基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能制造應(yīng)用研究

摘要：該文圍繞5G網(wǎng)絡(luò)如何賦能智能制造，通過理論分析與實(shí)踐案例相結(jié)合的方式，展現(xiàn)5G技術(shù)在優(yōu)化生產(chǎn)流程、加速信息流通、促進(jìn)資源高效配置等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，針對(duì)當(dāng)前智能制造面臨的挑戰(zhàn)，提出基于5G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)施策略，旨在為制造業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供切實(shí)可行的指導(dǎo)思路，探索一條通往智能工廠的新路徑。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；智能制造；應(yīng)用研究

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.11.043

中圖分類號(hào)：TN 929.5" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）11-0-03

Research on Intelligent Manufacturing Applications Based on 5G Networks

TANG Kaihua

（China Electronics Technology Putian Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510310， China）

Abstract： This article focuses on how 5G networks can empower intelligent manufacturing. Through a combination of theoretical analysis and practical cases， it demonstrates the unique advantages of 5G technology in optimizing production processes， accelerating information flow， and promoting efficient resource allocation. At the same time， in response to the challenges faced by current intelligent manufacturing， a 5G based system architecture design and implementation strategy is proposed， aiming to provide practical guidance for the transformation and upgrading of manufacturing enterprises， and explore a new path towards intelligent factories.

Keywords： 5G network; intelligent manufacturing; application research

1" "5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理與特性

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)：新一代通信技術(shù)的里程碑

5G網(wǎng)絡(luò)不同于以往的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，它在追求更高數(shù)據(jù)傳輸速率的基礎(chǔ)上著眼于構(gòu)建萬物互聯(lián)的智能世界。5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念圍繞三大核心場(chǎng)景展開：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）與超可靠低延遲通信（URLLC），這三大場(chǎng)景分別對(duì)應(yīng)著高速率、大連接與低延遲的技術(shù)特性，為智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 高速率：數(shù)據(jù)洪流中的極速通道

5G網(wǎng)絡(luò)的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20 Gbps，遠(yuǎn)超4G/LTE的1 Gbps，意味著用戶可以在瞬間下載高清視頻，而企業(yè)則能實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)傳輸，這種高速率可以極大地提升用戶體驗(yàn)，更為智能制造中的大數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了強(qiáng)有力的支持。例如，在智能工廠中，傳感器與設(shè)備間頻繁的數(shù)據(jù)交換依賴于5G提供的高速通道，確保了生產(chǎn)過程的無縫銜接與高效運(yùn)作。

1.3 大連接：物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的廣闊舞臺(tái)

5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是支持每平方千米百萬級(jí)的設(shè)備連接，對(duì)于智能制造而言，這意味著從生產(chǎn)線上的每一個(gè)螺絲釘?shù)絺}(cāng)庫(kù)里的每一箱貨物都可以成為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)真正的萬物互聯(lián)。借助5G網(wǎng)絡(luò)，工廠管理者可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)千臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)并自動(dòng)識(shí)別故障預(yù)警，從而提前采取措施，提升整體運(yùn)營(yíng)效率。

1.4 超低延遲：即時(shí)響應(yīng)的保障

5G網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其超低延遲特性，理論上可以達(dá)到1 ms以內(nèi)，許多需要即時(shí)響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景都能從中獲益。在智能制造領(lǐng)域，低延遲使得機(jī)器人可以實(shí)時(shí)接收指令并做出反應(yīng)，提高了操作精度與安全性，同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)也變得更加可行，工程師能夠從千里之外操控設(shè)備來進(jìn)行診斷與維修，極大提升了服務(wù)范圍與效率。

2" "智能制造現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，未來工廠的質(zhì)量、產(chǎn)能、成本等將取決于對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)用能力，取決于工廠的數(shù)據(jù)化、信息化與機(jī)械化水平，工人將被逐步替代，高端經(jīng)驗(yàn)技術(shù)也將數(shù)據(jù)化，通過集成先進(jìn)的信息技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)，智能工廠可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、柔性化與智能化，生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量也得到了大幅提升。但是智能制造在數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備互聯(lián)與生產(chǎn)管理等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，這些問題在一定程度上限制了智能制造的全面推廣和深度應(yīng)用[1]。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸受限

數(shù)據(jù)是智能制造中的核心生產(chǎn)資料，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)作為生產(chǎn)要素的核心關(guān)鍵作用，推動(dòng)制造模式朝著智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、服務(wù)化延伸、數(shù)字化管理方向變革將是主流方向，而傳統(tǒng)的通信技術(shù)難以滿足海量數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸需求。以智能倉(cāng)儲(chǔ)為例，大量的RFID標(biāo)簽與傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要被迅速收集與處理，以實(shí)現(xiàn)庫(kù)存的實(shí)時(shí)追蹤與動(dòng)態(tài)調(diào)整，但在缺乏高帶寬、低延遲網(wǎng)絡(luò)支持的情況下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t與丟包現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重影響了智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的響應(yīng)速度與準(zhǔn)確性，進(jìn)而降低了整個(gè)供應(yīng)鏈的效率。

