基于5G网络的模具关键场景应用探索

2022-05-27申华兵

模具工业 2022年5期

0 引言

近年来工业互联网作为信息基础设施建设方向迎来了发展机遇，国家以政策支持+技术创新+商业创新，推动新一轮科技与产业革命的加速融合，提出支撑工业企业建设5G全连接工厂，推动5G应用从外围辅助环节向核心生产环节渗透，加快典型应用场景的推广。现面向模具工厂数字化转型目标，设计“1+1+

”的智能工厂体系，即1张专网、1个平台、

个应用场景，按照“自顶而下、逐步细化、全面推广”的设计原则，如图1所示。

基于5G工业专网提供5G大带宽、低时延、广连接、数据不出园区的网络能力和自主研发智慧模具平台，纵向集成各类生产系统，构建生产环节信息的无缝连接，如图2所示。通过对模具设计与制造生产流程的梳理，整理应用场景，解决生产中关键痛点。通过一系列相互连接的价值创新活动，提高模具生产效率、市场反应速度、柔性生产调度能力，并缩短生产周期、优化供应链协同以配合市场的动态变化，5G赋能模具设计制造流程如图3所示。

1 5G工业专网

当前工业场景网络存在的问题主要是企业内部的通信业务各自建设，导致形成多张网络，投资成本高、建网效率低，特别是5G无线组网接入的应用急需突破；工业制造的信息化呈“烟囱式”发展，后期操作维护需耗费大量资金和时间，且难以互联互通；不同的网络与平台扩建较困难，已成为新业务拓展的障碍。智能化的新需求层出不穷，业务创新难度大，基于5G的工业互联网网络，其优势主要体现在以下方面。

二十一世纪网络科学技术飞速发展，移动互联网更是融入到人们的日常生活当中，因此，传统的媒介都已经通过网络技术向新媒体发展与融合。传统媒介传播方式单一，宣传成本高，技术不足，再加上传统媒介的本身的制约，很难取得很大的发展。

闻喜县各类普查对象数量多，分布广，需投入大量的人力物力资源，相当多的数据采集需要实地访问、现场查勘，还要进行业务培训、普查宣传等，经费需求量大。普查经费由中央和地方各级人民政府共同负担，闻喜县地方财力极为有限，虽然县委、县政府大力支持水利普查工作，但在中央资金到位前，有限的经费制约了水利普查工作的顺利进行。

钢渣是炼钢过程中产生的固体废物，由冶炼反应物、侵蚀脱落的炉体和补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的造渣材料组成[6]。钢铁冶炼过程中会产生大量钢渣，占产钢量的10%～15%。2015年我国粗钢产量是8.04亿t，其钢渣产量为0.80亿～1.2亿t。我国对钢渣的利用主要集中在冶炼溶剂、建筑材料等，利用率只有38.7%，与发达国家存在较大差距[7-13]。积极开拓钢渣综合利用新途径，提高钢渣利用率，可以提高经济和环境效益。

（1）实现一网多业务，云化管理降低整网运营成本；业务融合减少建网成本；架构灵活，面向未来可持续提供多种业务，包括SCADA、自动化控制、仪表和物联网的数据传输、视频监控、宽带接入和语音通信等的融合网络。

（2）易部署，易维护。网络管理更加简单、灵活，终端设备可远程、集中维护，降低维护和运营成本。

（2）TCP/IP通讯协议的设备如OPC Classic、Sie⁃mens S7、Modbus-TCP等通用协议，也有设备厂商自行定义的私有协议。通用协议直接使用以太网（RJ45接口）接入车间网络中，然后对协议做解析。私有协议可以自行开发协议解析模块进行对接。

以S.aureus、E.coli、B.subtilis、S.epidermidis、P.multocida为供试菌。对冬凌草发酵前后的抑菌活性进行了分析，实验结果见表5。由表5可知，冬凌草发酵后的醇提物对S.aureus、B.subtilis、S.epidermidis、P.multocida、E.coli的抑制作用表现出增强作用。

