基于5G+開放系統的柔性生產線應用研究與實踐

祝遠建 王建宏 徐旨勝

中國移動通信集團江蘇有限公司無錫分公司

0 引言

隨著工業生產模式逐漸走向以最終客戶需求為導向，智能制造正從MTS（make to stock，備貨型生產），走向MTO（make to order，按單生產）以及ETO（engineer to order，按訂單設計）。柔性制造作為制造自動化技術發展的重要方向之一，在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎上，將智能化機械與人有機融合，全面提升生產能力的柔性化以及供應鏈敏捷準確的反應能力。

以典型的小批量、多品種離散型制造企業無錫普洛菲斯電子有限公司為例，該工廠產品大多應用在工業領域，制造上百個產品家族，10000多個型號的產品，產品最小批量為1pcs，每筆訂單金額平均僅為2萬元人民幣，是典型的小批量、多品種離散型制造企業。工廠按訂單組織生產，客戶需求與項目關聯大，訂單預測波動大；另外，工廠現有生產區域大部分為固定廠線，區域利用率已達極致，但各個組裝產線常年處于負載不均衡的狀態。如要進一步提升產能，就需要對負載較低的廠線進行柔性化改造，通過柔性的解決方案來實現投資、自動化率及生產空間利用效率的最優化。其對柔性生產的核心訴求有：

（1）機器的柔性化：機器設備具有隨產品變化而加工不同零件的能力，典型應用包括機器手臂可根據不同的產品加工更換不同的夾具，測試機柜兼容多種不同產品的物理接口等。

（2）產線的柔性化：產線可以重組，以承接不同類型產品的訂單，從而使工廠可基于海量訂單做出快速反應并實現最經濟化的運行。

在柔性制造場景需求下，對機器的靈活組網和差異化業務處理能力提出了較高要求，傳統以有線和WIFI為主的網絡通信方式存在較大的局限性。有線布線成本高、走線難、部署周期長，導致企業無法根據需求靈活調整產線，制約了柔性制造的發展；WIFI穩定性不足，在連接數達到一定水平之后網絡干擾問題嚴重，移動性差。5G網絡具備高速率、低時延、大連接特性，可以滿足制造業苛刻的高可靠性和移動性需求，使得柔性生產成為現實。同時，通過5G+MEC部署可以將大量運算功能和數據存儲功能移到邊緣端，從而大大降低生產線設備的復雜度。

1 5G柔性生產線方案設計

1.1 柔性生產線設計理念

將生產功能單元整體解耦，各個功能模塊化，每個機臺負責一項功能，各工作機臺之間通過搭積木式靈活組合，根據不同的產品生產要求，使用不同的機臺組合實現生產線快速搭建。不同設備機臺之間通過5G網絡進行連接通訊，相比WIFI易受干擾、跨AP業務會中斷以及容量受限問題，5G無線網絡由于其低時延、大帶寬和大容量特性可以提供安全可靠的無線連接。

1.2 柔性產線模塊化設計方案

（1）整體方案設計

5G柔性產線整體方案包括四大部分：柔性生產單元（工作臺）、5G專網、開放控制系統和邊緣計算平臺。不同柔性生產單元通過搭積木式組合可以實現不同產品的生產制造，5G專網為各個生產單元之間以及生產端與控制系統之間提供穩定可靠的無線連接，開放控制系統和邊緣計算平臺提供生產流程控制和生產數據的實時處理。

圖1 柔性產線整體方案

（2）5G+積木式柔性生產單元

項目將各生產工作站做成蜂窩狀模塊化生產單元（AGV移動的通用物料架/可高度兼容測試平臺/寬適用性的協同機械臂），然后通過5G專網接入擺脫線纜的束縛，各生產單元之間可進行快速連接，任意組合，以適應不同產品的結構及功能需求，如圖2所示。

圖2 柔性生產單元

（3）5G+開放控制系統

該系統是整個小批量、多品種制造的核心軟件，車間的各個工站，通過5G專網連接而迅速組合在一起形成生產單元。當有新產品或新工藝生產需求時，可以依托5G專網實現工位之間秒級組合和拆分，并能針對生產制造所涉及的海量數據進行低延時傳輸、反饋。系統軟件負責實時監控各單元模塊的組裝進度，并保證所有的步驟按照設計要求和檢驗標準完成。人機協同機械臂支持便捷化編程，所有程序集中化管理，存儲于MEC邊緣云，依托5G網絡快速切換生產產品的基本數據，隨時調整裝夾方案，保證生產的效率。

（4）5G +MEC+ PLC自動化

5G+MEC+PLC使用5G的無線傳輸方式取代原有主控電腦到產線單元硬件PLC之間的有線通信方式，通過5G工業控制網關實現MEC邊緣云與原有工業控制協議的適配，使得各單元模塊的組合更加便捷、快速，可以有效地提升PLC的運算能力，降低PLC應用成本。

