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浅谈5G+工业互联网MES产业应用
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  • 导语


    随着中国制造业的不断发展,智能化制造产业已不可阻挡,而工业互联网作为关键基础设施、全新工业生态和新型应用模式,正在不断改变传统的制造模式、生产组织方式和产业形态,推动传统产业加快转型升级,加速新兴产业发展壮大。

    5G作为“新基建” 的领头羊,在工业互联网方面的投资与建设也将加快我国智能制造步伐,激发新型消费和投资、促进就业创业、解放生产力、打造经济发展新动能。

    同时,5G在工业领域作为刚刚兴起还未完全成熟的一项技术,在应用过程中还需要一定的发展和升级,这里就简单对当前在MES系统建设中可能遇到的一些问题进行探讨。


    典型工业网络

    工业互联网,就是把人、数据和机器连接起来。也就是说,工业互联网的三要素,是人、数据、机器。人和人的连接,就是传统的互联网;物和物(机器)之间的连接,就是近来发展迅速的物联网;而网络存在的核心,自然就是数据中蕴藏的巨大价值。可以看出,工业互联网其实并太多没有新的技术,更多的是架构的整合,从而把互联网中成熟的网络架构和技术移植到工业生产的应用中,用于效率的提升。

          设备集成网络架构:

    图.典型工业互联网架构

            典型的工业互联网,就是通过建立多个局域网,然后通过交换机、路由器将各个子网汇聚到企业核心交换机,从而打通设备与设备之间,设备与系统服务之间的网络,做到数据集成共享。

           这种架构下的网络相对稳定、安全,缺点就是布线施工以及运维管理成本较高。

      MES集成网络的要求:

      对于MES而言,由于是直接服务于车间的系统,与设备之间存在大量的、直接的数据采集交互,所以稳定高效的网络是必须的。这其中就涉及到以下几个环节:

    1.  设备自身网络接口:工厂网络的建设都是基于以太网的,所以设备想要接入这个大的网络,必须具备以太网接口,现在大多数设备也都已经具备该接口或可通过配置以太网模块来实现网络接入。
    2.  局域网的搭建:工厂网络的建设,是由多层局域子网汇聚而成的,这其中包含了设备局域网,线体局域网,车间局域网,再到机房局域网,办公局域网,数据逐级上传,所以在搭建局域网时,需要考虑各个子网之间的交互,避免出现由于前期设计不合理导致数据限流或无法通讯的情况。
    3.  网络安全:网络安全是系统稳定运行的保障,如果没有严密的安全保障体系,上层的应用就无从谈起,网络和数据的价值就难以得到良好的应用,甚至会损害企业的核心利益。


    5G+工业互联网

     5G+工业互联网近年来热度不断上升,国家政策不断利好,产业市场增速快,潜力巨大,对我国工业现代化将起到巨大的推动作用。

     5G工业互联网基本架构:


    图.5G+工业网络基本架构

      在当前的大浪潮下,企业纷纷准备投入到5G工业网络的建设中去,网络供应商也纷纷亮出自家的建设方案,这其中的基础架构均包含了以下几点:

    1.  5G基站:企业在规划工厂5G网络前,需要考虑所要实施的厂区是否在对应网络供应商的5G信号覆盖范围内,还要考虑所选择的模式是否被当前的网络基础设施所支持;
    2.  设备接口:在选择接入5G网络的业务场景时,需要考虑业务所涉及的各类设备是否支持5G传输协议,否则还需额外配置5G接口转换设备;
    3.  场景选择:对于制造业来说,当前在工厂车间能够使用5G的场景还比较受限,更多的偏向于管理层系统或硬件,对于直接控制生产的工业设备,由于其本身的特殊性,在5G应用方面还未较为普及。

         

     5G在工业领域的应用场景:

