5G工業互聯網汽車企業外網改造集成應用項目
中國聯合網絡通信有限公司安徽省分公司
網絡改造技術篇/前沿技術/工廠外網改造
1 概述
1.1 背景
國務院《深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》明確要求，到2020年，在5G研究中開展面向工業互聯網應用的網絡技術試驗，協同推進5G在工業企業的應用部署。
1.2 實施目標
本項目針對工業制造應用場景的需求，以5G和工業無線網、工業以太網融合架構及關鍵技術在智能制造企業中落地試點，實現智能制造關鍵網絡設備研發及應用示范，通過和智能制造建設單位的互動，全面推動“5G+智能制造”的產業發展和技術創新。
1.3 適用范圍
本解決方案適用于大型制造類企業，智能工廠內、多個廠區、廠區工業智能產品、產業鏈伙伴等的互聯互通，完成網絡建設信息采集與控制平臺、資源協同平臺或工業大數據分析平臺開發。
1.4 在工業互聯網網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.智能產品與工廠。
本項目適合于智能產品與工廠的工廠外部網絡，利用5G網絡、NB-Iot、互聯網、專線等網絡，構建連接多個廠區、工業智能產品、產業鏈伙伴等的網絡；利用基于邊緣計算的5G工業網絡時延優化及流量控制技術,保證關鍵實時業務與大量流量數據傳輸的QoS。建設信息采集與控制平臺、資源協同平臺或工業大數據分析平臺，實現企業間、企業內部門間資源、能力和需求的協調對接，實現產品的遠程監測、維護、服務和信息分析；利用5G網絡、互聯網、專線等網絡，構建面向加工、裝配環節的多機協作的設備移動等典型工業場景的現場試驗平臺，驗證低延遲、高可靠的工業制造網絡應用。
圖1工業互聯網互聯示意圖
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“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》。《深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》明確要求，到2020年，在5G研究中開展面向工業互聯網應用的網絡技術試驗，協同推進5G在工業企業的應用部署。
該項目針對工業制造應用場景的需求，將以5G和工業無線網、工業以太網融合架構及關鍵技術研究為重點，為未來5G無線移動通信網在工業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網絡、互聯網、專線等網絡，構建連接多個廠區、工業智能產品、產業鏈伙伴等的網絡, 開展基于5G網絡的工廠外網絡改造應用、基于NB-IoT的遠程管理維護監測、基于帶寬網絡技術的業務協同應用。
2）負責建設信息采集與控制平臺、資源協同平臺或工業大數據分析平臺，實現企業間、企業內部門間資源、能力和需求的協調對接，實現產品的遠程監測、維護、服務和信息分析。
3）利用5G網絡、互聯網、專線等網絡，構建面向加工、裝配環節的多機協作的設備移動等典型工業場景的現場試驗平臺，驗證低延遲、高可靠的工業制造網絡應用。
3.2 系統架構
3.2.1 基于5G 的智能工廠互聯互通
建立工業互聯網企業外網絡，采用4G/5G、寬帶網絡、NB-IoT等技術，實現多個廠區、工業智能產品、產業鏈伙伴等的互聯互通。
圖2 面向工業制造的工廠外網絡互聯互通架構
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中的數字化檢測和多源異構數據采集、集成與融合技術平臺采集和匯總各單位數據，通過能源管理中心對各生產和研發基地的相關數據進行統計、分析、評估和發布。
1）數據通訊
? 支持帶數字接口的電表、水表、燃氣表、流量表、油表的數據采集。
? 數據采集可通過撥號、網絡、光纖等通道連接廠站端的采集終端。
2）數據采集
? 支持自動對系統中所有計量點數據進行自動輪詢、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。
? 支持數據傳輸正確性檢驗，異常數據自動標識。
? 每日定時對所有數據采集終端自動對時。
? 支持斷點續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。
3）數據管理
? 數據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。
? 數據來源分為數據自動采集、數據集成采集、移動終端錄入及手工錄入等方式實現。
? 自動采集數據、數據集成采集、利用移動終端數據掃碼、手工錄入數據共同生成各事業部/工廠的一套完整管理數據，作為能源管理的數據應用。
? 系統可以提供實時采集數據查詢，日報、月報、年報的查詢服務。提供各類報表的統計功能，報表基于EXCEL設計開發。
? 針對管理涉及主要數據，可以采用手工錄入方式，例如產量、能源單價等。
? 實現消耗量與標準量的自動計算生成。
? 將系統上線前一年及上線年度的1-本月數據錄入系統。