2.2 難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全面互聯(lián)

盡管工廠中遍布各種智能生產(chǎn)設(shè)備、傳感器、采集器與通信設(shè)備，但若是設(shè)備間缺乏統(tǒng)一的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，不同設(shè)備間的信息、數(shù)據(jù)及資料無法按需對(duì)接與流動(dòng)，會(huì)降低工廠整體效能。舉例來講，當(dāng)一條PCB（印制電路板）生產(chǎn)線上的多個(gè)環(huán)節(jié)由不同供應(yīng)商的設(shè)備組成時(shí)，這些設(shè)備之間的信息交互變得復(fù)雜且低效，會(huì)影響生產(chǎn)計(jì)劃的靈活性與執(zhí)行效率。

2.3 生產(chǎn)管理的復(fù)雜性

隨著產(chǎn)品種類的多樣化與訂單需求的個(gè)性化，生產(chǎn)計(jì)劃的制定與執(zhí)行變得愈發(fā)困難，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)無法應(yīng)對(duì)快速變化的市場(chǎng)需求，特別是對(duì)于小批量、定制性生產(chǎn)模式的工廠，如何實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置與成本的有效控制成為擺在制造商面前的一道難題，對(duì)于設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障預(yù)測(cè)，同樣需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力與高度智能化的管理平臺(tái)來確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定高效。因此，在推進(jìn)工廠標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和智能化水平提升方面亟須通過新一代通信技術(shù)來建立智能工廠。

3" "5G網(wǎng)絡(luò)在智能制造中的應(yīng)用案例

3.1 智能倉(cāng)儲(chǔ)

5G技術(shù)推動(dòng)了庫(kù)存管理的革新，通過5G網(wǎng)絡(luò)連接的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備（如RFID標(biāo)簽與傳感器）網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控庫(kù)存狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)無紙化入庫(kù)、主動(dòng)備料、精準(zhǔn)發(fā)料、全程批次管理等。例如，當(dāng)材料到貨時(shí)手持終端掃碼自動(dòng)錄入倉(cāng)儲(chǔ)信息及打印物料標(biāo)簽，并通過生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）自動(dòng)排出生產(chǎn)計(jì)劃，倉(cāng)管人員可以實(shí)時(shí)通過顯示看板了解開料車間的生產(chǎn)總需求、累計(jì)發(fā)料數(shù)、產(chǎn)線結(jié)存等信息，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏預(yù)測(cè)下一次應(yīng)發(fā)料的數(shù)量和時(shí)間，讓倉(cāng)管人員主動(dòng)備料、準(zhǔn)時(shí)送料，為方便全程物料批次追溯，在備料時(shí)可根據(jù)工單需求數(shù)量自動(dòng)匹配庫(kù)存的批次，減少同一工單混批；自動(dòng)補(bǔ)貨備料請(qǐng)求直接通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至供應(yīng)商，實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)數(shù)字化和自動(dòng)化管理，讓供應(yīng)鏈無縫對(duì)接。在5G網(wǎng)絡(luò)支持下，通過應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)，可對(duì)倉(cāng)管人員提供直觀的揀選指導(dǎo)，提升揀選速度。

3.2 自動(dòng)化生產(chǎn)線

在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，設(shè)備間的協(xié)同與信息的實(shí)時(shí)共享是保證生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，5G技術(shù)的應(yīng)用為生產(chǎn)線的智能化升級(jí)開辟了道路。借助5G網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)線上的每一臺(tái)設(shè)備都能實(shí)時(shí)接收最新的生產(chǎn)指令并快速調(diào)整工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多變生產(chǎn)任務(wù)的靈活響應(yīng)。更重要的是，5G網(wǎng)絡(luò)的大連接特性允許成百上千的設(shè)備同時(shí)在線，即使在高密度設(shè)備環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的通信質(zhì)量。舉例來講，在汽車制造行業(yè)中，5G網(wǎng)絡(luò)支持的自動(dòng)化生產(chǎn)線可以根據(jù)不同車型的定制需求靈活調(diào)整裝配線布局，顯著提升生產(chǎn)靈活性與客戶滿意度。除了在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的設(shè)備調(diào)度與協(xié)作方面發(fā)揮作用，5G技術(shù)還促進(jìn)了生產(chǎn)過程的透明化與可追溯性，讓生產(chǎn)線上每個(gè)工序的數(shù)據(jù)都能夠?qū)崟r(shí)上傳至云端，企業(yè)隨后借助大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行深度洞察，在發(fā)現(xiàn)效率瓶頸的同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)策略[2]。5G網(wǎng)絡(luò)的大連接特性使得生產(chǎn)線上的設(shè)備與外部環(huán)境（如市場(chǎng)、供應(yīng)商）之間能夠建立更加緊密的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以更快的速度響應(yīng)市場(chǎng)需求變化。

