“5G+智慧工廠”來襲，上海煙草機械煥發新活力
上海煙草機械為上海傳統的機械制造企業，近年來也逐步開展了智能制造探索，但是工廠在生產、售后運維及數據安全等方面均遇到一定困難。針對客戶問題，中國移動（上海）產業研究院利用5G高帶寬、低時延的特點，提供端到端解決方案，實現了AGV機器人無線控制、5G數字孿生產線、5G+AR維修、高精度室內定位等業務。
一、 項目概況
1. 項目背景
上海煙草機械為上海傳統的機械制造企業，近年來逐步開展了智能制造探索，但是工廠在生產、售后運維及數據安全等方面均遇到一定困難。一是AGV機器人基本通過WiFi進行控制信號和數據傳輸，存在著WiFi信號同頻干擾、漫游切換易掉線（重連）、覆蓋死角等問題。二是作為一家設備制造商，上海煙機在傳統的售后模式中，需要工程師上門檢測設備，加上上海煙草機械的設備遍布全國，存在售后周期長、成本高、響應速度慢的問題。三是制造型企業的核心生產數據可以說是企業中最重要的部分，在過去海量數據不能得到有效的保存，存在著數據安全問題。
2. 項目簡介
5G具備更低的時延，更高的速率，更好的業務體驗，有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點。利用5G技術讓制造型企業快速提高生產力，破解5G在垂直行業應用發展的難題，中國移動（上海）產業研究院致力于工業互聯網平臺建設，開展工業及能源領域平臺及端到端解決方案研發，打造上海煙機5G+離散制造業的示范項目，實現了AGV機器人無線控制、5G數字孿生產線、5G+AR維修、高精度室內定位等業務，未來還將部署5G+邊緣計算、5G+CPS實現自然導航的人機協作移動機器人應用等業務。
3. 項目目標
通過5G實現工廠多設備、多車間統一管理，統一運維，安全隔離，從而帶來巨大的經濟效益。
一方面，使用5G替代局域網走線，減少現場有線組網的建設難度和管理難度，大幅降低了走線布設的成本和后期運維的難度。
另一方面，降低用工成本，提高生產效率。5G+機器人的應用可以實現工廠無人化，不僅降低了人員的成本，而且提高了操作的規范性，現場生產的安全性。將所有生產步驟程序化，提高了生產的效率。
最終，通過5G在智能工廠的應用探索出智能工廠的新業務、新業態和新模式，推動行業制造技術進步，為5G在其他行業的垂直應用提供典范，給社會經濟與生活帶來革命性的影響。
二、項目實施概況
1. 總體網絡架構和具體場景
（1）總體網絡架構
針對5G 網絡改造，原則上充分利用現有站址、傳輸、管線、動力資源，進行網絡部署，5G網絡部署原則參考中國移動集團規模組網建設原則。
上海煙草機械工業及能源領域平臺及端到端解決方案選取上海煙草機械西廠區的智能車間進行業務的示范測試，整體網絡布設方案采取5G BBU+皮基站（pRRU）的形式。5G基站的BBU安裝在東廠區，通過光纖接入西廠區的第一個RHUB，第一個RHUB負責了AGV活動區域的7臺pRRU，同時串聯了第二臺RHUB，也就是ZB415區域的兩臺
pRRU，并對各項應用的重點活動區域做了網絡優化，5G網絡拓撲如圖1。
圖1 上海煙機車間5G網絡拓撲圖
（2）AGV機器人無線控制
在設備側，AGV機器人改用5G網絡取代WiFi組網。利用5G網絡實現MES服務器與車間AGV機器人的實時通信，MES服務器可通過AGV機器人對現場的物料實現智能調度。同時，利用5G網絡大帶寬、低時延、抗干擾性強的優勢，技術人員可對AGV機器人及生產線進行指令實時下達和操控，完成對AGV機器人和生產線的精準遠程管控。
圖2 上海煙草機械5G智慧工廠AGV機器人
（3）5G數字孿生產線
ZB415煙機產線由主機加輔機組成，體積龐大。該智能機組內置超過400個采集點位，每個點位的數據采集頻率均為毫秒級。因此系統每秒會產生海量的數據，要將這些數據實時的傳輸到數字孿生系統中就需要5G網絡大帶寬的加持，通過數字孿生系統對機組的運行狀態進行遠程的控制，如開機、停機、復位、包裝速度調整等。5G網絡的低時延、高可靠性確保了這些控制指令下發的實時性和可靠性。當機組某一個零部件出現故障時，數字孿生系統會通過布置在機組內部的傳感器檢測到該零件，并立即在系統內進行報警；同時會聯動監控攝像頭定位到出現故障的零部件的位置，并放大監控畫面以便于控制中心的專家進行進一步的故障診斷和確認。
圖3 5G數字孿生系統及實景
（4）5G+AR輔助維修
通過AR技術，在設備出現故障時，遠程的維修工程師可通過AR眼鏡或者手機、平板上的攝像頭看到設備的故障情況，并通過AR眼鏡或者平板的顯示器對設備附近的工人進行維修作業指導，從而減少了工程師出差前往設備現場的人力成本，也減少了煙機的維修時間。
圖4 5G+AR輔助維修
（5）高精度室內定位
通過UWB高精度實時定位首先能直觀地顯示貨物托盤的精準位置，方便現場原材料的管理和監督，同時通過位置信息形成各類軟件應用方面的功能進一步提升了管理和監督的便捷性、實時性和智能化，而基于長時間、大量位置數據形成的人員和托盤原材料位置、軌跡能作為工序效率提升的基礎信息數據，為智慧工廠領域帶來突破性的信息化變革。
圖5 室內高精度定位工廠
2. 安全及可靠性
