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新闻动态

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泛在感知、连接、应用场景下的-5G+工业互联网行业解决方案

2020-11-21

概述

1.1. 行业背景

工业互联网是新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物,是制造业数字化、网络化、智能化的重要载体,也是全球新一轮产业竞争的制高点。相继在德国提出工业4.0计划,美国提出工业互联网概念之后,我国2015年以来陆续出台了“中国制造2025”、“互联网+”等多项产业政策,推动工业互联网的建设。中国作为第一大工业强国、第二大互联网产业强国,工业互联网发展前景广阔。

5G是新一代移动通信系统,5G与工业生产融合之后,逐步成为支撑工业生产的基础设施。5G与工业生产中既有研发设计系统、生产控制系统及服务管理系统等相结合,可以全面推动5G垂直行业的研发设计、生产制造、管理服务等生产流程的深刻变革,实现制造业向智能化、服务化、高端化转型。同时,工业互联网具有难度大、风险高、成本高、跨领域等特点,因此5G+工业互联网既具有广阔的前景,也是最具挑战性的领域。

1.2. 需求分析

工业互联网是实现人、机器、车间、企业等主体以及设计、研发、生产、管理、服务等产业链环节的全要素的泛在互联。

在工厂内,要实现工厂内生产装备、信息采集设备、生产管理系统以及劳动力之间的互联。在工厂内有IT网络和OT网络,智能工厂希望所有设备都能连接到一个IT和OT完全融合的网络上,实现直接的互通互联。这个网络不光具备有线网络,还要有各种无线技术的接入,还应该承载各种不同的业务,不同的服务,实现不同的服务质量。5G网络其优越的网络性能、良好的移动性和QoS保障,在工厂内网具有很多应用场景。

工厂外:随着智能工厂与工厂外实体的联系日益密切,工厂的部分业务系统上云后,企业对上网、上云和企业间互联的需求日益增强。工厂外的联网的目的是实现生产企业、协作企业、智能产品、用户、金融机构、供应链、物流企业的广泛互联。此外,对出厂产品的跟踪,是服务化转型的基础。5G网络具体覆盖广、产业链标准化等优势,对于广域互联、产品跟踪等应用场景具备天然优势。

1.3. 痛点分析

1、 安全生产与人文关怀:

工业生产存在部分危险、恶劣工作环境,不适于人工操作,或者某些区域人员进入为较困难,需要远程操控设备或机器人

2、 降低人工成本,提升工作效率:

工业生产存在大量的生产数据采集、设备巡检需求,人工巡检效率低,对一些有技能要求的操作,需要专业人员在远程进行协助。

3、 节能环保要求:

很多工厂是能耗和污染排放大户,需要实时、海量监控相关数据。

4、 柔性制造:

工业互联网对于柔性制造与个性化定制的需求,要求生产区域能够根据需求进行灵活重构,智能机器可能在不同生产域间调整和迁移。这就要求工厂内的网络架构,能够适应快速组网与灵活调整的需求。

5、 现有网络技术的局限:

工业生产的网络连接需求:数量多、带宽大、移动性强、稳定性高。工厂又具有特殊的环境条件:如高温、高湿、噪声、粉尘,还收到复杂的网络部署条件制约:如各种设备、管线等。现有的固定网络、4G、Wifi等在网络性能,抗干扰、移动性、稳定性和部署的方便性等方面存在一定的局限,难以满足工业互联网需求。

整体方案设计

2.1. 总体方案

以下是5G产业自动化联盟认为的5G智能工厂,以5G为基础,实现制造基地之间运营管理与控制远程集中化,基地内通讯网络无线化,通过网络切片保证通信质量和安全隔离,通过边缘云降低时延,保证数据安全。

2-15G智能工厂全景图

2.2. 系统组成

2.2.1. 工厂内网组成

工厂内网络,主要用于连接生产设备和办公设备,通常包含生产网络和办公网络两张网,二者通过网关实现互联和安全隔离。车间内大量AGV、机器人、移动手持设备、传感器、设备、物品等需要通过网络进行互联互通,以实现对生产现场的实时数据采集等功能。

5G使能工厂生产柔性化。在制造自动化控制系统中,典型的闭环控制过程周期低至毫秒级别,同时对可靠性也有极高的要求。未来工厂中,静态的顺序制造系统,越来越多的被新型的模块化生产系统取代,从而提供更高的灵活性和多用途适应性。5G在满足高可靠低时延的基础上,带来生产设备无线连接的灵活性,使得工厂生产系统模块化和柔性制造成为可能,极大降低生产线重组的时间开销及成本。

基于5G的工业增强现实及远程控制。采用增强现实技术,对生产任务进行分步指引,指导工厂工作人员现场手动装配过程,可以快速满足新生产任务的需求。在恶劣环境下,基于增强现实应用实现人机远程交互与控制,用工业机器人代替人的现场参与。5G的低时延和高速率特性,使这些应用成为现实。5G支持生产设备、移动机器人、AGV等之间的协作。在未来工厂中,移动机器人、AGV起到日益重要的作用。在生产过程中,要求这些智能设备间的密切协同和无碰撞作业,需要以无线方式,低时延、高可靠的进行实时数据交换。5G对于这些设备间的精密协作至关重要,可以大大提升制造效率。

2.2.2. 工厂外网组成

智能工厂需要大量外部连接,包括:上网专线、互联专线、上云专线等满足智能工厂与互联网、其他工厂、云端应用和客户、产业链等的连接。

在工厂外部,利用NB-IOT、LTE增强、5G切片等技术,实现对各类为满足各类海量的智能产品的无线接入。对一些网络质量要求较高,或比较关键的业务,需要用专网或VPN的方式来承载。专网中需要利用SDN、NFV等技术实现业务、流量的隔离,并实现网络的开放可编程。通过产业互联网服务,开放核心网部分能力整合成网络服务API,软件驱动加服务编排,给工业企业提供个性化的封装网络服务。

2.3. 系统功能及主要应用场景

5G与工业互联网融合应用出现了八大类新型场景,分别为5G+超高清视频、5G+AR5G+VR5G+无人机、5G+云端机器人、5G+远程控制、5G+机器视觉以及5G+云化AGV,相应应用场景5G网络提出了新的需求。在应用场景发展节奏方面:5G与超高清视频的融合应用已进入应用成熟期,将成为5G在工业互联网领域的第一批应用场景;5G+AR5G+VR以及5G+机器视觉等应用已进入高速发展期,经济价值逐渐显现,未来1-2年将成为工业互联网的主流应用场景;5G+云化AGV5G+无人机等应用受限于与设备深度融合的需求,还需等待产品成熟,未来2-3年将有较快发展;5G+远程控制和5G+云端机器人等应用由于涉及工业核心控制环节,目前还处于探索期,有待进一步的测试验证。


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