5G專網(wǎng)在汽車柔性制造場(chǎng)景下的實(shí)踐研究

王靈峰　陳文梁　于興林　楊貴林

摘 要：隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，滿足客戶個(gè)性化的需求儼然已成為各車企關(guān)注的焦點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)柔性化智能制造已成為全球化課題，而工業(yè)互聯(lián)作為智能制造升級(jí)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，利用5G在傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全等方面具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)全廠快速、靈活組網(wǎng)將是未來(lái)智慧工廠網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：5G專網(wǎng) 工廠網(wǎng)絡(luò) 柔性制造

1 引言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的制造體系的變革，柔性化生產(chǎn)、智慧物流、智能質(zhì)檢、一站式遠(yuǎn)程運(yùn)維、透明化管理的核心都是數(shù)字化驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)，需要滿足海量數(shù)據(jù)傳輸、信息流和控制流共用一張網(wǎng)、快速適配產(chǎn)線重構(gòu)、遠(yuǎn)程接入等需求，因此，信息通信系統(tǒng)升級(jí)、建立適配工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下新的網(wǎng)絡(luò)體系顯得尤為重要。

前期基于有線、WiFi、4G等技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已不能滿足車企研發(fā)、生產(chǎn)需要，存在以下痛點(diǎn)：一是安全生產(chǎn)，工廠部分生產(chǎn)環(huán)境、工況惡劣，設(shè)備不適宜現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)維，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足遠(yuǎn)程操控需求；二是移動(dòng)性能差，汽車柔性制造與個(gè)性化定制要求生產(chǎn)區(qū)域智能設(shè)備靈活重構(gòu)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)與靈活調(diào)整的需求；三是網(wǎng)絡(luò)性能差：無(wú)法滿足數(shù)字驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化閉環(huán)對(duì)通信的超高可靠、低時(shí)延、廣連接的需求；四是Qos保障差：信息流與控制流共用一張網(wǎng)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能針對(duì)不同的業(yè)務(wù)、不同的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)不同的服務(wù)質(zhì)量；五是網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算融合能力差：汽車研發(fā)、制造海量數(shù)據(jù)的傳輸、異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提出了巨大挑戰(zhàn)。

2 建設(shè)方案

當(dāng)前，5G專網(wǎng)進(jìn)入垂直行業(yè)理論上有兩大分支，一個(gè)是運(yùn)營(yíng)商通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，使用UPF分流，將用戶的數(shù)據(jù)直接傳送到用戶的內(nèi)網(wǎng);另一個(gè)是國(guó)家提供專用的5G頻段，用于行業(yè)用戶自建5G專網(wǎng)。但目前國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的5G專網(wǎng)基本上采用的都是前者，如廣東聯(lián)通與格力、華為構(gòu)建的基于MEC邊緣云+智能制造領(lǐng)域的5G SA切片專網(wǎng);山東移動(dòng)與青島港、華為打造的基于5G SA專網(wǎng)的智慧港口等，同時(shí)在醫(yī)療、煤礦、智能制造等垂直行業(yè)都有案例應(yīng)用。

在不同的應(yīng)用場(chǎng)景有對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能、系統(tǒng)性能、安全性、用戶體驗(yàn)、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、時(shí)延等不同的要求。假如利用同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳輸平臺(tái)提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)勢(shì)必變得非常復(fù)雜和難以控制，而且還會(huì)造成高額的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用和復(fù)雜的控制流程，從而加大網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和維護(hù)的難度[1]。

2.1 5G專網(wǎng)建設(shè)方案

根據(jù)汽車工廠需求，運(yùn)營(yíng)商對(duì)廠區(qū)進(jìn)行了5G企業(yè)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)基礎(chǔ)覆蓋。整體5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋方案按照能夠滿足室外和室內(nèi)兩方面進(jìn)行建設(shè)。室外建設(shè)主要為露天場(chǎng)所和無(wú)人駕駛路段的5G覆蓋，室內(nèi)建設(shè)主要是對(duì)沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間、物流中心、辦公區(qū)域等的信號(hào)覆蓋。

數(shù)據(jù)經(jīng)由部署在園區(qū)的MEC設(shè)備進(jìn)行交換，不出園區(qū)，保障數(shù)據(jù)安全。組網(wǎng)上，在5G通用的應(yīng)用方案上根據(jù)設(shè)備通信的特性，增加L2TP隧道3GPP R16應(yīng)用后，通過(guò)5G LAN特性完成二層交互。將MEC設(shè)備設(shè)置在園區(qū)的邊緣機(jī)房中，統(tǒng)一接入運(yùn)營(yíng)商的5GC SA網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行管理和信令接續(xù)。同時(shí)滿足4/5G協(xié)同，既支持5G網(wǎng)絡(luò)，又兼顧4G LTE設(shè)備的解決方案，實(shí)現(xiàn)將4G和5G（NSA/SA）同時(shí)進(jìn)行分流的能力。