3.3 遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)

設(shè)備維護(hù)是制造業(yè)中不可或缺的一環(huán)，通過應(yīng)用5G技術(shù)讓遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)成為可能。從生產(chǎn)運(yùn)行視角實(shí)現(xiàn)對(duì)車間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的直觀、實(shí)時(shí)掌控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)判潛在故障、異常停機(jī)、生產(chǎn)異常等風(fēng)險(xiǎn)隱患；從設(shè)備運(yùn)維視角可發(fā)現(xiàn)設(shè)備歷史故障信息和歷次故障解決方案，相應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境、點(diǎn)檢數(shù)據(jù)有效的聯(lián)動(dòng)累積；從資產(chǎn)管理視角管理設(shè)備使用周期、折舊、盤點(diǎn)等。專家可通過高清視頻傳輸遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)備檢修，甚至通過遠(yuǎn)程操作機(jī)器人完成復(fù)雜的維修任務(wù)，大大減少了因設(shè)備故障造成的停機(jī)時(shí)間。5G網(wǎng)絡(luò)支持的邊緣計(jì)算使設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)分析能夠在本地快速執(zhí)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，既降低了維護(hù)成本又延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。在遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)方面，5G技術(shù)不僅限于提供高速穩(wěn)定的通信支持，還催生了全新的維護(hù)模式——遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)。借助5G網(wǎng)絡(luò)，可將設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給各地的專家團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)利用高級(jí)數(shù)據(jù)分析工具對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，預(yù)測(cè)潛在故障[3]。

3.4 智能質(zhì)量控制

質(zhì)量控制是確保最終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，5G技術(shù)的引入讓實(shí)時(shí)、高精度的質(zhì)量檢測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。5G網(wǎng)絡(luò)所連接的高清攝像頭與采用的AI算法可以對(duì)生產(chǎn)線上每一個(gè)產(chǎn)品的外觀、尺寸等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并即時(shí)反饋異常情況，避免不合格品流入下一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。基于5G技術(shù)的智能質(zhì)量控制系統(tǒng)大大提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確率，顯著加快了檢測(cè)速度，為生產(chǎn)過程的精益化管理提供了有力支持。當(dāng)然，5G技術(shù)在智能質(zhì)量控制中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止提高檢測(cè)速度與精度，目前有許多企業(yè)將多模態(tài)傳感器接入5G網(wǎng)絡(luò)，用于捕捉產(chǎn)品的視覺、聲學(xué)、振動(dòng)等多種信號(hào)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)全方位的產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估。這種多維度的質(zhì)量檢測(cè)能夠更早地發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量問題，防止不良品進(jìn)入市場(chǎng)進(jìn)而維護(hù)了企業(yè)聲譽(yù)[4]。

3.5 5G技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智能制造的核心驅(qū)動(dòng)力之一，它通過各種通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通。5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來了革命性的升級(jí)，如圖1所示，5G網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、機(jī)器人、機(jī)械臂、打印機(jī)、掃描儀、叉車等各種設(shè)備緊密相連，構(gòu)成一個(gè)高效的通信網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的實(shí)時(shí)交互，也使得數(shù)據(jù)可以在云平臺(tái)間自由流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置和生產(chǎn)效率的最大化。

4" "結(jié)束語

5G技術(shù)作為新一代通信技術(shù)的杰出代表，無疑為智能制造領(lǐng)域注入了強(qiáng)勁動(dòng)力，憑借著高速、低延時(shí)、大連接的特性，5G技術(shù)有效解決了數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，在優(yōu)化設(shè)備互聯(lián)與生產(chǎn)管理的同時(shí)顯著提升了制造過程的靈活性和效率。智能倉(cāng)儲(chǔ)、自動(dòng)化生產(chǎn)線、遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)與智能質(zhì)量控制等應(yīng)用場(chǎng)景生動(dòng)展現(xiàn)了5G技術(shù)在推動(dòng)智能制造升級(jí)中的巨大潛力。隨著5G技術(shù)的不斷成熟與拓展，其在智能制造中的應(yīng)用將更加廣泛深入，將引領(lǐng)制造業(yè)邁向智能化、綠色化、個(gè)性化的嶄新時(shí)代。

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