基于5G+开放系统的柔性生产线应用研究与实践

祝远建 王建宏 徐旨胜

中国移动通信集团江苏有限公司无锡分公司

0 引言

随着工业生产模式逐渐走向以最终客户需求为导向，智能制造正从MTS（make to stock，备货型生产），走向MTO（make to order，按单生产）以及ETO（engineer to order，按订单设计）。柔性制造作为制造自动化技术发展的重要方向之一，在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，将智能化机械与人有机融合，全面提升生产能力的柔性化以及供应链敏捷准确的反应能力。

以典型的小批量、多品种离散型制造企业无锡普洛菲斯电子有限公司为例，该工厂产品大多应用在工业领域，制造上百个产品家族，10000多个型号的产品，产品最小批量为1pcs，每笔订单金额平均仅为2万元人民币，是典型的小批量、多品种离散型制造企业。工厂按订单组织生产，客户需求与项目关联大，订单预测波动大；另外，工厂现有生产区域大部分为固定厂线，区域利用率已达极致，但各个组装产线常年处于负载不均衡的状态。如要进一步提升产能，就需要对负载较低的厂线进行柔性化改造，通过柔性的解决方案来实现投资、自动化率及生产空间利用效率的最优化。其对柔性生产的核心诉求有：

（1）机器的柔性化：机器设备具有随产品变化而加工不同零件的能力，典型应用包括机器手臂可根据不同的产品加工更换不同的夹具，测试机柜兼容多种不同产品的物理接口等。

（2）产线的柔性化：产线可以重组，以承接不同类型产品的订单，从而使工厂可基于海量订单做出快速反应并实现最经济化的运行。

在柔性制造场景需求下，对机器的灵活组网和差异化业务处理能力提出了较高要求，传统以有线和WIFI为主的网络通信方式存在较大的局限性。有线布线成本高、走线难、部署周期长，导致企业无法根据需求灵活调整产线，制约了柔性制造的发展；WIFI稳定性不足，在连接数达到一定水平之后网络干扰问题严重，移动性差。5G网络具备高速率、低时延、大连接特性，可以满足制造业苛刻的高可靠性和移动性需求，使得柔性生产成为现实。同时，通过5G+MEC部署可以将大量运算功能和数据存储功能移到边缘端，从而大大降低生产线设备的复杂度。

1 5G柔性生产线方案设计

1.1 柔性生产线设计理念

将生产功能单元整体解耦，各个功能模块化，每个机台负责一项功能，各工作机台之间通过搭积木式灵活组合，根据不同的产品生产要求，使用不同的机台组合实现生产线快速搭建。不同设备机台之间通过5G网络进行连接通讯，相比WIFI易受干扰、跨AP业务会中断以及容量受限问题，5G无线网络由于其低时延、大带宽和大容量特性可以提供安全可靠的无线连接。

1.2 柔性产线模块化设计方案

（1）整体方案设计

5G柔性产线整体方案包括四大部分：柔性生产单元（工作台）、5G专网、开放控制系统和边缘计算平台。不同柔性生产单元通过搭积木式组合可以实现不同产品的生产制造，5G专网为各个生产单元之间以及生产端与控制系统之间提供稳定可靠的无线连接，开放控制系统和边缘计算平台提供生产流程控制和生产数据的实时处理。

图1 柔性产线整体方案

（2）5G+积木式柔性生产单元

项目将各生产工作站做成蜂窝状模块化生产单元（AGV移动的通用物料架/可高度兼容测试平台/宽适用性的协同机械臂），然后通过5G专网接入摆脱线缆的束缚，各生产单元之间可进行快速连接，任意组合，以适应不同产品的结构及功能需求，如图2所示。

图2 柔性生产单元

（3）5G+开放控制系统

该系统是整个小批量、多品种制造的核心软件，车间的各个工站，通过5G专网连接而迅速组合在一起形成生产单元。当有新产品或新工艺生产需求时，可以依托5G专网实现工位之间秒级组合和拆分，并能针对生产制造所涉及的海量数据进行低延时传输、反馈。系统软件负责实时监控各单元模块的组装进度，并保证所有的步骤按照设计要求和检验标准完成。人机协同机械臂支持便捷化编程，所有程序集中化管理，存储于MEC边缘云，依托5G网络快速切换生产产品的基本数据，随时调整装夹方案，保证生产的效率。

（4）5G +MEC+ PLC自动化

5G+MEC+PLC使用5G的无线传输方式取代原有主控电脑到产线单元硬件PLC之间的有线通信方式，通过5G工业控制网关实现MEC边缘云与原有工业控制协议的适配，使得各单元模块的组合更加便捷、快速，可以有效地提升PLC的运算能力，降低PLC应用成本。

