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。