（1）实时远程查看设备及所处环境，必要时进行操控。

（5）数据采集目前主要是提升生产模具的质量和效率，实现精益生产。未来注塑机和CNC设备的反向控制，操作指令下发需要极低时延，5G网络可以满足。

2 5G网络在模具应用的场景介绍

从企业的角度分析，5G技术与其他信息化技术的结合可打通企业的各个流程，实现从设计、生产到销售各个环节的互联互通，并在此基础上实现企业内资源的整合优化，进一步提高企业的生产效率和产品质量；从供应链角度分析，5G的海量连接突破了工厂边界，可实现生产资源共享，共同提升供应链的价值；从行业平台分析，应用场景的建设可促进行业数字化转型标准的建立，促进模具行业整体数字化、自动化建设。根据模具工程数据流和工艺流，整理12大应用场景，如图5所示。

以下主要介绍2个应用场景，即加工环节的5G数据采集场景和验收交付环节的5G AR远程试模场景。

3 数据采集

数据采集是基础，车间数据采集包括产出数据、工艺参数、设备状态信息、报警信息以及传感器的数字量/模拟量信号等，通过5G+工业网关+平台实现数据实时采集、分析和预测管理，解决模具工厂哑巴设备、孤岛设备特点突出的问题。

3.1 需求分析

（1）设备在长期运行过程中，会出现形变、损耗等问题，可能导致设备过载、震动噪音变大等多种生产安全隐患，当前生产线主要依赖人工，故障诊断依赖人员的个人经验。

（2）维护成本高，基于时间计划的周期性维护，针对关键设备被迫采取过度维护方式。设备故障易产生误报，需要提高准确率减少安装调试以及维护工作。

（3）缺少统一的数据汇总集成、故障趋势信息。

试模是模具交付验收中重要环节，客户一般会派工程师到现场参与试模，近年由于疫情的影响，试模问题导致订单不能按时交付的现象常有发生，及时整合5G技术、AR技术和激光镭达定位技术，通过系统让客户方的工程人员和质量人员都可参与，解决了客户不能到达现场参加试模的问题，如图8所示。

3.2 实现路线

模具企业是重资产型企业，设备种类繁多，各种工业总线协议并存。现结合数据采集目标，利用设备的现有条件（如设备已经具备的上位机系统、已经具备的通讯协议等）用最经济高效的方式进行数据采集技术路线的设计。首先对设备进行分类，第一类是带有上位机系统的设备；第二类是TCP/IP通讯协议的设备；第三类是非TCP/IP通讯协议的设备；第四类是不具备通讯接口的设备。然后根据类别有针对性地制定数据采集路线。

由此引起国内外学者对90后农民工群体更多关注，研究的焦点主要集中社会保险参与现状以及制度政策方面，有关新生代农民工失业保险研究几乎处于空白。JianPing Yao and Byung (2015)从性别差异视角运用logistic模型得出年龄、文化程度、经济水平及劳动合同签订情况影响社会保险参保率。Sarah Akenbrack and Kara Hanson (2015)等通过实证分析得出，行业类别、社会人口特征、风险认知、员工福利高低及社会保障的认知程度显著影响其参保概率。

（1）有上位机系统的设备直接从上位机系统中获取设备的数据，然后以开放数据库访问权限的方式或以WebService等方式释放数据访问接口。

内蒙古锡盟～江苏泰州±800kV特高压直流输电线路工程是国家实施北电南送的重点工程，工程建设投运后，将实现北部资源优势转化为能源优势，满足东南部地区社会发展对电力增长的需求，且有利于缓解日趋严重的雾霾污染问题。该输电线路起于内蒙古自治区锡林浩特市境内锡盟换流站（毛登站址），途径内蒙古、河北、天津、山东、江苏5省，止于江苏省盐城市泰州换流站（杨师村站址），全线总长1619.7km。该项工程等级为Ⅰ级，防洪标准为100年一遇洪水。