2 基于5G的灵活安全组网架构

稳定可靠的无线网络是实现整个柔性生产线的前提。柔性产线对无线网络的核心诉求主要有以下几点：（1）数据不出厂，提供局域专网；（2）高可靠性（可靠性大于99.9%）；（3）安全性（满足OT网络安全审计要求）；（4）低时延（南北向双向时延低于20ms，东西向时延低于35ms）。为满足以上诉求，本方案采取了中移动专享模式建设方案，通过下沉建设入驻式独享MEC实现UPF下沉并提供MEP转发功能，实现业务数据本地处理转发，进一步降低数据转发时延，同时实现客户业务数据不出园的愿景；通过专用切片、5G APN/DNN隔离技术，满足隔离性、按需定制、高可靠性和端到端网络保障。

2.1 5G专网整体组网方案

新建一套入驻式MEC，控制面接入南京大区5G核心网，为客户规划专用切片和独立DNN，并通过AMF、SMF配置实现本地用户的UPF选择。工厂柔性生产线通过5G网络经入驻式UPF路由至同机房客户内网，生产线不同工位间通过开启DNN内卡互访经由两个网关之间进行通信，如图3所示。

图3 5G专网整体组网架构

端到端网络由以下几个部分组成：5G终端、5G基站、5G承载网和5G核心网，这些设备均遵从3GPP规范，并满足99.999%以上的电信级可靠性。

（1）5G终端：5G CPE作为5G接入终端，柔性生产单元（工作站）内的各设备如PLC、传感器和机械臂等通过网线连接到CPE，由CPE通过5G网络和应用服务器以及其它工作台的CPE进行连接。

（2）5G基站：5G基站实现5G用户的接入和用户数据的空口传输。项目采用Lampsite数字化有源室分（DIS）系统新建室内覆盖方案。

（3）5G承载网：承载网的作用是将5G基站连接至核心网，实现5G用户信令和用户数据的传输。为满足数据不出厂要求，本方案下沉建设一套SPN，并为新增设备出局传输线路采用双路由环网通道保护，确保网络安全性，以避免业务在传输侧的中断。

（4）5G核心网：5G核心网的功能主要是提供用户连接、对用户的管理以及对业务完成承载，作为承载网络提供到外部网络的接口。本次核心网部署包含两个部分，控制面网元设备部署在南京大区核心机房，用户面网元设备UPF部署在客户机房，用户面网元设备UPF通过下沉SPN设备进入承载网，业务数据从无线基站经下沉SPN路由至入驻UPF，全程数据不出厂。

2.2 柔性生产单元二层互通方案

5G专网下CPE终端和服务器，以及终端和终端之间通信是基于三层网络，由于CPE下同时接了多个生产终端设备，各生产设备之间需要进行二层通信，为满足该需求，采用了在两个CPE网关之间建立GRE隧道的方式，从而实现二层互通功能，如图4所示。

图4 DTU之间二层互通方案

实际测试两台网关之间双向时延在20ms以内，满足低时延要求。

2.3 端到端组网安全保障

工厂生产线对网络安全有很高的要求，5G专网可提供物理上隔离的网络，5G网络切片能力可根据应用的差异来提供对应的业务隔离。项目引入5G专网和网络切片功能，使得公司的各环节数据根据其隐私级别、性能要求进行不同级别的隔离、授权、加密，实现了按需隔离。安全架构在终端中引入终端安全面，通过构建受信存储、计算环境和标准化安全接口，分别从终端自身和外部两方面为终端安全提供保障。5G专网系统端到端网络安全风险控制点如图5所示。

图5 端到端安全组网控制

风险点1：终端接入安全。针对终端接入安全控制，5G网络提供5G SIM卡加二次鉴权、切片准入和基于位置区接入的安全管理功能。

风险点2：无线空口传输安全。针对无线空口安全，5G网络提供加密和完整性保护功能。

风险点3：N3接口安全。针对BBU和UPF之间的N3数据接口，5G网络提供可选的IPsec数据加密功能。

风险点4：N6接口安全。针对UPF和客户内网之间的N6接口，通过部署防火墙隔离以及提供对N6口进行IPsec数据加密。

3 结束语

本研究提出的基于5G+开放控制系统的安全可靠柔性产线端到端解决方案目前已完成试点部署验证。方案包括开放灵活的自动化产线、5G+MEC专网环境、设备运行状态检测系统。基于5G的积木式柔性生产线，是在原有生产线硬件及软件基础上进行的创新，重点是将硬件重新进行了标准化和模块化设计，同时定义5G作为柔性产线的标准化通信连接手段，提供满足柔性产线的5G低时延、高可靠的网络解决方案，使方案供应商能够对相应行业进行批量化复制。