5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)汽車企業(yè)外網(wǎng)改造集成應用項目
中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司安徽省分公司
網(wǎng)絡改造技術篇/前沿技術/工廠外網(wǎng)改造
1 概述
1.1 背景
國務院《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》明確要求，到2020年，在5G研究中開展面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡技術試驗，協(xié)同推進5G在工業(yè)企業(yè)的應用部署。
1.2 實施目標
本項目針對工業(yè)制造應用場景的需求，以5G和工業(yè)無線網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)融合架構及關鍵技術在智能制造企業(yè)中落地試點，實現(xiàn)智能制造關鍵網(wǎng)絡設備研發(fā)及應用示范，通過和智能制造建設單位的互動，全面推動“5G+智能制造”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術創(chuàng)新。
1.3 適用范圍
本解決方案適用于大型制造類企業(yè)，智能工廠內、多個廠區(qū)、廠區(qū)工業(yè)智能產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈伙伴等的互聯(lián)互通，完成網(wǎng)絡建設信息采集與控制平臺、資源協(xié)同平臺或工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺開發(fā)。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置
本解決方案在下圖中所處的位置為8.智能產(chǎn)品與工廠。
本項目適合于智能產(chǎn)品與工廠的工廠外部網(wǎng)絡，利用5G網(wǎng)絡、NB-Iot、互聯(lián)網(wǎng)、專線等網(wǎng)絡，構建連接多個廠區(qū)、工業(yè)智能產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈伙伴等的網(wǎng)絡；利用基于邊緣計算的5G工業(yè)網(wǎng)絡時延優(yōu)化及流量控制技術,保證關鍵實時業(yè)務與大量流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS。建設信息采集與控制平臺、資源協(xié)同平臺或工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺，實現(xiàn)企業(yè)間、企業(yè)內部門間資源、能力和需求的協(xié)調對接，實現(xiàn)產(chǎn)品的遠程監(jiān)測、維護、服務和信息分析；利用5G網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、專線等網(wǎng)絡，構建面向加工、裝配環(huán)節(jié)的多機協(xié)作的設備移動等典型工業(yè)場景的現(xiàn)場試驗平臺，驗證低延遲、高可靠的工業(yè)制造網(wǎng)絡應用。
圖1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
2 需求分析
2017年10月，國務院總理李克強主持國務院常務會議，通過《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》。《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》明確要求，到2020年，在5G研究中開展面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡技術試驗，協(xié)同推進5G在工業(yè)企業(yè)的應用部署。
該項目針對工業(yè)制造應用場景的需求，將以5G和工業(yè)無線網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)融合架構及關鍵技術研究為重點，為未來5G無線移動通信網(wǎng)在工業(yè)制造領域的應用奠定基礎。
3 解決方案
3.1 方案介紹
1）利用NB-IoT、5G網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、專線等網(wǎng)絡，構建連接多個廠區(qū)、工業(yè)智能產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈伙伴等的網(wǎng)絡, 開展基于5G網(wǎng)絡的工廠外網(wǎng)絡改造應用、基于NB-IoT的遠程管理維護監(jiān)測、基于帶寬網(wǎng)絡技術的業(yè)務協(xié)同應用。
2）負責建設信息采集與控制平臺、資源協(xié)同平臺或工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺，實現(xiàn)企業(yè)間、企業(yè)內部門間資源、能力和需求的協(xié)調對接，實現(xiàn)產(chǎn)品的遠程監(jiān)測、維護、服務和信息分析。
3）利用5G網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、專線等網(wǎng)絡，構建面向加工、裝配環(huán)節(jié)的多機協(xié)作的設備移動等典型工業(yè)場景的現(xiàn)場試驗平臺，驗證低延遲、高可靠的工業(yè)制造網(wǎng)絡應用。
