拥抱“5G+工业互联网”助力线缆制造数字化转型

2021-07-06张贤根谢书鸿徐金田

智能制造 2021年2期

张贤根谢书鸿徐金田

摘要：面对激烈市场竞争，线缆制造急需解决工厂产业链上下游工序复杂、工厂跨区域、距离远、生产机台离散以及数据入网施工难度大等行业问题。直击线缆行业制造过程中的痛点，基于自身优势，运用5G网络覆盖，基于互联网平台，建设5G深度运用的十大典型场景，推进生产自动化、管理信息化的数字化转型升级。

关键词：线缆制造；5G；数字化；工业互联网；标识解析；智能安全

1 引言

5G拥有超大带宽、超低时延和海量连接的特性，为工业互联网基础网络建设及融合创新应用提供支撑和保障。目前5G技术逐步转入商用阶段，中国信通院院长刘多提出：“5G开启出万物互联的新时代，5G与工业互联网融合是重要方向，将会给社会带来巨大改变。”2019年工信部发布政策性文件《“5G+工业互联网”512工程推进方案》，大力推进“5G+工业互联网”在制造业落地实施，重点打造5个公共服务平台，10个重点行业，20个以上的典型工业场景。海尔大规模定制集成测试平台、上海商飞视频检测安装缺陷和AR辅助飞机装配、南方电网承载电网的配电业务、广西柳工装载机远程控制和环境监控以及青岛港岸桥吊车远程操作[1]等，均实现5G技术深度融合运用。

随着时代的发展和环境变化，线缆制造企业经营发展遇到很多挑战。主要痛点如下：

1）人口红利消失。对于劳动密集型线缆制造企业，随着劳动力短缺、成本上升，人口红利逐步消失。

2）市场竞争加剧。伴随光纤、光缆行业需求增长放缓，以及各厂家对市场份额的激烈争夺，价格竞争趋于白热化。需要从经营过程深度挖掘生产数据，寻找降本点、突破点，提高原材料利用率、生产效率和品质合格率。

3）多机交互受限于网络。部分网络基础建设存在数据分散、前期采集容量偏小，限制了大数据分析的效果、多机交互受限制于网络实时性要求。

4）上下游产业链数据孤岛。上下游数据孤立，相互之间未有效衔接，质量数据分散。

中天科技作为线缆行业中数字化建设的领头企业，目前已建设线缆行业首个工业互联网“ASUN”平台，首家上线运营国家工业互联网标识解析二级节点，已拥有4个国家智能制造综合标准化与新模式示范、智能制造试点示范和21个示范智能工厂、工业互联网标杆工厂和智能车间。面对5G的新一代通信技术转入制造业，中天科技率先于2019年开始部署“5G+工业互联网”方面相關技术，2020年4月正式启动“5G+工业互联网”项目，深化企业数字化转型。

2 基本思路

根据中天科技线缆产业链厂区分布区域广，应用场景多，网络要求高的特点，采用3.5 GHz频段，建设5G专网（SA网络）。5G企业专网在服务范围、网络能力、隔离度和服务保障等方面均依照线缆行业特点，进行定制化的部署。

结合各工厂实际环境，通过在工厂不同位置“安装宏站，结合微站”的方式来实现应用区域覆盖。室外宏站部署，针对标准型厂房，无信号屏蔽的单位，采取室外5G室外宏站覆盖。室分微站部署：考虑厂房和相关区域存在信号屏蔽的环境，采用室内微站（PRRU）覆盖。

企业内部基于5G网络实现分散设备互联，数据集成。企业间利用工业互联网标识解析，基于ASUN平台进行数据互联互通，深度融合，实现产业链协同制造，大数据集成分析。

3 总体框架

中天科技公司深度与电信、移动、联通和华为合作，基于5G企业专网，建设“两线”“四区”“十场景”，如图1所示。两线：通信产业线和海洋产业线；四区：中天路区域、小海区域、江边区域和如东区域；十场景：工业互联网标识解析、智能检测、智能生产、智能展示、远程运维、智能安全、远程监造、多机交互、智能巡检、智能生产和智能仓储物流。

4 建设内容

4.1 建设5G企业专网

围绕各工厂场景需求，部署“两线”“四区”5G网络覆盖，如图2所示，实现跨区域网络互联互通，支持大数据分析处理。

1）各个厂区5G应用终端通过厂区5G宏站、室分站点接入，汇聚层汇聚。

2）园区E部署高配版MEC，实现CDE三个园区数据汇聚、分流；园区A、园区B各部署一套标配版MEC，实现本地数据汇聚、分流；每套MEC设备通过双光路上联汇聚层网络。

3）各园区内部通过现有内网互联互通，内网互联线路带宽视应用情况灵活扩容；园区A、园区B上联至集团总部“ASUN”平台，平台的数据可通过高速专线实现。

4）规划APN区分普通用户与MEC用户，SMF基于终端的位置和APN选择UPF，企业终端接入企业园区的MEC，通过MEC设备访问企业内部服务器，本地闭环，数据不出园区。

5）基于运营商级别的系统安全架构，可有效保证5G企业专网的安全性。对MEC网络实现接入控制，用户权限控制，防止非法用户访问企业内网。防火墙接入控制，企业内网与MEC之间设置防火墙，遵循企业原网络防火墙保护机制。