    图.5G+工业互联应用平台架构思路

    当前5G在工业领域的应用,更多的集中在如整车制造、机加工、能源电力等自动化、信息化程度较高的产业,这里以汽车制造业为例进行简单分析。

    冲焊车间:在冲焊车间的生产过程中,主要以机器人、机运线、冲压机床等设备为主,且当前这些设备的网络接口大都是传统的串口或以太网形式,并不具备5G无线传输的能力,同时这些设备都直接关乎生产,在新技术尚未成熟之前,直接接入5G网络仍存在一定的风险;

    涂装车间:与焊装车间类似,大量的工业自动化设备,当前来看并不太适合5G网络的建设,但涂装车间也存在较多能源仪表,这些设备可能经过更换为智能仪表,再接入5G网络,达到实时监控能源消耗,分析能源数据的效果;

    图.能源监控

    总装车间:总装车间除了机运线,多数是人工组装工位以及检测设备,设备更加偏向轻量化以及系统化,所以通过改造升级更容易实现5G网络的接入,实现数据采集、远程运维等;

    其他方面:如AGV小车、ANDON呼叫、工控机站点、各类移动端系统等,均在各个车间尤其是装配车间,更适合接入5G网络,实现车间内部的智能化配送、质量检测、生产管理、设备保养等工作。

    图.AGV配送

       5G在工业领域应用的优势:


        正如人们所熟知的,5G的几个优势特点:高速度、低功率、低延迟,这些在工业网络的建设中是十分需要的,对于工业数据的采集效率会有很大的提升,在工业大数据的应用中,也更加具有优势。

       同时与传统的网络布线相比,更加方便灵活,节约布线成本。当前加上国家政策扶持,也正是企业进行网络升级的大好时机。


      5G在工业领域应用的挑战:

      工厂5G网络的建设,由于是起步阶段,所以也面临着诸多挑战,在真正的落地实施时,局限性较大。

    1.   设备接口:当前大多数设备都是只能具备传统的网络协议,并不兼容5G模块,所以目前主要方案就是进行接口的外接改造,从而满足组网要求,但这样的改造,存在一定的成本,在改造规模较大时,并不比传统布线的成本低;

    2.   条件限制:由于5G属于高频信号,它的波长相对较短,因此企业建设5G网络必须在附近建立5G基站或者靠近5G基站,否则将会影响5G信号的强度,而无法达到预期的效果;

    3.   安全性:5G面向企业内网的建设大概有3中模式:专网模式、企业自建核心网,基站与公网共享模式和核心网用户面功能下沉模式。其中专网最为安全可靠,但是目前中国没有专用频段;企业自建模式,相对安全,但成本较高;下沉模式,是目前使用最多的建网模式,也就是核心网和基站都是与运营商共享的。

     在这种模式下,工业互联网技术与5G、边缘计算等新技术的融合以及第三方协作服务的深度介入增加了信息泄露、数据窃取的风险。同时,工业互联网设备种类多、数量多,安全能力参差不齐,由于工业互联网设备软件更新缓慢、用户及厂商通常无法及时发现或修复漏洞,导致设备漏洞较多,这也使得工厂控制安全受到威胁,网络攻击可从IT层渗透到OT层,会造成工业系统中断等风险。


    结语

     当前5G+ 工业互联网已经从单点局部的特色业务逐步转变为集成化、系统化的应用。虽然面临着诸多挑战,但相信通过不断的发展与完善,运营商、工业方案提供商、工业现场的自动化装备提供商等一起合作,制定相应的规范标准,必然可以发挥5G 优势,使之真正服务于工业企业,从而促进中国制造业的转型升级。
           与此同时,凯杰作为专业的MES系统提供商,特别是在汽车制造产业中,十几年的实施经验让我们更加专业,对于车间自动化设备集成、数据采集分析等也已形成较为完整的体系。我们注重产业最 新的发展趋势,跟随时代步伐,不断升级自身产品,在数据采集、IOT平台方面也已拥有较为成熟的产品,并在先后为广汽、北汽、吉利、奇瑞捷豹路虎、五十铃、国金、东风、长安等大型车企提供智能制造解决方案,赢得客户的广泛认可。

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