5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)汽車企業(yè)外網(wǎng)改造集成應(yīng)用項(xiàng)目
5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)汽車企業(yè)外網(wǎng)改造集成應(yīng)用項(xiàng)目
中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司安徽省分公司
網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)篇/前沿技術(shù)/工廠外網(wǎng)改造
1 概述
1.1 背景
國(guó)務(wù)院《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)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(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)試驗(yàn)，協(xié)同推進(jìn)5G在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用部署。
1.2 實(shí)施目標(biāo)
本項(xiàng)目針對(duì)工業(yè)制造應(yīng)用場(chǎng)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(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)在智能制造企業(yè)中落地試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能制造關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用示范，通過和智能制造建設(shè)單位的互動(dòng)，全面推動(dòng)“5G+智能制造”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)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(nèi)、多個(gè)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(luò)建設(shè)信息采集與控制平臺(tái)、資源協(xié)同平臺(tái)或工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)開發(fā)。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)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(xiàng)目適合于智能產(chǎn)品與工廠的工廠外部網(wǎng)絡(luò)，利用5G網(wǎng)絡(luò)、NB-Iot、互聯(lián)網(wǎng)、專線等網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建連接多個(gè)廠區(qū)、工業(yè)智能產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈伙伴等的網(wǎng)絡(luò)；利用基于邊緣計(jì)算的5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延優(yōu)化及流量控制技術(shù),保證關(guān)鍵實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與大量流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS。建設(shè)信息采集與控制平臺(tái)、資源協(xié)同平臺(tái)或工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間、企業(yè)內(nèi)部門間資源、能力和需求的協(xié)調(diào)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、維護(hù)、服務(wù)和信息分析；利用5G網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、專線等網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建面向加工、裝配環(huán)節(jié)的多機(jī)協(xié)作的設(shè)備移動(dòng)等典型工業(yè)場(chǎng)景的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證低延遲、高可靠的工業(yè)制造網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)主持國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，通過《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》。《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)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(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)試驗(yàn)，協(xié)同推進(jìn)5G在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用部署。
該項(xiàng)目針對(duì)工業(yè)制造應(yīng)用場(chǎng)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(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究為重點(diǎn)，為未來5G無線移動(dòng)通信網(wǎng)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
3 解決方案
3.1 方案介紹
1）利用NB-IoT、5G網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、專線等網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建連接多個(gè)廠區(qū)、工業(yè)智能產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈伙伴等的網(wǎng)絡(luò), 開展基于5G網(wǎng)絡(luò)的工廠外網(wǎng)絡(luò)改造應(yīng)用、基于NB-IoT的遠(yuǎn)程管理維護(hù)監(jiān)測(cè)、基于帶寬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的業(yè)務(wù)協(xié)同應(yīng)用。
2）負(fù)責(zé)建設(shè)信息采集與控制平臺(tái)、資源協(xié)同平臺(tái)或工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間、企業(yè)內(nèi)部門間資源、能力和需求的協(xié)調(diào)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、維護(hù)、服務(wù)和信息分析。
3）利用5G網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、專線等網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建面向加工、裝配環(huán)節(jié)的多機(jī)協(xié)作的設(shè)備移動(dòng)等典型工業(yè)場(chǎng)景的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證低延遲、高可靠的工業(yè)制造網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
