基于5G 通信的工业机械手远程控制系统

2021-03-24师文涛冯作权

锻压装备与制造技术 2021年1期

师文涛，李银，冯作权

（兰石集团能源装备研究院，甘肃兰州730000）

1 概述

1.1 5G 技术简介

2019 年6 月6 日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电四家运营商发放5G 商用牌照，我国正式进入5G 商用元年。从1G 到5G，通信系统的多址技术发生了巨大的变革，从FDMA、TDMA、CDMA、MIMO 到Massive MIMO，通信系统可利用的资源扩展到了频率、时间、码字、空间，通信容量大大增加。

5G 时代的到来对世界的影响是深远的，5G 技术的快速发展对移动通信、物联网、人工智能、云计算和制造业等各个领域的发展都提供了基础。

1.2 5G 通信替代传统通信技术的特点对比

5G 通讯可实现对信息数据的高精度、高可靠和超低延时传送。其采用高频率毫米波可以实现超高速率，可达4G 速率的100 倍，同时空口延时可以低到1ms，仅为4G 的1/10，远低于人体的应激反应，可以广泛应用于自动控制领域。

同时在工业领域，作为新一代信息技术与制造业深度融合的工业互联网，正日益成为智能制造和新工业革命的关键支撑。为实现工业互联网从而实现智能制造，传统的工业通信方式已经不能满足要求，如表1 所示。

表1 5G 与传统通讯技术对比

而且目前大部分制造车间，特别是铸造锻造产业相关车间内烟尘较大，由于工作环境较差，操作人员劳动强度大，越来越难招聘到年轻的操作工人。

2 基于5G 通讯网络的工业机械手远程控制系统

2.1 整体网络架构

电控系统是机组各部件按工艺要求协调动作的组织和指挥中心，是整个机组达到设计性能的根本保证，本项目远程控制的准确性和可靠性是系统的中心任务。

工业机械手控制系统本次采用远程控制台和现场无线控制器，为确保数据传输的及时性、可靠性和准确性，选择5G 远程数据传输。整个控制系统分为现场电气控制端、远程监控控制端和5G 数据传输设备。如图1 所示。

2.2 5G 通信网络

本项目为确保远程控制的实时性和可靠性，为保证监控设备低延迟，采用5G 通讯，可保证延迟在20ms，基本实现无延迟监控和操作。

图1 5G 网络架构

通过TCP/IP 协议将PLC 及现场监控数据传输给工业交换机，并通过前置设备CPE 将数据转为无线信号发送给基站，通过无线传播模型的测算和实际经验表明，采用CPE 的客户端与基站的传输距离可以达到1km～5km。

远程控制接收端同样采用CPE 和工业交换机接收并转化数据，通过TCP/IP 协议将控制信号传送给操作台，将数据信号传送给触摸屏，将监控信号传送给32 寸F200 监视器，从而实现远程监控和操作。

2.3 控制单元

可编程控制单元是整个工业机械手控制系统的核心。该单元主要完成设备旋转、升降、扒渣等所有动作的控制，实现各种监测、诊断、故障报警等任务，还要完成整个控制系统的通信、管理和协调。

该单元选择德国SIEMENS 公司S7 系列PLC为核心采用模块化结构设计，各种功能的输入输出模块之间可进行任意自由组合以满足各种需求。

选用SIMATIC S7-1200 系列PLC,它所具有的模板扩展和配置功能使其能够按照不同的应用需求灵活组合，模块化及无风扇设计，坚固耐用。具有容易扩展的特点和广泛的通讯能力。独立的Flash EPROM存储卡不需要后背电池的支持，即可安全备份控制程序。主站包括：电源模块、中央处理单元（CPU）、各种I/O 模块（SM）等。控制对象主要为所有现场控制阀组，并承担传感器数据的采集和传输。如图2 所示。

现场采用无线控制设备，可在调试时或远程端故障时采用无线控制手柄进行工业机械手的控制和操作。在PLC 上与操作手柄上增加PLC 专用485 透传无线通讯模块，可用手柄对PLC 进行无线控制。如图3 所示。

其通讯通过随着RF 无线数模块模块的日益成熟，相比传统的红外、蓝牙等传输控制方式，采用无线数传模块进行现场控制，可显著提高操作效率，增大控制范围，降低成本。

现场共计安装3 个摄像头，包括1 台1600 万全景红外八目拼接哈勃守望者网络摄像机，2 台质能红外变焦枪型网络摄像机，全景摄像机最大分辨率可达8192×1800（全景）+2560×1440（球机），全景：1/3s～1/100000s（可手动或自动调节），球机：1/1s～1/30000s（可手动或自动调节）；内置GPU 芯片，支持深度学习算法，有效提升现场监控可靠性。