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        基于5G+開放系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線應(yīng)用研究與實(shí)踐

        2022-11-17 01:24:18祝遠(yuǎn)建王建宏徐旨勝
        江蘇通信 2022年5期
        關(guān)鍵詞:生產(chǎn)

        祝遠(yuǎn)建 王建宏 徐旨勝

        中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司無(wú)錫分公司

        0 引言

        隨著工業(yè)生產(chǎn)模式逐漸走向以最終客戶需求為導(dǎo)向,智能制造正從MTS(make to stock,備貨型生產(chǎn)),走向MTO(make to order,按單生產(chǎn))以及ETO(engineer to order,按訂單設(shè)計(jì))。柔性制造作為制造自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的重要方向之一,在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上,將智能化機(jī)械與人有機(jī)融合,全面提升生產(chǎn)能力的柔性化以及供應(yīng)鏈敏捷準(zhǔn)確的反應(yīng)能力。

        以典型的小批量、多品種離散型制造企業(yè)無(wú)錫普洛菲斯電子有限公司為例,該工廠產(chǎn)品大多應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域,制造上百個(gè)產(chǎn)品家族,10000多個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品,產(chǎn)品最小批量為1pcs,每筆訂單金額平均僅為2萬(wàn)元人民幣,是典型的小批量、多品種離散型制造企業(yè)。工廠按訂單組織生產(chǎn),客戶需求與項(xiàng)目關(guān)聯(lián)大,訂單預(yù)測(cè)波動(dòng)大;另外,工廠現(xiàn)有生產(chǎn)區(qū)域大部分為固定廠線,區(qū)域利用率已達(dá)極致,但各個(gè)組裝產(chǎn)線常年處于負(fù)載不均衡的狀態(tài)。如要進(jìn)一步提升產(chǎn)能,就需要對(duì)負(fù)載較低的廠線進(jìn)行柔性化改造,通過柔性的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)投資、自動(dòng)化率及生產(chǎn)空間利用效率的最優(yōu)化。其對(duì)柔性生產(chǎn)的核心訴求有:

        (1)機(jī)器的柔性化:機(jī)器設(shè)備具有隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的能力,典型應(yīng)用包括機(jī)器手臂可根據(jù)不同的產(chǎn)品加工更換不同的夾具,測(cè)試機(jī)柜兼容多種不同產(chǎn)品的物理接口等。

        (2)產(chǎn)線的柔性化:產(chǎn)線可以重組,以承接不同類型產(chǎn)品的訂單,從而使工廠可基于海量訂單做出快速反應(yīng)并實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)化的運(yùn)行。

        在柔性制造場(chǎng)景需求下,對(duì)機(jī)器的靈活組網(wǎng)和差異化業(yè)務(wù)處理能力提出了較高要求,傳統(tǒng)以有線和WIFI為主的網(wǎng)絡(luò)通信方式存在較大的局限性。有線布線成本高、走線難、部署周期長(zhǎng),導(dǎo)致企業(yè)無(wú)法根據(jù)需求靈活調(diào)整產(chǎn)線,制約了柔性制造的發(fā)展;WIFI穩(wěn)定性不足,在連接數(shù)達(dá)到一定水平之后網(wǎng)絡(luò)干擾問題嚴(yán)重,移動(dòng)性差。5G網(wǎng)絡(luò)具備高速率、低時(shí)延、大連接特性,可以滿足制造業(yè)苛刻的高可靠性和移動(dòng)性需求,使得柔性生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí),通過5G+MEC部署可以將大量運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能移到邊緣端,從而大大降低生產(chǎn)線設(shè)備的復(fù)雜度。

        1 5G柔性生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)

        1.1 柔性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)理念

        將生產(chǎn)功能單元整體解耦,各個(gè)功能模塊化,每個(gè)機(jī)臺(tái)負(fù)責(zé)一項(xiàng)功能,各工作機(jī)臺(tái)之間通過搭積木式靈活組合,根據(jù)不同的產(chǎn)品生產(chǎn)要求,使用不同的機(jī)臺(tái)組合實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線快速搭建。不同設(shè)備機(jī)臺(tái)之間通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接通訊,相比WIFI易受干擾、跨AP業(yè)務(wù)會(huì)中斷以及容量受限問題,5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由于其低時(shí)延、大帶寬和大容量特性可以提供安全可靠的無(wú)線連接。

        1.2 柔性產(chǎn)線模塊化設(shè)計(jì)方案

        (1)整體方案設(shè)計(jì)

        5G柔性產(chǎn)線整體方案包括四大部分:柔性生產(chǎn)單元(工作臺(tái))、5G專網(wǎng)、開放控制系統(tǒng)和邊緣計(jì)算平臺(tái)。不同柔性生產(chǎn)單元通過搭積木式組合可以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)制造,5G專網(wǎng)為各個(gè)生產(chǎn)單元之間以及生產(chǎn)端與控制系統(tǒng)之間提供穩(wěn)定可靠的無(wú)線連接,開放控制系統(tǒng)和邊緣計(jì)算平臺(tái)提供生產(chǎn)流程控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

