴(kuò)展其他智能化應(yīng)用奠定了網(wǎng)絡(luò)鏈路基礎(chǔ)，從而極大地推動了傳統(tǒng)物流領(lǐng)域中的核心單機(jī)設(shè)備應(yīng)用升級，該應(yīng)用場景具有較強(qiáng)的推廣價值，隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，將與新型物流裝備技術(shù)相結(jié)合，并積極應(yīng)用到智能制造以及更加廣泛的領(lǐng)域。