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5G环境下的工业互联网应用探讨

智能化改造 / 作者:龙智造工业云 / 来源:本站原创 / 浏览:496

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2019-01


 
一、 引言
       工业互联网是工业生产与互联网技术相互结合的新型工业架构,是第4次工业革命的重要部分,是实现工业制造的网络化和智能化的关键。5G移动通信系统作为当今前沿技术,具有覆盖广、功耗小、时延低等优点,可提供无缝业务体验,构建性能优异的5G网络将会有力促进互联网应用的高速发展,加强此方面研究具有重要的现实意义。

二、“工业互联网”发展背景

       近年来,随着大数据、云计算、物联网、5G技术等的发展,互联网正在迈入全新的时代,基于国家政策、市场经济的双重推动下,“工业互联网”正在掀起新的热潮。

       什么是工业互联网?简单来说,工业互联网是新一代通信技术与工业领域深度融合的产物,也是现代工业智能化发展的必然要求。2017年11月,国务院印发《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,明确提出要持续提升我国工业互联网发展水平。2018~2020年是我国工业互联网建设起步阶段,也是关键阶段,必须进一步夯实网络基础,打造多层次、系统化的平台发展体系,加大关键共性技术攻关力度,切实实现工业互联网平台建设及推广。

三、 5G环境下的工业互联网关键技术

       工业互联网主要包括网络体系、平台体系和安全保障体系三个部分,其中网络体系是重要基础,构建低时延、高可靠、广覆盖的网络结构,方可真正实现工业全要素、各环节的深度互联。

(一)5G技术需求

       为实现工业互联网的稳步发展,需积极开展相关基础设施升级改造工作,积极利用先进的通信技术,包括:软件定义网络、5G、低功耗广域网等,实现工厂内网络 IP化、扁平化、柔性化发展,工厂外网络低时延、高可靠、广覆盖发展。
5G需解决的不仅是人与人的连接,更是人与物、物与物的连接问题,综合工业互联网未来发展需求,对5G系统提出了以下技术需求:

       1.传输速率需求,要求提高10~100倍,同时用户体验速率、用户峰值速率分别达0.1~1Gb/s、10Gb/s;

       2.时延需求,要求时延降低5~10倍,达毫秒量级;

       3.设备连接密度需求,要求提高10~100倍,达600万个/km2;

       4.流量密度需求,要求提高100~1000倍,达20Tbps/km2;

       5.移动性需求,要求超过500km/h,提高用户体验。

(二)5G关键技术

       在5G技术发展方面,4T4R、Massive MIMO、NBIoT等几项技术都表现出较快应用趋势。作为5G的起步配置,4T4R技术已经在全球50多张网络规模部署,Massive MIMO TDD制式也开始运用,多个国家发布了NB-IoT商用战略。

       NB-IoT(Narrow band Internet of Thing),即:窄带蜂窝物联网,此技术支持海量连接,可全面提高覆盖广度,具有低功耗、低成本、小功耗的特点,与广泛商用的2G/3G/4G 及其他无线技术相比,优势显著。

       2014年5月,华为、沃达丰、中国移动、Orange、TelecomItaly等公司主导的3GPP NB-IoT GERAN Study Item 立项,2016年9月完成性能部分的标准制定,12月完成最后的一致性测试标准,其继承了LTE 的技术特征,物理层基本兼容 LTE 的技术标准,有利于实现网络快速部署,减小改造建设成本。

四、 5G环境下的工业互联网应用情况分析

(一)项目背景

       本文以墙板工业生产制造为例,对5G环境下的工业互联网应用情况展开分析。墙板工业生产过程中,模具车主要采用分布控制、集中控制两种方法,前者主要是利用模具车PLC 控制系统完成,具有模具车移动、定位、测距防碰撞等工程;后者主要是利用主控 PLC 控制系统完成,具有位置定位功能,可在装模排队、注浆排队中指定模具车启动行走,在养护排队中指定轨道和养护时间。

       近年来,墙板工业生产规模进一步扩大,上述控制方式已经无法满足实际生产需求,存在组网容量小、可靠性差等问题,为提高厂房通信质量,决定引进无线通信组网,采用一对多的控制—生产模式(图1),并利用5G网络中的 NB-IoT技术解决控制—生产中的通信问题。

(二) 5G环境下的工业互联网应用情况

       在厂房生产中,采用NB-IoT技术的车辆检测器,可直接将信息上报至运营商无线网络,无需汇聚网关,同时可提供运营商级别的网络保障,整个工业互联网可靠性、安全性均较好。

1.NB-IoT 网络部署

       本次NB-IoT网络部署情况如下图2所示,具体可分为三个层面:终端侧、运营商网络、用户界面,具体介绍如下:

       终端侧:此层面主要是在模具车中加装中控模块,通信模组采用Boudica芯片,具体功能包括:①监测模具车工作状态,包括:行驶状态、停止状态、故障状态;②控制模具车进行预先编程的生产动作;③与控制中心实现无线通信,上报模具车工作状态或接收控制指令。

       运营商网络:本厂房采用的是电信运营商网络,此层面包括三个部分:①NB-IoT 基站;②核心网元,具有网关交互、计费等功能;③B-IoT 管理平台,此部分主要负责对接用户的物联网业务,实现数据存储、转发。

       用户界面工厂:本厂房采用的是自行开发的远程控制平台软件,具体功能包括:①状态检测:远程检测厂房内模具车工作状态,一旦发现异常及时报警;②轨迹监控:实时获取厂房内模具车运行轨迹,并在人机界面上实时显示;③远程控制:通过软件算法获取模具车最佳运行路线,并利用无线网络下发控制指令,令模具车实施相应动作。

2.应用效果

       本厂房通过NB-IoT技术和一对多的控制—生产模式的应用,有效实现了工厂控制中心、生产中心的互相分离,如下图所示即为基于5G技术的厂房控制网络,通过一个控制中心,即可管理多个厂房的模具车,大大减少了工作人员的劳动量,极少数的工作人员即可操作海量生产设备,生产效率与精度均较高,大大提升了工业生产的自动化、智能化程度。

五、 结语

       综上所述,深入实施工业互联网建设是实现我国产业发展发的一大关键,将先进的5G网络应用于工厂之间、企业之间、工业制造与消费者之间的互联,将会有力地推动工业互聯网理念从狭义走向广义,使传统、单一的制造系统融入到现代电子商务的大潮中。
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