工業互聯網由于涉及到工廠內和工廠外的網絡體系建設，因此其安全體系主要從工業和互聯網兩個方面來構建。從工業視角考慮，安全的重點是保障智能化生產的連續性、可靠性，關注智能裝備、工業控制設備及系統的安全；從互聯網視角考慮，安全主要保障個性化定制、網絡化協同以及服務化延伸等工業互聯網應用的安全運行以提供持續的服務能力，防止重要數據的泄露，重點關注工業應用安全、網絡安全、工業數據安全以及智能產品的服務安全。因此，本項目依據工業互聯網產業聯盟發布的《工業互聯網安全架構》，構建工業互聯網安全保障體系總體框架，如下圖所示，具體包括設備安全、網絡安全、控制安全、應用安全和數據安全等五大重點。
圖6 工業互聯網安全解決方案總體框架
本項目中的工業互聯網安全解決方案覆蓋安全技術防護的全場景，涵蓋了工業產品的設計研發、生產制造、后期運維服務等階段，重點聚焦工業控制層面、內網層面和互聯網云平臺等多個層面，重點構建了工業防火墻、工業隔離系統（工業網閘）、網絡防火墻和虛擬防火墻等工業安全產品或解決方案，實現融合網絡結構優化、邊界安全防護、接入認證、通信內容防護、通信設備防護、安全監測審計等多種防護措施，構筑立體化的網絡安全防護體系。
三、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
通過5G實現工廠多設備、多車間統一管理，統一運維，安全隔離，能夠帶來巨大的經濟效益。
一方面，減少現場有線組網的建設難度和管理難度，使用 5G替代工廠局域網，大幅降低了走線布設的成本和后期運維的難度。另一方面，降低用工成本，提高生產效率。5G+機器人的應用可以實現工廠無人化，不僅降低了人員的成本，而且提高了操作的規范性，現場生產的安全性。將所有生產步驟程序化，提高了生產的效率。
最終，通過5G在智能工廠的應用探索出智能工廠的新業務、新業態和新模式，推動行業制造技術進步，為5G在其他行業的垂直應用提供典范，給社會經濟與生活帶來革命性的影響。
（1）率先實現5G在工業離散行業的應用
中國明確5G時代的引領戰略，從5G國際標準到國內5G產業推動，我國在政策引領、研究布局和試驗驗證方面均處領先地位，因此有必要率先開展規模組網建設進行5G典型的業務驗證，提升我國5G在國際上的影響力。本項目以工業離散行業為應用場景，迅速部署5G預商用網絡，盡早開展真實環境下5G規模組網驗證，探索5G網絡規劃、組網及優化理論方法，推動5G網絡商業部署進程以及產業鏈成熟，完成典型業務場景的5G規模組網。
（2）部署MEC邊緣計算，提升網絡效率，支撐靈活行業應用
MEC使得傳統無線接入網具備了業務本地化和近距離部署的條件，從而提供了高帶寬、低時延的傳輸能力，同時業務面下沉形成本地化部署，可以有效降低對網絡回傳帶寬的要求和網絡負荷。
另一方面，MEC把無線網絡和互聯網技術兩者有效融合在一起，并在無線網絡側增加計算、存儲、處理等功能，構建了開放式平臺以植入應用，并通過無線API開放無線網絡與業務服務器之間的信息交互，對無線網絡與業務進行融合，將傳統的無線基站升級為智能化基站。面向業務層面，移動邊緣計算可向行業提供定制化、差異化服務，進而提升網絡利用效率和增值價值。
工業大企業客戶對于通過運營商移動網絡這類公網進行車間制造、控制管理等通信具有一定程度顧慮，而利用MEC技術可以完美地解決這個問題。在覆蓋企業的網絡基站處部署MEC邊緣計算云，可實現將指定的內網通信進行旁路，直接終結在企業內部，而不再上傳至運營商的核心網絡，既提升了網絡速度、降低了處理時延，也從物理網絡上確保了企業內網的信息安全。
（3）實現示范模式創新
將CPS系統引入機床設備制造，實現生產工藝與信息系統融合，體現了生產模式從“集中型”到“分散型”的范式轉變，將5G技術引入工業互聯網，利5G具備更低的時延，更高的速率，更好的業務體驗，有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點，在信息物理融合系統CPS的支持下，實現了離散制造業生產設備網絡化、生產數據可視化、生產文檔無紙化、生產過程透明化、生產現場無人化等先進技術應用，做到縱向、橫向和端到端的集成。
圖7 基于CPS的遠程控制與故障檢測
2. 實施效果
AGV機器人改用網關加5G CPE的方式取代WiFi，大幅提升生產效率，降低運維成本。
ZB415包裝機聯網改造及視頻監控組網，利用數字孿生系統提升遠程故障定位可行性，有效提升了企業智能化，為企業降本增效。
上海煙草機械生產的煙機遠銷全國各地，通過AR拆解設備賦能遠程輔助維修，無需專家出差到現場進行指導，且大幅提升售后效率，降低售后成本。
通過UWB技術對倉庫內叉車及物料托盤進行高精度定位，實現物流倉儲的自動化和智能化。
總體來說，通過對設備的5G網絡改造，利用5G組網，打通了云端服務器與車間設備的實時通訊，云端服務器可通過設備對現場的物料實現智能調度。同時，利用移動5G網絡抗干擾、低時延、大帶寬的優勢，技術人員可對設備及生產線進行指令實時下達和操控，完成對設備和生產線的精準遠程管控。同時，設備的數字孿生系統中所有傳感器的數據通過5G傳輸到云端服務器，設備及機械臂的所有動作實時的在數字模型中呈現，以5G的高帶寬低時延特性，助力CPS系統的打造。
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