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5G为工业智能制造带来新方向

五度易链 2018-10-08 2924 338

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在核心网方面,5G应该说很好地采用了NFV(网络功能虚拟化)和SDN(软件定义网络)的理念,大部分是基于软件和硬件分离的架构。在大家看起来都是服务器,在上面虚拟出很多不同的功能单元,从网络功能设计来看,也更好地实现了控制和数据平面的分离。其次,在网络架构方面,进一步向扁平化发展,过去2G、3G的四层,到4G已经变成三层,到5G更加简洁,变成两层,而且很多应用了移动边缘计算。核心网标准重点落实像网络切片、移动边缘计算,确保端到端用户的安全。

  5G的发展带来的是物联网的实现,AR的便利使用,当这些科技应用于工业时,智能制造的雏形也能够被刻画出来。那么5G技术是怎样具体应用于工业的智能制造的呢?

  智能制造的具体标准

  首先,我们要了解一下智能制造的标准。工业和信息化部现开展2018年智能制造试点示范项目推荐工作,明确了2018年智能制造试点示范项目要素条件,下面让我们来了解一下

  1、车间/工厂的总体设计、工艺流程及布局均已建立数字化模型,并进行模拟仿真,实现规划、生产、运营全流程数字化管理。

  2、应用数字化三维设计与工艺技术进行产品、工艺设计与仿真,并通过物理检测与试验进行验证与优化。建立产品数据管理系统(PDM),实现产品设计、工艺数据的集成管理。

  3、制造装备数控化率超过70%,并实现高档数控机床与工业机器人、智能传感与控制装备、智能检测与装配装备、智能物流与仓储装备等关键技术装备之间的信息互联互通与集成。

  4、建立生产过程数据采集和分析系统,实现生产进度、现场操作、质量检验、设备状态、物料传送等生产现场数据自动上传,并实现可视化管理。

  5、建立车间制造执行系统(MES),实现计划、调度、质量、设备、生产、能效等管理功能。建立企业资源计划系统(ERP),实现供应链、物流、成本等企业经营管理功能。

  6、建立工厂内部通信网络架构,实现设计、工艺、制造、检验、物流等制造过程各环节之间,以及制造过程与制造执行系统(MES)和企业资源计划系统(ERP)的信息互联互通。

  7、建有工业信息安全管理制度和技术防护体系,具备网络防护、应急响应等信息安全保障能力。建有功能安全保护系统,采用全生命周期方法有效避免系统失效。

  5G带来的关键技术

  在核心网方面,5G应该说很好地采用了NFV(网络功能虚拟化)和SDN(软件定义网络)的理念,大部分是基于软件和硬件分离的架构。在大家看起来都是服务器,在上面虚拟出很多不同的功能单元,从网络功能设计来看,也更好地实现了控制和数据平面的分离。其次,在网络架构方面,进一步向扁平化发展,过去2G、3G的四层,到4G已经变成三层,到5G更加简洁,变成两层,而且很多应用了移动边缘计算。核心网标准重点落实像网络切片、移动边缘计算,确保端到端用户的安全。

  另外,5G技术的技术优势还体现在毫米波、小基站、大规模天线、波束成形这几大技术上。考虑到5G的先进性和经济性两个方面,5G网络建设分为非独立组网和独立组网两种模式。所谓独立组网就是采用5G新的空口接入到5G新的核心网,端到端都是完整5G的标准。非独立方式更多体现在核心网部分,也就是说,有些运营企业在初级阶段仍然用4G核心网接入5G新的接口作为过渡以减少初期投资。

  在推动物联网落地过程中,比如eMBB能支撑起远程视频监控、视频会议等高带宽的应用场景;mMTC能满足大量低功耗嵌入式终端的数据连接与传输需求。URLLC可以将网络等待时间的目标压低到1毫秒以下,以支撑工业自动化控制过程中系统和设备对数据传输的实时性的诸多指标和要求。

  5G将支撑工业的智能制造

  1.物联网

  随着工厂智能化转型的推进,物联网作为连接人、机器和设备的关键支撑技术正受到企业的高度关注。这种需求在推动物联网应用落地的同时,也极大的刺激了5G技术的发展。面对复杂的工业互联需求,5G技术需要适应不同的工业场景,能满足物联网的绝大部分连接需求。因此,5G与物联网是相辅相成的关系,物联网应用落地依赖于5G提供不同场景的无线连接方案,而5G技术标准的成熟也需要物联网应用需求的刺激和推动。