        圖1 柔性產(chǎn)線整體方案

        (2)5G+積木式柔性生產(chǎn)單元

        項(xiàng)目將各生產(chǎn)工作站做成蜂窩狀模塊化生產(chǎn)單元(AGV移動(dòng)的通用物料架/可高度兼容測(cè)試平臺(tái)/寬適用性的協(xié)同機(jī)械臂),然后通過5G專網(wǎng)接入擺脫線纜的束縛,各生產(chǎn)單元之間可進(jìn)行快速連接,任意組合,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及功能需求,如圖2所示。

        圖2 柔性生產(chǎn)單元

        (3)5G+開放控制系統(tǒng)

        該系統(tǒng)是整個(gè)小批量、多品種制造的核心軟件,車間的各個(gè)工站,通過5G專網(wǎng)連接而迅速組合在一起形成生產(chǎn)單元。當(dāng)有新產(chǎn)品或新工藝生產(chǎn)需求時(shí),可以依托5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工位之間秒級(jí)組合和拆分,并能針對(duì)生產(chǎn)制造所涉及的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行低延時(shí)傳輸、反饋。系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控各單元模塊的組裝進(jìn)度,并保證所有的步驟按照設(shè)計(jì)要求和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成。人機(jī)協(xié)同機(jī)械臂支持便捷化編程,所有程序集中化管理,存儲(chǔ)于MEC邊緣云,依托5G網(wǎng)絡(luò)快速切換生產(chǎn)產(chǎn)品的基本數(shù)據(jù),隨時(shí)調(diào)整裝夾方案,保證生產(chǎn)的效率。

        (4)5G +MEC+ PLC自動(dòng)化

        5G+MEC+PLC使用5G的無(wú)線傳輸方式取代原有主控電腦到產(chǎn)線單元硬件PLC之間的有線通信方式,通過5G工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)MEC邊緣云與原有工業(yè)控制協(xié)議的適配,使得各單元模塊的組合更加便捷、快速,可以有效地提升PLC的運(yùn)算能力,降低PLC應(yīng)用成本。

        2 基于5G的靈活安全組網(wǎng)架構(gòu)

        穩(wěn)定可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)柔性生產(chǎn)線的前提。柔性產(chǎn)線對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心訴求主要有以下幾點(diǎn):(1)數(shù)據(jù)不出廠,提供局域?qū)>W(wǎng);(2)高可靠性(可靠性大于99.9%);(3)安全性(滿足OT網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)要求);(4)低時(shí)延(南北向雙向時(shí)延低于20ms,東西向時(shí)延低于35ms)。為滿足以上訴求,本方案采取了中移動(dòng)專享模式建設(shè)方案,通過下沉建設(shè)入駐式獨(dú)享MEC實(shí)現(xiàn)UPF下沉并提供MEP轉(zhuǎn)發(fā)功能,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地處理轉(zhuǎn)發(fā),進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延,同時(shí)實(shí)現(xiàn)客戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園的愿景;通過專用切片、5G APN/DNN隔離技術(shù),滿足隔離性、按需定制、高可靠性和端到端網(wǎng)絡(luò)保障。

        2.1 5G專網(wǎng)整體組網(wǎng)方案

        新建一套入駐式MEC,控制面接入南京大區(qū)5G核心網(wǎng),為客戶規(guī)劃專用切片和獨(dú)立DNN,并通過AMF、SMF配置實(shí)現(xiàn)本地用戶的UPF選擇。工廠柔性生產(chǎn)線通過5G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)入駐式UPF路由至同機(jī)房客戶內(nèi)網(wǎng),生產(chǎn)線不同工位間通過開啟DNN內(nèi)卡互訪經(jīng)由兩個(gè)網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行通信,如圖3所示。

        圖3 5G專網(wǎng)整體組網(wǎng)架構(gòu)

        端到端網(wǎng)絡(luò)由以下幾個(gè)部分組成:5G終端、5G基站、5G承載網(wǎng)和5G核心網(wǎng),這些設(shè)備均遵從3GPP規(guī)范,并滿足99.999%以上的電信級(jí)可靠性。

        (1)5G終端:5G CPE作為5G接入終端,柔性生產(chǎn)單元(工作站)內(nèi)的各設(shè)備如PLC、傳感器和機(jī)械臂等通過網(wǎng)線連接到CPE,由CPE通過5G網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)器以及其它工作臺(tái)的CPE進(jìn)行連接。