课程导师作为辅导员的有效补充，一般协同开展大学生教育工作，因此两者工作定位应该呈现错位、交叉和融合的整体特点[5]。笔者一直担任相关专业的课程导师职责，每周有一次教学任务，在课间休息时会与学生们沟通业余活动等问题，通过沟通拉近师生距离；此外，课程导师有开展班风学风建设、班级学生日常管理工作、就业指导和服务工作等职责，平时学生不管遇到什么问题，都会积极地通过各种方式与课程导师交流。课程导师制度改变了传统的授课方式，实现了师生双赢，提升了学生的学习效率。

（3）非TCP/IP通讯协议的设备，需要增加网关，将其协议转换为TCP/IP协议，才能接入车间的网络中进行协议解析。

（4）不具备通讯接口的设备建议不进行数据采集，如要采集可以在机台上放置触摸屏之类的设备，用人工辅助的方式采集生产相关的信息。

装传感器、数据采集板卡是投资较大的一种数据采集方式，应是最后的选择，而非最优选择。传感器和数据采集板卡都涉及设备改造，不仅技术上难度大，也会对设备运行的稳定性方面造成不良影响。数据采集组网架构如图6所示。

近年来，山西省委认真落实意识形态工作责任制，不断加强对宣传思想工作的领导，使全省意识形态领域形势发生了重大而深刻的变化。面对新的形势、新的任务、新的挑战，各级党委（党组）要把意识形态工作责任制切实落到实处，切实担负起政治责任和领导责任。主要负责同志要带头把方向、抓导向、管阵地、强队伍，层层传导压力。要创新领导方式，跳出传统陈旧套路，善用各种宣传工具和渠道，讲究艺术、抓住关键，牢牢掌握主动权。要夯实基层基础，充实基层宣传思想工作力量，完善各种保障，打牢党的执政根基。要坚持全党动手，真正形成党委统一领导、党政齐抓共管、宣传部门组织协调、有关部门分工负责的大宣传工作格局。

（1）设备连接5G边缘计算工业网关，适配多种协议与数据类型，完成数据采集与特征值提取，一站式解决企业IoT设备接入问题。

由于令Sk+1|kT=qr(qr分解为一个正交矩阵q和一个上三角矩阵r的乘积)，则有Pk+1|k=(qr)T(qr)=rTr。因此有

（2）5G高带宽（eMBB）支持更丰富数据交互，支持海量设备连接（mMTC），低时延（uRLLC）保障实现精准数据采集及反向控制。

（3）数据建模、大数据分析、AI等支撑，提供数据注入、存储、分析、挖掘、可视化等全流程能力。

工业网关采集设备数据后将其上传到模具平台，通过模具平台可以实现对设备运行状态和数据的监控，如图7所示。

3.3 价值成效

（3）开放合作生态化。数字时代需要网络为第三方设备和应用提供开放架构，帮助客户实现商业模式创新。

（2）设备故障预警，关键零件失效预测。

返回CE1和CE2抓的镜像包结合设备告警进行分析。看到告警定位信息中接口基本都为S10，所以重点分析了GTP V2的报文，可以从抓包中看到有相当一部分relocationg request请求包是没有得到响应的。relocationg request是终端在MME间发起Handover流程时，源MME向目的MME发送的请求消息，由于源MME迟迟没有得到响应（10s），而源MME按照自己的T3N3定时器重发Forward Relocation Request消息和上报告警，最后导致流程失败。至此，初步判断这个问题并不是丢包引起的GTPC路径故障告警，而是流程失败引起的。

（3）设备状态变化分析，趋势分析。操作人员数量和操作难度可进一步优化，节省人工运维成本，降低技术经验门槛。

（4）统一汇总设备各类数据，提高分析准确性。当前主要采集设备的状态及实时运行数据，如注塑机主要采集模温、料温、注射压力等，将其反馈给CAE软件进行模拟分析，然后再把模拟后数据输入注塑机，指导试模。数据采集不仅实现了数据的实时采集，提高设备利用率，稳定产品质量，也为未来的设备反向控制和数字孪生提供基础，同时也是推动模具行业二级节点建设重要的一步。