2.2 5G LAN技術(shù)方案

特殊情況下，企業(yè)希望獲得對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的所有控制權(quán)、高度的可靠性、安全性、隱私性等，此時(shí)，公網(wǎng)無(wú)法完全滿足這些特定需求。

通過(guò)5G LAN的應(yīng)用，提供了企業(yè)定制化網(wǎng)絡(luò)的自由度，根據(jù)使用場(chǎng)所、工作類型提供不同的配置，在隱私和安全方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。二層網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，讓IP內(nèi)部允許私有化分配，維護(hù)更簡(jiǎn)單，對(duì)接耦合更方便，應(yīng)用面也更為廣闊。

5G LAN應(yīng)用場(chǎng)景貫穿了汽車制造的全過(guò)程，包括倉(cāng)儲(chǔ)物流、AGV、柔性制造、生產(chǎn)過(guò)程控制、機(jī)器人協(xié)作等各個(gè)環(huán)節(jié)，為構(gòu)建汽車未來(lái)工廠體系建設(shè)提供技術(shù)保障。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 5G焊接群控系統(tǒng)

群控電腦IPC與焊接控制器需要實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，前期通過(guò)有線聯(lián)網(wǎng)，部署耗時(shí)耗力，且無(wú)法靈活調(diào)整，無(wú)法快速響應(yīng)柔性制造系統(tǒng)的頻繁重構(gòu)的需求。本項(xiàng)目利用5G即插即用的組網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊控制器的靈活部署和焊接數(shù)據(jù)的低時(shí)延回傳，技術(shù)人員遠(yuǎn)程接入，提高工作效率。

通過(guò)5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊槍群控系統(tǒng)無(wú)線化，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備遠(yuǎn)程、批量一站式管理：1）遠(yuǎn)程設(shè)定焊接控制器的各焊點(diǎn)的焊接參數(shù)；2）實(shí)時(shí)上傳焊接參數(shù)和報(bào)警信息；3）遠(yuǎn)程訪問(wèn)、備份焊接過(guò)程參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析車輛焊接質(zhì)量。

3.2 5G Vcats車載軟件遠(yuǎn)程刷寫

整車下線檢測(cè)普遍采用VCATS電檢設(shè)備實(shí)現(xiàn)車輛軟件刷寫，傳統(tǒng)的刷寫方式為一對(duì)一的在線刷寫，即一臺(tái)設(shè)備同時(shí)只能刷寫一臺(tái)車，設(shè)備利用率低?，F(xiàn)階段車輛ECU數(shù)量多、軟件層級(jí)多、軟件版本更新迭代快，單臺(tái)車每分鐘可達(dá)近萬(wàn)次的通訊，對(duì)數(shù)據(jù)通訊時(shí)延、并發(fā)要求高。單臺(tái)車刷寫時(shí)長(zhǎng)超一小時(shí)，嚴(yán)重影響產(chǎn)線節(jié)拍。

5G應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)極大解決了現(xiàn)階段軟件刷寫速度慢、無(wú)法遠(yuǎn)程化的難題，將5G場(chǎng)景應(yīng)用到車輛軟件刷寫上，服務(wù)于生產(chǎn)，方便生產(chǎn)測(cè)試人員使用，降低設(shè)備成本。

通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接、多并發(fā)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)車間無(wú)人值守、多車同步、在途和遠(yuǎn)程刷寫，極大的提升了工作效率。

3.3 5G堆垛機(jī)/穿梭車

隨著生產(chǎn)模式的變遷，物流配送的時(shí)效性要求越來(lái)越高，堆疊機(jī)、四向穿梭車作為自動(dòng)化立體庫(kù)執(zhí)行設(shè)備，每次取放、料都要實(shí)時(shí)與WCS倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)多次通信，其通信的可靠性對(duì)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。

前期使用光通信和工業(yè)WiFi進(jìn)行立體庫(kù)設(shè)備通信連接，存在通信不穩(wěn)定、通信效率低等痛點(diǎn)。受直線傳播和接收容差范圍限制、堆垛機(jī)運(yùn)行振動(dòng)、安裝誤差等因素影響，堆垛機(jī)經(jīng)常通信中斷；光通信設(shè)備只支持0.5Mbit/s，無(wú)法傳輸視頻監(jiān)信號(hào)。

通過(guò)5G技術(shù)取代光通信和工業(yè)WiFi，實(shí)現(xiàn)立體庫(kù)執(zhí)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，解決物料入庫(kù)、出庫(kù)、盤點(diǎn)過(guò)程中通信問(wèn)題。

3.4 5G AGV系統(tǒng)

AGV作為柔性化生產(chǎn)線（16個(gè)獨(dú)立工作站組成）的一部分，負(fù)責(zé)工作站間物料轉(zhuǎn)運(yùn)工作，每次任務(wù)需與具體工作站控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息交互頻繁；焊裝車間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在點(diǎn)焊、螺柱焊、激光焊、FDS、Arplas等各種大功率設(shè)備，存在各種電磁干擾，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，采用WiFi通訊經(jīng)常發(fā)生AGV小車掉線和AGV調(diào)度系統(tǒng)崩潰。