4.2 十大典型场景建设内容

（1）场景一：工业互联网标识解析

基于5G网络深化工业互联网标识解析运用，建设供应链协同、全流程追溯平台，如图3所示。通过5G与工业互联网平台的融合，将线缆产业链实现数据全连接，正向监控产品从生产/加工到售后的产品状态信息，反向追溯从售后服务到前期生产过程各环节中产品的质量信息。通过标识解析服务，对物料、订单、物流和质量等信息进行统一标识，构建完整的档案，为生产商、服务商和客户提供完善的质量信息追溯服务，加强产品质量管理。系统构建产业链协同，整合产业链上下游的数据资源、形成数据资产，进行挖掘分析，打通产业链上下游运营活动，实现资源共享，设备集约使用，优化产品设计、生产安排和产品交付，进而提升产品竞争力。

（2）场景二：智能检测

建设基于5G网络的智能表面缺陷检测平台，如图4所示。使用工业摄像机实时拍摄图片，通过5G网络将多地工厂多台设备的检测数据上传至MEC平台，通过边缘计算分析，图像识别，提取图像中的特征，包括边缘、线条和纹理等特征，建立模型，实时与缺陷模型进行核对，确定缺陷类别，明确缺陷的详细坐标。

充分利用5G的高带宽特性，实现高质量检测图像数据实时上传到云服务，云服务器端基于检测图像实时和历史图像数据的深度学习，实现算法自我优化。在边缘侧基于图像处理结果，结合深度学习算法，实现质量识别和质量预测算法，通过算法的自我更新及工艺的自我提升，实现流水线生产流程的质量提升。

（3）场景三：智能展示

基于5G网络实现设备全连接、数据全集成，建设数字孪生展示平台，如图5所示。数字孪生技术针对线缆行业的运行方式，进行数字建模。以数字化方式为设备建设数字孪生体，通过拟真的数字化模型，在虚拟空间调试、实验，以让机器的运行、室内运输和线缆收放线达到最佳效果；采用全域感知、运行监测，并整合历史积累数据进行运算，做到快速及时地输出信息，利用高度传感器采集的数据和信息。通过数字孪生技术，不仅能够对新工厂设备进行监测，实现故障预判和及时维修，还可以实现远程操控，远程维修，极大降低运营成本，提高安全性[3]。

（4）场景四：远程运維

基于5G网络低时延、高带宽特点，建设多地工厂异地远程运维系统，如图6所示。针对光纤工厂分布于国内外多地的特殊性，通过搭建工业互联网云平台，利用5G同步性低于20 ms特性，建立数字化远程运维服务[2]。现场人员仅需穿戴智能头盔即可与远程专家实时互动，数字化远程运维方案基于平台设备连接、设备管理能力，解决各地工厂设备灵活管理和监控需求，并提供数据分析服务。从工业智能网关、行业云构建等多维度构建数字化远程运维服务。

（5）场景五：智能安全

基于5G网络，建设安全行为监测平台，如图7所示。系统以视频处理、模式识别和深度学习等技术为基础，采用视频+深度学习的技术手段代替人工现场监督的方式。

根据线缆企业的安全生产需求，通过定制化开发一套智能视觉分析系统，对视频画面中的职工行为进行跟踪检测、模型分析和识别比对，当出现违规行为时，系统自动预警并推送通知发出声光报警，第一时间提醒职工进行安全行为自检。高危情况可联动关停设备，安全生产管理人员进行及时处理，避免安全事故的发生。

（6）场景六：远程监造

基于5G建设远程监造平台，如图8所示。针对工厂、施工现场偏远地区（例如海缆施工），将工厂数据对接工业互联网平台，获取生产数据、检测数据、厂验数据及设备运行数据；对接视频系统，获取现场实时视频流；利用5G大带宽、低时延特性，打造远程监造平台。远程查看实时生产执行情况、项目进度以及生产现场情况。准确掌握生产制造过程中的工艺质量状况和设备的使用情况，对质量数据进行有效地统计分析，及时发现质量问题，进行质量改进，提升质量水平，实现产品缺陷的报警，有效避免人工监造的疏漏，实现监造的全天候无缝衔接。

（7）场景七：多机交互

基于5G网络，建设多机协同系统，如图9所示。系统解决设备之间端到端数据通信和交互，实现机械手、物流系统、生产设备、小车相互交互和实时协同作业。当生产设备生产结束后，设备PLC给出动作指令至机器人，机器人接收到动作指令后立即开始执行既定程序，自动完成半成品预制棒的装卸工作，全程无需人员手动操作。

采用5G网络的覆盖，摆脱了线缆“束缚”，有效支持移动小车的通讯与设备的数据交互控制。网络建设增强补短，采用无缝切换模式，解决网络数据包丢失问题。运用5G网络切片技术，结合机器人+视觉技术，实现从生产到成品出库的物流自动化。

（8）场景八：智能巡检

运用5G巡检机器人对生产过程进行智能巡检。车间内定量的数据通过采集模块直接采集，而生产过程中关于定性的数据无法采集，一直依赖人工点检。巡检机器人将生产过程中定性的数据，如图10所示，通过图像识别进行采集，提取图像中的特征，包括边缘、线条和纹理等特征，与正常状态进行对比，识别劣化变化过程，有效替代人工巡检。同时基于5G网络，保证大量图片数据能够得到快速传输，多台移动巡检机器人数据的数据全部集成至边缘计算平台，进行分析并不断优化模型，提高识别率。对于无法识别的数据，及时回传给后端指挥人员以图示化的显示，方便值班人员进行快速决策。

（9）场景九：智能生产

建设5G网络，实现生产数据的互联互通，助力智能生产。解决传统工业以太网依赖于物理网络的架设，工业数据采集在传输速率、覆盖范围、延迟性、可靠性和安全性等方面局限性。应用5G+融合数字化组网方式，能够充分利用5G的原生特性，通过接入工业网关，解决带宽与时延问题。对原来设备进行5G智能传输改造，实现系统间数据的互联互通，同时能够对物理网“剪辫子”，降低传输负荷。智能生产系统如图11所示。