轨道安装时要严格按照测量放样所弹出墨线位置安装，且要及时进行校核，以便准确控制轨道高程符合切缝设计要求，每节临时轨道安装的高程要严格控制，确保轨道高质量完成。

3.4 5G关联性

（1）生产现场有较多固定设备的接入，但也有大量周边设备、移动设备的接入，例如条码枪、pad、移动看板、AGV小车等，这些就能充分利用5G大带宽、低时延、广连接的特点。

（2）在新厂区的建设中，灵活地对设备和车间进行规划和调配，不用考虑布线带来的影响，实现整个园区一张网承载。

（3）在现存的大量老旧厂房实施落地项目时，不用投入大量的升级改造费用，不用改动车间布局的情况下，可以享受5G带来的便捷高效。

（4）与WiFi对比，WiFi是非授权频谱，无法从根本上杜绝干扰。大型模具钢材对信号干扰大，汽车模具的数据安全等级高，5G使用授权频谱可以避免干扰，合理部署5G网络不存在WiFi常见的切换丢包和时延等现象，满足连续性生产要求。

模具工厂专网需求正在迅速发展，模具垂直领域企业及行业上下游企业等客户急需相关5G行业专网解决方案，如图4所示。企业上云平台、物联网、大数据、云应用、自组网、低成本、开源和解构等成为企业数字化市场竞争的技术驱动力，基于5G的工业场景的专网应用将成为未来发展趋势。

（6）通过获取大量设备的运行状态，为未来形成一个具备感知、分析、决策的数字孪生做准备，5G网络的大带宽和广连接特性可以满足规划需求。

4 5G AR远程试模应用场景

（4）挖掘数据价值，为未来的设备反向控制和数字孪生做准备。

4.1 需求分析

（1）模具生产周期长，试模准时率一直存在问题，客户到达现场时间和企业生产实施计划无法达到无缝对接。

（2）因近年疫情影响，海外及国内跨省的客户工程师无法及时到达现场参与试模。

（3）试模结果不理想，导致模具反复修改，效率低、成本高，需要专家指导科学试模，提高试模效率。

4.2 实现路线

（1）在车间现场端，使用带有激光镭达摄像头的pad终端，连接5G信号。

最终，我的答案是假如有人将这只天下大第一壶送给我，我不要，白送我也不要。或有人说：它的做工很精致呀，是由10余名工匠历时7个多月制成的。是的，可这又怎么样？既然无用，精制与粗制就没有什么区别。在废品上雕上画还是废品。或有人说，用掉上乘紫砂土1.5吨呢。是的，可这又怎么样？既然同样无用，材料是上乘的还是低劣的就没有什么区别。或有人说，它是当今世界最大的紫砂壶，是天下第一壶呀。是的，可最大又怎么样？天下第一又怎么样？无用的最大就是最大的无用。天下第一壶就是天下第一无用壶，这有什么值得炫耀的吗？

（2）现场端使用账户、密码登录。客户端同步通过Google Chrome浏览器，使用账户、密码登录。

（3）系统支持语音、文字、视频等方式，现场工程师佩戴降噪耳机，提供优质稳定的工厂降噪通讯功能，隔绝车间噪音的干扰；利用5G大带宽特性，通过实时将现场视频叠加文字、标注，实现客户和企业工程师在虚拟世界中犹如现实世界的互动效果。

（4）当模具生产的样品不合格时，客户和现场工程师即时沟通协作，查看样品生产的真实参数，修正模流分析工艺参数并导入注塑机生产。

与传统的AR智能终端产品相比具有的优势：①使用激光镭达摄像头的终端得到分辨率更高的图像，画面更清晰；②终端固定在支架上，其稳定性好，杜绝头戴AR终端的不适感，提高客户体验。

AR远程试模组网架构如图9所示。