3.2 系統(tǒng)架構
3.2.1 基于5G 的智能工廠互聯(lián)互通
建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)外網(wǎng)絡，采用4G/5G、寬帶網(wǎng)絡、NB-IoT等技術，實現(xiàn)多個廠區(qū)、工業(yè)智能產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈伙伴等的互聯(lián)互通。
圖2 面向工業(yè)制造的工廠外網(wǎng)絡互聯(lián)互通架構
3.2.2 基于5G 的智能制造應用云平臺
在總部建設基于信息物理融合的智能生產(chǎn)中的數(shù)字化檢測和多源異構數(shù)據(jù)采集、集成與融合技術平臺采集和匯總各單位數(shù)據(jù)，通過能源管理中心對各生產(chǎn)和研發(fā)基地的相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、評估和發(fā)布。
1）數(shù)據(jù)通訊
? 支持帶數(shù)字接口的電表、水表、燃氣表、流量表、油表的數(shù)據(jù)采集。
? 數(shù)據(jù)采集可通過撥號、網(wǎng)絡、光纖等通道連接廠站端的采集終端。
2）數(shù)據(jù)采集
? 支持自動對系統(tǒng)中所有計量點數(shù)據(jù)進行自動輪詢、自動采集。
? 支持自動周期采集和人工手動遠程補抄，自動抄表方案可配置。
? 支持數(shù)據(jù)傳輸正確性檢驗，異常數(shù)據(jù)自動標識。
? 每日定時對所有數(shù)據(jù)采集終端自動對時。
? 支持斷點續(xù)傳和通信任務自動恢復。
? 能顯示主站與終端通信進度和狀態(tài)。
3）數(shù)據(jù)管理
? 數(shù)據(jù)管理包含能源消耗量的管理（實物量及標準量）和能源消耗成本的管理。
? 數(shù)據(jù)來源分為數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)集成采集、移動終端錄入及手工錄入等方式實現(xiàn)。
? 自動采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集成采集、利用移動終端數(shù)據(jù)掃碼、手工錄入數(shù)據(jù)共同生成各事業(yè)部/工廠的一套完整管理數(shù)據(jù)，作為能源管理的數(shù)據(jù)應用。
? 系統(tǒng)可以提供實時采集數(shù)據(jù)查詢，日報、月報、年報的查詢服務。提供各類報表的統(tǒng)計功能，報表基于EXCEL設計開發(fā)。
? 針對管理涉及主要數(shù)據(jù)，可以采用手工錄入方式，例如產(chǎn)量、能源單價等。
? 實現(xiàn)消耗量與標準量的自動計算生成。
? 將系統(tǒng)上線前一年及上線年度的1-本月數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)。
? 歷史數(shù)據(jù)查詢可以按照分工廠，工廠分部門進行索引，選擇需要查詢的單位可以自動生成報表結果。
? 4）數(shù)據(jù)集成
? 支持通過數(shù)據(jù)接口的方式從其它管理系統(tǒng)中獲取能源相關數(shù)據(jù)、生產(chǎn)產(chǎn)量相關數(shù)據(jù)等。
5）數(shù)據(jù)融合
? 自動計算各類能耗數(shù)據(jù)的最小間隔，小時，日，月，季，年用量。
? 根據(jù)要求，分時段，分線路、分班組準確快速統(tǒng)計計費、考核、出線等各類用量信息。
? 按日、月或任意時間段準確快速統(tǒng)計計算線損指標，包括線損、母線平衡、變損以及主備表誤差等，并可進行多種方式的比較，可以繪制各類平衡情況的動態(tài)變化曲線。
? 支持閥值的設置，并根據(jù)計算結果自動告警，極大地提高了用能分析和用能監(jiān)察的水平。
? 正確處理換表、滿度歸零、換互感器、旁路替代操作對用量統(tǒng)計的影響，計算時補充各種異常用量。
? 支持原始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)授權修補/追補數(shù)據(jù)等參與計算。
? 支持定時/事件觸發(fā)的自動計算或隨時手動計算。
3.2.3 基于5G 的智能制造應用示范
系統(tǒng)實現(xiàn)借助5G技術與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，實現(xiàn)海量圖片的瞬時傳輸。同時通過智能相機及傳感器相關信息，指導機器人更高效的作業(yè)。
擬引入視覺檢測系統(tǒng)，應用在涂膠機器人作業(yè)和零部件外檢作業(yè)方面，進一步提升智能制造在汽車制造過程的應用，借助5G技術與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，實現(xiàn)海量圖片的瞬時傳輸，通過智能相機捕捉零部件外觀質量，器具位置，膠線缺陷等信息，指導機器人更高效的作業(yè)，應用場景如下：
隨著汽車自動化和信息化的深化應用，汽車自動化水平不斷提升，以自動化設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工作業(yè)，提升作業(yè)效率的同時也提升了產(chǎn)品品質。涂膠機器人在汽車的涂裝工藝、總裝工藝中廣泛應用，因零部件曲率變形，器具安裝偏離、膠泵異常等情況導致的斷膠、漏膠等情況偶有發(fā)生，由此需在涂膠工位之后設定質檢工位，人工判定涂膠質量，進行補膠作業(yè)，影響生產(chǎn)節(jié)拍。