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(luò)，采用4G/5G、寬帶網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(luò)互聯(lián)互通架構(gòu)
3.2.2 基于5G 的智能制造應(yīng)用云平臺(tái)
在總部建設(shè)基于信息物理融合的智能生產(chǎn)中的數(shù)字化檢測(cè)和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、集成與融合技術(shù)平臺(tái)采集和匯總各單位數(shù)據(jù)，通過能源管理中心對(duì)各生產(chǎn)和研發(fā)基地的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、評(píng)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?xì)獗怼⒘髁勘怼⒂捅淼臄?shù)據(jù)采集。
? 數(shù)據(jù)采集可通過撥號(hào)、網(wǎng)絡(luò)、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(dòng)對(duì)系統(tǒng)中所有計(jì)量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)輪詢、自動(dòng)采集。
? 支持自動(dòng)周期采集和人工手動(dòng)遠(yuǎn)程補(bǔ)抄，自動(dòng)抄表方案可配置。
? 支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸正確性檢驗(yàn)，異常數(shù)據(jù)自動(dòng)標(biāo)識(shí)。
? 每日定時(shí)對(duì)所有數(shù)據(jù)采集終端自動(dòng)對(duì)時(shí)。
? 支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳和通信任務(wù)自動(dòng)恢復(fù)。
? 能顯示主站與終端通信進(jìn)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(shí)物量及標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)采集、數(shù)據(jù)集成采集、移動(dòng)終端錄入及手工錄入等方式實(shí)現(xiàn)。
? 自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集成采集、利用移動(dòng)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(yīng)用。
? 系統(tǒng)可以提供實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)查詢，日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)的查詢服務(wù)。提供各類報(bào)表的統(tǒng)計(jì)功能，報(bào)表基于EXCEL設(shè)計(jì)開發(fā)。
? 針對(duì)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(jià)等。
? 實(shí)現(xiàn)消耗量與標(biāo)準(zhǔn)量的自動(dòng)計(jì)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(jìn)行索引，選擇需要查詢的單位可以自動(dòng)生成報(bào)表結(jié)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(guān)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)產(chǎn)量相關(guān)數(shù)據(jù)等。
5）數(shù)據(jù)融合
? 自動(dòng)計(jì)算各類能耗數(shù)據(jù)的最小間隔，小時(shí)，日，月，季，年用量。
? 根據(jù)要求，分時(shí)段，分線路、分班組準(zhǔn)確快速統(tǒng)計(jì)計(jì)費(fèi)、考核、出線等各類用量信息。
? 按日、月或任意時(shí)間段準(zhǔn)確快速統(tǒng)計(jì)計(jì)算線損指標(biāo)，包括線損、母線平衡、變損以及主備表誤差等，并可進(jìn)行多種方式的比較，可以繪制各類平衡情況的動(dòng)態(tài)變化曲線。
? 支持閥值的設(shè)置，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)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?yè)Q表、滿度歸零、換互感器、旁路替代操作對(duì)用量統(tǒng)計(jì)的影響，計(jì)算時(shí)補(bǔ)充各種異常用量。
? 支持原始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)授權(quán)修補(bǔ)/追補(bǔ)數(shù)據(jù)等參與計(jì)算。
? 支持定時(shí)/事件觸發(fā)的自動(dòng)計(jì)算或隨時(shí)手動(dòng)計(jì)算。
3.2.3 基于5G 的智能制造應(yīng)用示范
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)借助5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)海量圖片的瞬時(shí)傳輸。同時(shí)通過智能相機(jī)及傳感器相關(guān)信息，指導(dǎo)機(jī)器人更高效的作業(yè)。
擬引入視覺檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用在涂膠機(jī)器人作業(yè)和零部件外檢作業(yè)方面，進(jìn)一步提升智能制造在汽車制造過程的應(yīng)用，借助5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)海量圖片的瞬時(shí)傳輸，通過智能相機(jī)捕捉零部件外觀質(zhì)量，器具位置，膠線缺陷等信息，指導(dǎo)機(jī)器人更高效的作業(yè)，應(yīng)用場(chǎng)景如下：
隨著汽車自動(dòng)化和信息化的深化應(yīng)用，汽車自動(dòng)化水平不斷提升，以自動(dòng)化設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工作業(yè)，提升作業(yè)效率的同時(shí)也提升了產(chǎn)品品質(zhì)。涂膠機(jī)器人在汽車的涂裝工藝、總裝工藝中廣泛應(yīng)用，因零部件曲率變形，器具安裝偏離、膠泵異常等情況導(dǎo)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(shè)定質(zhì)檢工位，人工判定涂膠質(zhì)量，進(jìn)行補(bǔ)膠作業(yè)，影響生產(chǎn)節(jié)拍。
3D高速跟隨視覺檢測(cè)系統(tǒng)是一套視覺輔助系統(tǒng)，通過3D激光引導(dǎo)定位系統(tǒng)，識(shí)別車身置件的位置偏差，利用5G網(wǎng)絡(luò)將掃描的3D成型圖像傳遞給服務(wù)器，由服務(wù)器對(duì)車身置件的位置偏離進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)正，將補(bǔ)正后的坐標(biāo)信息通過5G網(wǎng)絡(luò)傳遞給涂膠機(jī)器人，指導(dǎo)機(jī)器人依據(jù)車身置件的差異，精準(zhǔn)定位涂膠位置。
其系統(tǒng)原理如下：
圖3 3D激光引導(dǎo)定位系統(tǒng)原理圖
圖4 3D激光引導(dǎo)定位系統(tǒng)定位示意圖
