5G 技术在离散制造车间应用探讨

韩永磊，李刚，张国政，左振波，王雷

（江苏杰瑞信息科技有限公司，江苏连云港 222000）

数字经济时代已经到来，5G 新基建将重点发力。在生产制造行业，随着信息化程度的提升，对无线网络的需求也逐步提升。而5G 应用技术正是衔接设备和数据的重要通道，有别于4G，5G 的大带宽、低时延、广连接等特点将给制造企业带来较大的技术影响。基于此，本文分析了离散制造车间应用5G 的必要性，典型应用场景，对5G 在离散制造车间的应用进行了较为详细的分析，为之后5G 工业场景应用推广提供借鉴[1]。

5G 技术是第五代移动通信技术，目前在运营商的协助下，已在多个工业场景得到了应用，特别是为工业互联网产业的发展提供了巨大的帮助。目前中国的制造业正进行转型升级中，不局限于车间设备的自动化和信息化升级换代，也需要实现辅助决策、自适应排产等自主化生产。而这些信息的传递及交互实现，则依托通信技术，而5G 技术的应用，加快了功能应用的实现。5G 在工业场景中的应用主要依靠它高速率、低时延、移动性和大容量等基本特征，还有其能够具备可扩展、可编程，能够支持多用户，能够基于同一基础架构来支持不同使用场景。这些典型特征在工业场景，特别是离散制造领域，具有独特的优势，离散制造车间对信息传输的低时延、高可靠、高安全等方面有着明确的要求，而通过5G 技术能够提高离散制造车间网络化、智能化水平，进而实现降本增效，来促进应用企业高质量发展。

1 离散制造车间对于5G 的需求和要求分析

离散制造车间将向智能化方向转型，将重点实现物理与数字虚拟的映射、联动、管控。进而提高离散制造车间生产制造灵活性和可扩展性，提高生产效率。打破封闭独立体的界限，实现生产与需求在互联网端的便捷融合，新一代通信技术的重要性不言而喻。

5G 技术借助其优势可在物联网领域得到较好的应用。当前离散制造型企业内网的传输方式主要为工业以太网和现场工业总线，而受到Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等应用技术的限制，其在稳定性、传输速率、安全性等方面都比5G 技术差，导致了无线应用技术难以得到高效利用。具体来说其劣势还表现在如下几个方面：①无线网络无法满足离散制造车间海量设备连接的问题；②部分离散制造车间需要高清视频等高带宽数据的传输需求；③部分精密仪器需要低时延的信息反馈等基本需求。而通过5G 应用技术，能够解决这些难点，同时能够传输全息影像等信息，这给制造的交互产生了大的影响。同时由于其还具有高可靠性，也将给车间的远程管控奠定基础；并且组网方式较简单，能够节约成本，并解决了好多受限于有线连接方式的工业场景。

5G 网络也能够随离散制造车间业务流向变化而变化，可以实现应用本地化、内容分布化。在本地化应用方面，能够为制造工厂、车间等自己的具体业务应用在本地实现闭环，通过海量连接设备来降低应用成本；内容分布化将实现高带宽内容从中心到区域分布式部署，在虚拟现实、远程运维等方面能够得到较好应用。而高清视频传输的需求也能够满足；在制造车间的边缘侧，也能够实现超低时延业务，例如自动驾驶小车、工业机器人协作等方面。

总体来说，5G 应用技术在离散制造车间的必要性和优势有如下几点：①无线连接。无须综合布线，可以简化工厂和生产线的建设施工，也减轻了后期的维护工作，适配复杂工作活动区域，降低受限性。②带宽大。能够传输高清视频、AR/VR 等大量指数级增长的数据。③低时延。对部分远程操控及精密仪器的控制提高保障。④海量连接。能够满足工业场景多设备的联网需求。