3D高速跟隨視覺檢測系統(tǒng)是一套視覺輔助系統(tǒng)，通過3D激光引導定位系統(tǒng)，識別車身置件的位置偏差，利用5G網(wǎng)絡將掃描的3D成型圖像傳遞給服務器，由服務器對車身置件的位置偏離進行計算補正，將補正后的坐標信息通過5G網(wǎng)絡傳遞給涂膠機器人，指導機器人依據(jù)車身置件的差異，精準定位涂膠位置。
其系統(tǒng)原理如下：
圖3 3D激光引導定位系統(tǒng)原理圖
圖4 3D激光引導定位系統(tǒng)定位示意圖
在涂膠機器人手臂加裝3D激光掃描設備，智能相機和補光設備，因機器手臂需進行靈活作業(yè)，所以數(shù)據(jù)通訊不能采用傳統(tǒng)的網(wǎng)線接入的方式，同時因3D掃描數(shù)據(jù)是動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸，需實時傳輸且數(shù)據(jù)量較大，需借助5G網(wǎng)絡實現(xiàn)大數(shù)據(jù)同步傳輸，便于圖像處理系統(tǒng)能依據(jù)數(shù)據(jù)實時成像，其架設示例如下：紅框標注部分為3D激光掃描設備和智能相機。
圖5 3D激光引導定位系統(tǒng)架設示意圖
高速跟拍的3D攝像頭跟隨涂膠機器人的膠槍，以每分鐘200張照片的速度，對涂膠線進行高速跟隨拍攝，并實時將圖片傳遞給圖像處理系統(tǒng)進行圖像的識別處理，結合檢驗標準對涂膠位置、高度、偏差量進行判斷，對斷膠、拉絲、溢膠等情況進行實時檢測和報警。其系統(tǒng)原理如下圖所示：
圖6 3D高速跟隨視覺檢測系統(tǒng)原理圖
在涂膠機器人手臂加裝雙攝像頭，并配置補光設備，于膠槍兩側跟隨膠槍移動拍攝，將海量圖片通過5G網(wǎng)絡傳遞給圖像處理系統(tǒng)，下圖是設備安裝的示意圖：
圖7 3D高速跟隨視覺檢測系統(tǒng)架設示意圖
圖片傳遞給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)首先對圖片進行處理，確保膠線能夠清晰的在圖片中標識出來，如下圖所示：
圖8 圖片處理示意圖
處理后圖片，系統(tǒng)會對圖片中膠線進行定位分析，識別膠線位置，測定膠線的各項參數(shù)，并與工藝指標要求進行判定，最終給此次涂膠作業(yè)的檢測結果給予判定，其檢測過程如下圖示例所示：
圖9 檢測過程示意圖
檢測結果通過5G網(wǎng)絡傳遞給機運系統(tǒng)，通知機運系統(tǒng)此工位加工完畢且檢驗合格，機運鏈或劃撬可以運行，開始加工下一車身置件。
整個涂膠過程需要在一個節(jié)拍內完成，因此需要在4分鐘內完成3D掃描成型，激光引導定位、涂膠高速跟隨拍照、圖片處理、檢測驗證和結果判定作業(yè)。其中的技術難點是實時掃描數(shù)據(jù)、大量高清圖片的實時傳遞，需要借助5G網(wǎng)絡實現(xiàn)。
4 成功案例
本解決方案已經(jīng)在奇瑞汽車集團企業(yè)外網(wǎng)絡化改造集成應用項目中實施。
1）基于SDN、5G、NB-IOT等技術完成奇瑞集團工廠外網(wǎng)互聯(lián)互通系統(tǒng)，完成奇瑞集團一二三四五廠、汽研院、實驗中心等七大核心廠區(qū)（蕪湖），省外工廠（大連、鄂爾多斯），以及捷豹路虎（常州）、觀致（常州）、凱翼（宜賓）、新能源（蕪湖城南）四個獨立品牌工廠之間的網(wǎng)絡互聯(lián)互通改造；支持專線、互聯(lián)網(wǎng)、5G等多種類型的互聯(lián)互通方式，支持基于SDN的網(wǎng)絡調度管理。基于NB-IOT等技術實現(xiàn)遠程管理維護監(jiān)測。基于SDN、5G等技術完成基于帶寬網(wǎng)絡技術的業(yè)務協(xié)同應用。
2）完成網(wǎng)絡建設信息采集與控制平臺、資源協(xié)同平臺或工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺開發(fā)。信息采集與控制平臺:對具備聯(lián)網(wǎng)條件的1800臺設備進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，實現(xiàn)設備的產(chǎn)量、運行狀態(tài)、可用能力等信息實時采集，并可以下發(fā)工藝參數(shù)、現(xiàn)場告警等信息資源協(xié)同平臺:對零部件供應體系中600家供應商進行物料拉動、信息共享、及生產(chǎn)現(xiàn)場配送指導等；工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺:收集15條生產(chǎn)線的勞動效率、設備啟停、人員出勤等信息，運算和分析生產(chǎn)線可動率、單車工時趨勢等效率指標，提供給決策層作為企業(yè)效率分析依據(jù)。
3）實現(xiàn)新增智能產(chǎn)品90%以上聯(lián)網(wǎng)且可管理，實現(xiàn)信息采集與控制平臺，對設備進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，實現(xiàn)設備的產(chǎn)量、運行狀態(tài)、可用能力等信息實時采集，并可以下發(fā)工藝參數(shù)、現(xiàn)場告警等信息。
4）系統(tǒng)實現(xiàn)借助5G技術與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，實現(xiàn)海量圖片的瞬時傳輸。同時通過智能相機及傳感器相關信息，指導機器人更高效的作業(yè)。