        (2)5G基站:5G基站實(shí)現(xiàn)5G用戶的接入和用戶數(shù)據(jù)的空口傳輸。項(xiàng)目采用Lampsite數(shù)字化有源室分(DIS)系統(tǒng)新建室內(nèi)覆蓋方案。

        (3)5G承載網(wǎng):承載網(wǎng)的作用是將5G基站連接至核心網(wǎng),實(shí)現(xiàn)5G用戶信令和用戶數(shù)據(jù)的傳輸。為滿足數(shù)據(jù)不出廠要求,本方案下沉建設(shè)一套SPN,并為新增設(shè)備出局傳輸線路采用雙路由環(huán)網(wǎng)通道保護(hù),確保網(wǎng)絡(luò)安全性,以避免業(yè)務(wù)在傳輸側(cè)的中斷。

        (4)5G核心網(wǎng):5G核心網(wǎng)的功能主要是提供用戶連接、對(duì)用戶的管理以及對(duì)業(yè)務(wù)完成承載,作為承載網(wǎng)絡(luò)提供到外部網(wǎng)絡(luò)的接口。本次核心網(wǎng)部署包含兩個(gè)部分,控制面網(wǎng)元設(shè)備部署在南京大區(qū)核心機(jī)房,用戶面網(wǎng)元設(shè)備UPF部署在客戶機(jī)房,用戶面網(wǎng)元設(shè)備UPF通過下沉SPN設(shè)備進(jìn)入承載網(wǎng),業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從無(wú)線基站經(jīng)下沉SPN路由至入駐UPF,全程數(shù)據(jù)不出廠。

        2.2 柔性生產(chǎn)單元二層互通方案

        5G專網(wǎng)下CPE終端和服務(wù)器,以及終端和終端之間通信是基于三層網(wǎng)絡(luò),由于CPE下同時(shí)接了多個(gè)生產(chǎn)終端設(shè)備,各生產(chǎn)設(shè)備之間需要進(jìn)行二層通信,為滿足該需求,采用了在兩個(gè)CPE網(wǎng)關(guān)之間建立GRE隧道的方式,從而實(shí)現(xiàn)二層互通功能,如圖4所示。

        圖4 DTU之間二層互通方案

        實(shí)際測(cè)試兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)之間雙向時(shí)延在20ms以內(nèi),滿足低時(shí)延要求。

        2.3 端到端組網(wǎng)安全保障

        工廠生產(chǎn)線對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全有很高的要求,5G專網(wǎng)可提供物理上隔離的網(wǎng)絡(luò),5G網(wǎng)絡(luò)切片能力可根據(jù)應(yīng)用的差異來(lái)提供對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)隔離。項(xiàng)目引入5G專網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)切片功能,使得公司的各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)根據(jù)其隱私級(jí)別、性能要求進(jìn)行不同級(jí)別的隔離、授權(quán)、加密,實(shí)現(xiàn)了按需隔離。安全架構(gòu)在終端中引入終端安全面,通過構(gòu)建受信存儲(chǔ)、計(jì)算環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)化安全接口,分別從終端自身和外部?jī)煞矫鏋榻K端安全提供保障。5G專網(wǎng)系統(tǒng)端到端網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)如圖5所示。

        圖5 端到端安全組網(wǎng)控制

        風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)1:終端接入安全。針對(duì)終端接入安全控制,5G網(wǎng)絡(luò)提供5G SIM卡加二次鑒權(quán)、切片準(zhǔn)入和基于位置區(qū)接入的安全管理功能。

        風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)2:無(wú)線空口傳輸安全。針對(duì)無(wú)線空口安全,5G網(wǎng)絡(luò)提供加密和完整性保護(hù)功能。

        風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)3:N3接口安全。針對(duì)BBU和UPF之間的N3數(shù)據(jù)接口,5G網(wǎng)絡(luò)提供可選的IPsec數(shù)據(jù)加密功能。

        風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)4:N6接口安全。針對(duì)UPF和客戶內(nèi)網(wǎng)之間的N6接口,通過部署防火墻隔離以及提供對(duì)N6口進(jìn)行IPsec數(shù)據(jù)加密。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        本研究提出的基于5G+開放控制系統(tǒng)的安全可靠柔性產(chǎn)線端到端解決方案目前已完成試點(diǎn)部署驗(yàn)證。方案包括開放靈活的自動(dòng)化產(chǎn)線、5G+MEC專網(wǎng)環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)?;?G的積木式柔性生產(chǎn)線,是在原有生產(chǎn)線硬件及軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行的創(chuàng)新,重點(diǎn)是將硬件重新進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì),同時(shí)定義5G作為柔性產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)化通信連接手段,提供滿足柔性產(chǎn)線的5G低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)解決方案,使方案供應(yīng)商能夠?qū)ο鄳?yīng)行業(yè)進(jìn)行批量化復(fù)制。

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