上文对必要性作了简要分析，接下来将对需求性方面作较为深入的探讨，离散制造是典型的工业制造场景，是支撑工业产业的重要支柱。它对于新一代通信技术的需求注意表现在以下几个方面：①车间数字化设备种类繁杂，精细数控设备较多，而为了便于数据集中管控，对现场制造资源数据互联互通的需求很大；②离散制造业，以航空航天、船舶、汽车等行业为代表，部分制造环境是高温、高腐等恶劣的环境，不适合有线通信，以及原厂区的信息化升级改造，对无线网络通信的需求较为明显；③柔性制造需求很广，随着部分车间信息化程度较高，对现场网络的组网方式要求高，需要动态适配，而5G应用技术可以较好地解决此类问题；④5G成为智能化应用必需品，部分离散车间的工艺或者业务，需要具备远程诊断、预测性维护等运维手段，边缘侧设备的上云成为了基本需求。这就对网络提出了更高的要求，而5G的出现能够较好地解决问题[2-3]。

而5G 在离散制造车间的应用要求如下：①部分离散制造车间涉及精密生产，对生产制造数据传输的实时性、确定性、可用性等方面要求很高，5G 通信技术能够满足要求；②部分设备对工业以太网的性能提出了更高的要求，例如交付时间、端点节数、时间同步精度、冗余恢复时间等方面；③现场总线、工业无线等通信网络也有较高的性能评估测试要求，而5G 应用技术正是解决这些问题的有效手段[4]。

2 典型应用场景分析

5G 网络组网具有网络功能虚拟化、多网多制式融合，灵活组网等特征。这些特征能够适应离散制造车间对工业网络的需求和要求。下文将对典型应用场景进行分析。

在涉及到运动控制的制造车间，以数控机床为例，在从站数20，数据量50 B，周期时间小于50 ms 的情况下，总网络速率大于16 Mbit/s；在多工业机器人控制应用方面，以装配机器人为例，在从站数4，数据量40～250 B，周期时间8 ms 情况下，总网络速率大于5 MB/s；在工业AR/VR应用方面，在从站数3 个/基站，周期时间10 ms 情况下，总传输速率达到1.33 Gbit/s；在移动机器人应用方面，以精准运动控制为例，在从站数100，数据量40～250 B，周期时间小于1 ms 的情况下，总网络速率大于10 Mbit/s。通过对典型应用场景分析，可以发现，目前5G 技术在离散制造车间应用方面，主要分为两类应用场景，一是面向离散制造车间，与视频监控、视觉监测以及工业机器人等设备进行技术融合，实现制造监测、物流运输以及远程运维等功能，二是在开阔场景，实现与无人机、数字化机械设备来实现远程操控。主要是通过5G 技术解决上传至云端问题。

3 典型应用作用分析

在对典型场景进行分析后，对部分应用的作用和效果进行研究探讨。主要有如下几个方面：①5G 与虚拟现实的结合应用，在速率大于50 Mbit/s，时延小于20 ms 的应用需求下，能够达到人机协作交互，可根据情况来进行维修指导，完成虚拟装配和远程培训等；②5G 与机器视觉的结合应用，在速率大于50 Mbit/s，时延小于10 ms 的应用需求下，能够实现物品的视觉定位以及物料分拣等功能；③5G 与远程运维的结合应用，在速率大于50 Mbit/s，时延小于20 ms 的应用需求下，能够实现异地设备维护、故障诊断等功能；④5G与AGV 的结合应用，在速率大于50 Mbit/s，时延小于20 ms的应用需求下，能够实现按需调度分配、规划路径等功能；⑤5G 与无人机的结合应用，在速率大于50 Mbit/s，时延小于20 ms 的应用需求下，能够实现视频监控、设备巡检等功能；⑥5G 与远程控制的结合应用，在速率大于50 Mbit/s，时延小于20 ms 的应用需求下，能够实现恶劣环境或远距离设备远程操控等功能。

4 结论

综上所述，通信技术的发展会激发出更多的潜在需求，从3G 激发了视频浏览需求，4G 激发IOT 通信需求，而5G作为新一代通信技术势必会激发生产车间的成本、交互、业务提升方面新需求。同时5G 应用技术给工业产业的进步产生了较大的影响，也倒逼了离散制造车间及智能工厂的转型升级。未来将继续深耕5G 在离散制造车间应用分析，在远程设备运维、质量控制、数字孪生工厂、物流管理等方面进行深入探讨，找出适合离散制造车间的网络最优方案，推动中国离散制造工厂迈向新征程，达到新高度。