在涂膠機(jī)器人手臂加裝3D激光掃描設(shè)備，智能相機(jī)和補(bǔ)光設(shè)備，因機(jī)器手臂需進(jìn)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(shí)因3D掃描數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸，需實(shí)時(shí)傳輸且數(shù)據(jù)量較大，需借助5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)時(shí)成像，其架設(shè)示例如下：紅框標(biāo)注部分為3D激光掃描設(shè)備和智能相機(jī)。
圖5 3D激光引導(dǎo)定位系統(tǒng)架設(shè)示意圖
高速跟拍的3D攝像頭跟隨涂膠機(jī)器人的膠槍，以每分鐘200張照片的速度，對(duì)涂膠線進(jìn)行高速跟隨拍攝，并實(shí)時(shí)將圖片傳遞給圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像的識(shí)別處理，結(jié)合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂膠位置、高度、偏差量進(jìn)行判斷，對(duì)斷膠、拉絲、溢膠等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)警。其系統(tǒng)原理如下圖所示：
圖6 3D高速跟隨視覺檢測(cè)系統(tǒng)原理圖
在涂膠機(jī)器人手臂加裝雙攝像頭，并配置補(bǔ)光設(shè)備，于膠槍兩側(cè)跟隨膠槍移動(dòng)拍攝，將海量圖片通過5G網(wǎng)絡(luò)傳遞給圖像處理系統(tǒng)，下圖是設(shè)備安裝的示意圖：
圖7 3D高速跟隨視覺檢測(cè)系統(tǒng)架設(shè)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(duì)圖片進(jìn)行處理，確保膠線能夠清晰的在圖片中標(biāo)識(shí)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(huì)對(duì)圖片中膠線進(jìn)行定位分析，識(shí)別膠線位置，測(cè)定膠線的各項(xiàng)參數(shù)，并與工藝指標(biāo)要求進(jìn)行判定，最終給此次涂膠作業(yè)的檢測(cè)結(jié)果給予判定，其檢測(cè)過程如下圖示例所示：
圖9 檢測(cè)過程示意圖
檢測(cè)結(jié)果通過5G網(wǎng)絡(luò)傳遞給機(jī)運(yùn)系統(tǒng)，通知機(jī)運(yùn)系統(tǒng)此工位加工完畢且檢驗(yàn)合格，機(jī)運(yùn)鏈或劃撬可以運(yùn)行，開始加工下一車身置件。
整個(gè)涂膠過程需要在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成，因此需要在4分鐘內(nèi)完成3D掃描成型，激光引導(dǎo)定位、涂膠高速跟隨拍照、圖片處理、檢測(cè)驗(yàn)證和結(jié)果判定作業(yè)。其中的技術(shù)難點(diǎn)是實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)、大量高清圖片的實(shí)時(shí)傳遞，需要借助5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。
4 成功案例
本解決方案已經(jīng)在奇瑞汽車集團(tuán)企業(yè)外網(wǎng)絡(luò)化改造集成應(yīng)用項(xiàng)目中實(shí)施。
1）基于SDN、5G、NB-IOT等技術(shù)完成奇瑞集團(tuán)工廠外網(wǎng)互聯(lián)互通系統(tǒng)，完成奇瑞集團(tuán)一二三四五廠、汽研院、實(shí)驗(yàn)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(gè)獨(dú)立品牌工廠之間的網(wǎng)絡(luò)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(luò)調(diào)度管理。基于NB-IOT等技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理維護(hù)監(jiān)測(cè)。基于SDN、5G等技術(shù)完成基于帶寬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的業(yè)務(wù)協(xié)同應(yīng)用。
2）完成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)信息采集與控制平臺(tái)、資源協(xié)同平臺(tái)或工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)開發(fā)。信息采集與控制平臺(tái):對(duì)具備聯(lián)網(wǎng)條件的1800臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的產(chǎn)量、運(yùn)行狀態(tài)、可用能力等信息實(shí)時(shí)采集，并可以下發(fā)工藝參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)告警等信息資源協(xié)同平臺(tái):對(duì)零部件供應(yīng)體系中600家供應(yīng)商進(jìn)行物料拉動(dòng)、信息共享、及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配送指導(dǎo)等；工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái):收集15條生產(chǎn)線的勞動(dòng)效率、設(shè)備啟停、人員出勤等信息，運(yùn)算和分析生產(chǎn)線可動(dòng)率、單車工時(shí)趨勢(shì)等效率指標(biāo)，提供給決策層作為企業(yè)效率分析依據(jù)。
3）實(shí)現(xiàn)新增智能產(chǎn)品90%以上聯(lián)網(wǎng)且可管理，實(shí)現(xiàn)信息采集與控制平臺(tái)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的產(chǎn)量、運(yùn)行狀態(tài)、可用能力等信息實(shí)時(shí)采集，并可以下發(fā)工藝參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)告警等信息。
4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)借助5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)海量圖片的瞬時(shí)傳輸。同時(shí)通過智能相機(jī)及傳感器相關(guān)信息，指導(dǎo)機(jī)器人更高效的作業(yè)。
聲明
本報(bào)告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)、建議，不構(gòu)成法律建議，也不應(yīng)替代律師意見。本報(bào)告所有材料或內(nèi)容的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內(nèi)容除外），并受法律保護(hù)。如需轉(zhuǎn)載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權(quán)許可。未經(jīng)授權(quán)許可，任何人不得將報(bào)告的全部或部分內(nèi)容以發(fā)布、轉(zhuǎn)載、匯編、轉(zhuǎn)讓、出售等方式使用，不得將報(bào)告的全部或部分內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)方式傳播，不得在任何公開場(chǎng)合使用報(bào)告內(nèi)相關(guān)描述及相關(guān)數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關(guān)法律責(zé)任。
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