  2.工业自动化控制

  自动化控制是制造工厂中最基础的应用,核心是闭环控制系统。在该系统的控制周期内每个传感器进行连续测量,测量数据传输给控制器以设定执行器。典型的闭环控制过程周期低至ms级别,所以系统通信的时延需要达到ms级别甚至更低才能保证控制系统实现精确控制,同时对可靠性也有极高的要求。如果在生产过程中由于时延过长,或者控制信息在数据传送时发生错误可能导致生产停机,会造成巨大的财务损失。5G可提供极低时延长、高可靠,海量连接的网络,使得闭环控制应用通过无线网络连接成为可能。基于华为5G的实测能力:空口时延可到0.4ms,单小区下行速率达到20Gbps,小区最大可支持1000万+连接数。由此可见,移动通信网络中仅有5G网络可满足闭环控制对网络的要求。

  3.物流追踪

  在目前已成规模的机器对机器市场中,其应用将包括人员跟踪和在途高价商品等。但(较)高连接成本限制了该市场的增长。预计5G将在深度覆盖、低功耗和低成本(规模经济)以及作为3GPP标准技术方面提供额外优势。5G提供的改进将包括在广泛产业中优化物流,提升工人安全和提高资产定位与跟踪的效率,从而最小化成本。它还将扩展能力以实现动态跟踪更广泛的在途商品。随着在线购物增多,资产跟踪将变得更加重要。在物流方面,从仓库管理到物流配送均需要广覆盖、深覆盖、低功耗、大连接、低成本的连接技术。此外,虚拟工厂的端到端整合跨越产品的整个生命周期,要连接分布广泛的已售出的商品,也需要低功耗、低成本和广覆盖的网络,企业内部或企业之间的横向集成也需要无所不在的网络,5G网络能很好的满足这类需求。

  4.工业AR

  在未来智能工厂生产过程中,人将发挥更重要的作用。然而由于未来工厂具有高度的灵活性和多功能性,这将对工厂车间工作人员有更高的要求。为快速满足新任务和生产活动的需求,增强现实AR将发挥很关键作用,在智能制造过程中可用于如下场景:如:监控流程和生产流程。生产任务分步指引,例如手动装配过程指导;远程专家业务支撑,例如远程维护。在这些应用中,辅助AR设施需要最大程度具备灵活性和轻便性,以便维护工作高效开展。因此需要将设备信息处理功能上移到云端,AR设备仅仅具备连接和显示的功能,AR设备和云端通过无线网络连接。AR设备将通过网络实时获取必要的信息(例如,生产环境数据、生产设备数据、以及故障处理指导信息)。在这种场景下AR眼镜的显示内容必须与AR设备中摄像头的运动同步,以避免视觉范围失步现象。通常从视觉移动到AR图像反应时间低于20ms,则会有较好的同步性,所以要求从摄像头传送数据到云端到AR显示内容的云端回传需要小于20mms,除去屏幕刷新和云端处理的时延,则需无线网络的双向传输时延在10ms内才能满足实时性体验的需求。而该时延要求,LTE网络无法满足。

  5.云化机器人

  在智能制造生产场景中,需要机器人有自组织和协同的能力来满足柔性生产,这就带来了机器人对云化的需求。和传统的机器人相比,云化机器人需要通过网络连接到云端的控制中心,基于超高计算能力的平台,并通过大数据和人工智能对生产制造过程进行实时运算控制。通过云技术机器人将大量运算功能和数据存储功能移到云端,这将大大降低机器人本身的硬件成本和功耗。并且为了满足柔性制造的需求,机器人需要满足可自由移动的要求。因此在机器人云化的过程中,需要无线通信网络具备极低时延和高可靠的特征。5G网络是云化机器人理想的通信网络,是使能云化机器人的关键。5G切片网络能够为云化机器人应用提供端到端定制化的网络支撑。5G网络可以达到低至1ms的端到端通信时延,并且支持99.999%的连接可靠性,强大的网络能力能够极大满足云化机器人对时延和可靠性的挑战。

  5G技术将实现了产品,员工和设备的一体化连接,在规范了企业治理的同时,也极大的提高了企业的生产效率,推动了企业的智能制造化道路。


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