2 基于5G的靈活安全組網架構

穩定可靠的無線網絡是實現整個柔性生產線的前提。柔性產線對無線網絡的核心訴求主要有以下幾點：（1）數據不出廠，提供局域專網；（2）高可靠性（可靠性大于99.9%）；（3）安全性（滿足OT網絡安全審計要求）；（4）低時延（南北向雙向時延低于20ms，東西向時延低于35ms）。為滿足以上訴求，本方案采取了中移動專享模式建設方案，通過下沉建設入駐式獨享MEC實現UPF下沉并提供MEP轉發功能，實現業務數據本地處理轉發，進一步降低數據轉發時延，同時實現客戶業務數據不出園的愿景；通過專用切片、5G APN/DNN隔離技術，滿足隔離性、按需定制、高可靠性和端到端網絡保障。

2.1 5G專網整體組網方案

新建一套入駐式MEC，控制面接入南京大區5G核心網，為客戶規劃專用切片和獨立DNN，并通過AMF、SMF配置實現本地用戶的UPF選擇。工廠柔性生產線通過5G網絡經入駐式UPF路由至同機房客戶內網，生產線不同工位間通過開啟DNN內卡互訪經由兩個網關之間進行通信，如圖3所示。

圖3 5G專網整體組網架構

端到端網絡由以下幾個部分組成：5G終端、5G基站、5G承載網和5G核心網，這些設備均遵從3GPP規范，并滿足99.999%以上的電信級可靠性。

（1）5G終端：5G CPE作為5G接入終端，柔性生產單元（工作站）內的各設備如PLC、傳感器和機械臂等通過網線連接到CPE，由CPE通過5G網絡和應用服務器以及其它工作臺的CPE進行連接。

（2）5G基站：5G基站實現5G用戶的接入和用戶數據的空口傳輸。項目采用Lampsite數字化有源室分（DIS）系統新建室內覆蓋方案。

（3）5G承載網：承載網的作用是將5G基站連接至核心網，實現5G用戶信令和用戶數據的傳輸。為滿足數據不出廠要求，本方案下沉建設一套SPN，并為新增設備出局傳輸線路采用雙路由環網通道保護，確保網絡安全性，以避免業務在傳輸側的中斷。

（4）5G核心網：5G核心網的功能主要是提供用戶連接、對用戶的管理以及對業務完成承載，作為承載網絡提供到外部網絡的接口。本次核心網部署包含兩個部分，控制面網元設備部署在南京大區核心機房，用戶面網元設備UPF部署在客戶機房，用戶面網元設備UPF通過下沉SPN設備進入承載網，業務數據從無線基站經下沉SPN路由至入駐UPF，全程數據不出廠。

2.2 柔性生產單元二層互通方案

5G專網下CPE終端和服務器，以及終端和終端之間通信是基于三層網絡，由于CPE下同時接了多個生產終端設備，各生產設備之間需要進行二層通信，為滿足該需求，采用了在兩個CPE網關之間建立GRE隧道的方式，從而實現二層互通功能，如圖4所示。

圖4 DTU之間二層互通方案

實際測試兩臺網關之間雙向時延在20ms以內，滿足低時延要求。

2.3 端到端組網安全保障

工廠生產線對網絡安全有很高的要求，5G專網可提供物理上隔離的網絡，5G網絡切片能力可根據應用的差異來提供對應的業務隔離。項目引入5G專網和網絡切片功能，使得公司的各環節數據根據其隱私級別、性能要求進行不同級別的隔離、授權、加密，實現了按需隔離。安全架構在終端中引入終端安全面，通過構建受信存儲、計算環境和標準化安全接口，分別從終端自身和外部兩方面為終端安全提供保障。5G專網系統端到端網絡安全風險控制點如圖5所示。

圖5 端到端安全組網控制

風險點1：終端接入安全。針對終端接入安全控制，5G網絡提供5G SIM卡加二次鑒權、切片準入和基于位置區接入的安全管理功能。

風險點2：無線空口傳輸安全。針對無線空口安全，5G網絡提供加密和完整性保護功能。

風險點3：N3接口安全。針對BBU和UPF之間的N3數據接口，5G網絡提供可選的IPsec數據加密功能。

風險點4：N6接口安全。針對UPF和客戶內網之間的N6接口，通過部署防火墻隔離以及提供對N6口進行IPsec數據加密。

3 結束語

本研究提出的基于5G+開放控制系統的安全可靠柔性產線端到端解決方案目前已完成試點部署驗證。方案包括開放靈活的自動化產線、5G+MEC專網環境、設備運行狀態檢測系統。基于5G的積木式柔性生產線，是在原有生產線硬件及軟件基礎上進行的創新，重點是將硬件重新進行了標準化和模塊化設計，同時定義5G作為柔性產線的標準化通信連接手段，提供滿足柔性產線的5G低時延、高可靠的網絡解決方案，使方案供應商能夠對相應行業進行批量化復制。