5G網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有工廠WIFI對(duì)比優(yōu)勢(shì)主要集中在四個(gè)方面：5G是獨(dú)立的授權(quán)頻道，所以抗干擾性更強(qiáng)；承載數(shù)據(jù)量更多，最大承載量上萬(wàn)，而WIFI單個(gè)AP只有30；5G具有低延時(shí)性（1-10ms），而WIFI同時(shí)連接終端數(shù)量受設(shè)備性能限制，通信受WIFI5隊(duì)列通信技術(shù)限制[2]。

通過(guò)5G的應(yīng)用，解決了WiFi帶寬、時(shí)延等問(wèn)題，全面提升AGV運(yùn)行穩(wěn)定性，提高AGV運(yùn)行速率，從而提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率。

3.5 5G EMS空中輸送線

改造前存在兩大問(wèn)題：一是設(shè)備狀態(tài)信息獲取難，設(shè)備異常狀態(tài)需維護(hù)人員攀到小車維護(hù)平臺(tái)使用筆記本電腦和數(shù)據(jù)線在線監(jiān)控程序；二是設(shè)備控制成本高：通過(guò)硬接線采集并控制小車，需要在PLC主控柜和小車軌道間鋪設(shè)大量電纜和滑觸線。

部署5G網(wǎng)關(guān)后，打通了小車控制器和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)鏈路，利用信息平臺(tái)遠(yuǎn)程采集小車狀態(tài)數(shù)據(jù)；滑觸線只保留動(dòng)力線，取消原有的控制電纜；利用5G網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了原有的功能，同時(shí)擴(kuò)展了數(shù)據(jù)采集功能。

EMS線通過(guò)串口線將EMS小車控制器連接5G DTU，實(shí)現(xiàn)西門子PPI工業(yè)協(xié)議的透?jìng)鳎?）取消控制電纜，采用Profinet Over 5G &VXLAN大二層技術(shù)；2）技術(shù)人員可以遠(yuǎn)程登錄控制器，實(shí)現(xiàn)控制程序的遠(yuǎn)程更新、調(diào)試，減少進(jìn)入復(fù)雜環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；另外，通過(guò)5G聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排查故障。

3.6 5G IOT數(shù)采&數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是映射現(xiàn)實(shí)物理世界的數(shù)字副本。通過(guò)集成人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和傳感器數(shù)據(jù)，建立一個(gè)可以實(shí)時(shí)更新的“真實(shí)”模型，用來(lái)支撐物理產(chǎn)品生命周期各項(xiàng)活動(dòng)的決策。

生產(chǎn)車間孿生過(guò)程需要通過(guò)物聯(lián)感知、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等技術(shù)采集海量的在制車輛信息、產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)報(bào)工、異常報(bào)警等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

構(gòu)建實(shí)體時(shí)，IOT數(shù)據(jù)采集平臺(tái)要面對(duì)復(fù)雜的設(shè)備和接口類型，同時(shí)支持各種工業(yè)協(xié)議，如Profinet、Ethercat、OPC UA等，因此需要一個(gè)足夠健壯的5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證數(shù)采中的各個(gè)通信任務(wù)的高效性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性。

IOT數(shù)采實(shí)現(xiàn)由實(shí)入虛的連接與映射，利用數(shù)字孿生和先進(jìn)的三維可視化技術(shù)，將車間、產(chǎn)線、設(shè)備等資產(chǎn)以3D模型加數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)與生產(chǎn)信息的可視化展示。利用5G低時(shí)延、廣連接的特性，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入平臺(tái)，提升信息交互效率，實(shí)現(xiàn)工廠實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控，虛擬與現(xiàn)實(shí)的同步運(yùn)作，為企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

目前已完成焊裝生產(chǎn)線、透明化工廠報(bào)表、機(jī)器人功能包實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)場(chǎng)景，結(jié)合VR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手勢(shì)引導(dǎo)交互、沉浸式漫游、遠(yuǎn)程操控機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)等功能。并可切換多地工廠進(jìn)行操作實(shí)踐，真正實(shí)現(xiàn)中心化統(tǒng)一管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G+MEC+邊緣計(jì)算的部署方案可為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的提質(zhì)升級(jí)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，利用5G低時(shí)延、大帶寬、高可靠性、高安全性的特性，我們?cè)谄囍圃靾?chǎng)景中驗(yàn)證了今后廣泛使用的可能性。

相信隨著5G核心網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)技術(shù)的不斷突破，在三年內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)逐步平替?zhèn)鹘y(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)5G產(chǎn)品制造成本的降低，也讓越來(lái)越多的企業(yè)愿意在其制造環(huán)節(jié)中使用5G網(wǎng)絡(luò)支撐工廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

基金項(xiàng)目：信息物理系統(tǒng)（CPS）綜合集成管理系統(tǒng)

項(xiàng)目編號(hào)：GL/20-009X。

參考文獻(xiàn)：

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