? 歷史數據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）數據集成
? 支持通過數據接口的方式從其它管理系統中獲取能源相關數據、生產產量相關數據等。
5）數據融合
? 自動計算各類能耗數據的最小間隔，小時，日，月，季，年用量。
? 根據要求，分時段，分線路、分班組準確快速統計計費、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變化曲線。
? 支持閥值的設置，并根據計算結果自動告警，極大地提高了用能分析和用能監察的水平。
? 正確處理換表、滿度歸零、換互感器、旁路替代操作對用量統計的影響，計算時補充各種異常用量。
? 支持原始采集數據，經授權修補/追補數據等參與計算。
? 支持定時/事件觸發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
系統實現借助5G技術與工業互聯網融合，實現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。
擬引入視覺檢測系統，應用在涂膠機器人作業和零部件外檢作業方面，進一步提升智能制造在汽車制造過程的應用，借助5G技術與工業互聯網融合，實現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，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，以自動化設備代替傳統人工作業，提升作業效率的同時也提升了產品品質。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，影響生產節拍。
3D高速跟隨視覺檢測系統是一套視覺輔助系統，通過3D激光引導定位系統，識別車身置件的位置偏差，利用5G網絡將掃描的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網絡傳遞給涂膠機器人，指導機器人依據車身置件的差異，精準定位涂膠位置。
其系統原理如下：
圖3 3D激光引導定位系統原理圖
圖4 3D激光引導定位系統定位示意圖
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，所以數據通訊不能采用傳統的網線接入的方式，同時因3D掃描數據是動態數據傳輸，需實時傳輸且數據量較大，需借助5G網絡實現大數據同步傳輸，便于圖像處理系統能依據數據實時成像，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。其系統原理如下圖所示：
圖6 3D高速跟隨視覺檢測系統原理圖
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網絡傳遞給圖像處理系統，下圖是設備安裝的示意圖：
圖7 3D高速跟隨視覺檢測系統架設示意圖
圖片傳遞給圖像處理系統，圖像處理系統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，并與工藝指標要求進行判定，最終給此次涂膠作業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網絡傳遞給機運系統，通知機運系統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。其中的技術難點是實時掃描數據、大量高清圖片的實時傳遞，需要借助5G網絡實現。
4 成功案例
本解決方案已經在奇瑞汽車集團企業外網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互聯互通系統，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（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絡互聯互通改造；支持專線、互聯網、5G等多種類型的互聯互通方式，支持基于SDN的網絡調度管理。基于NB-IOT等技術實現遠程管理維護監測。基于SDN、5G等技術完成基于帶寬網絡技術的業務協同應用。
2）完成網絡建設信息采集與控制平臺、資源協同平臺或工業大數據分析平臺開發。信息采集與控制平臺:對具備聯網條件的1800臺設備進行數據互聯，實現設備的產量、運行狀態、可用能力等信息實時采集，并可以下發工藝參數、現場告警等信息資源協同平臺:對零部件供應體系中600家供應商進行物料拉動、信息共享、及生產現場配送指導等；工業大數據分析平臺:收集15條生產線的勞動效率、設備啟停、人員出勤等信息，運算和分析生產線可動率、單車工時趨勢等效率指標，提供給決策層作為企業效率分析依據。
3）實現新增智能產品90%以上聯網且可管理，實現信息采集與控制平臺，對設備進行數據互聯，實現設備的產量、運行狀態、可用能力等信息實時采集，并可以下發工藝參數、現場告警等信息。
4）系統實現借助5G技術與工業互聯網融合，實現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。