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“5G+工業互聯網”四大應用場景

振動傳感器 2020-06-22 289 0

隨著新型基礎設施建設加速推進,作為其主要領域的5G和工業互聯網備受關注、持續升溫。

5G是新一代移動通信技術,不僅可以帶來良好的移動互聯網體驗,還將成為智能制造、智能醫療、智能政務、智慧城市以及自動駕駛等領域的關鍵支撐技術;工業互聯網平臺則是代表了新一代信息技術與制造業深度融合創新大方向的頂級生態系統,既包括生產設備、材料和產品等硬件領域,也包括各種管理軟件、數據和服務領域。

5G開啟萬物互聯的數字化新時代,工業互聯網是5G最主要的應用場景,“5G+工業互聯網”將是產業融合的重要方向,可進一步促進各生產要素間的高效協同,助力企業實現數字化轉型升級。

 ●場景一:感知式管理生產過程●

  傳統工業時代,生產設備、原材料和能源是工業生產的三個基本要素。傳統制造業的發展歷史,其實就是企業利用生產設備、原材料和能源進行物質生產的歷史,每一次生產設備、原材料和能源領域的技術革命都催生了生產方式的變革和生產力的飛躍。

但是,近年來,隨著物聯網、移動互聯網、云計算、大數據等新一代信息技術的快速發展,越來越多的生產設備及零部件以無線方式實現了與互聯網或其他終端設備之間的互聯,由此衍生出工業互聯網。

隨著信息技術與制造業日益深度融合,工業生產朝向數字化轉型升級的趨勢愈發明顯,數字化的知識和信息數據已成為企業的關鍵生產要素(如圖1所示)。

5G可支持每平方公里內百萬級別“物”的連接,并提供工業級的可靠性和實時性,這些能力使得5G能夠成為支撐工業互聯網戰略順利實施的關鍵基礎設施。正是這種“大規模連接”能力的升級,才使得生產資源、信息數據、物品物料、生產設備和員工能夠全面實現互通互聯。

未來,通過全面的互通互聯,云計算、大數據和區塊鏈等新技術將與自動化技術結合,使得生產工序實現縱向集成,設備與設備之間、員工與設備之間的協同合作將整個工廠內部全部連接起來,可以相互之間發出請求并及時響應,還可以調整利用資源的多少及產品的生產率,開展個性化的柔性生產。

工業互聯網時代,企業必須確保基本生產工序與物品物料和設備之間的互聯互通,以感知實時決策所需的各項數據。

一方面,傳感器遍布企業的各個生產設備之中,系統可不斷從各個流程感知數據,確保數據實時更新;另一方面,通過整合來自企業運營系統(ERP等)、業務系統(MES等)以及供應商和客戶的數據,可全面、動態、實時地掌控供應鏈上下游各個環節的所有流程,從而提高企業供應鏈網絡的整體效率。

工業互聯網中,在設備/產線原有的自動化控制功能基礎上,通過附加“感知”這一新功能,即可實現生產安全和產品生命周期管理等智能化指標要求。

這些附加于生產設備的“感知”功能指通過為設備/產線配置眾多物聯網傳感器或5G無線網絡通信模塊,將所感知的信息數據通過無線網絡傳輸到工業互聯網平臺背后的數據中心或智能計算中心,再通過大數據分析,實現智能決策,使得設備/產線具有可視化、可控化、自動化和自我優化等功能,從而實現設備/產線的智能化,形成感知式的管理生產過程(如圖2所示)。

通過感知數據,再經過對大數據的挖掘分析,未來的生產過程可實現高可靠性、高穩定性運轉,每個生產環節清晰可見,最大限度地降低人工干預,使整個企業有序高效地自動運營。

形成感知式管理生產過程之后,企業可以實時掌握生產資源狀況;同時隨著產品全生命周期管理系統與生產調度系統的優化,原材料使用和能源消耗也會更加節約,從而進一步促進企業降本增效。

通過感知,企業可以識別生產過程的各種異常情況,監控生產安全,及時進行設備維修、儲備并補充庫存、發現并提前解決質量問題;通過感知,企業能夠基于歷史數據與實時采集數據的對比分析,預測產量和銷量,從而提高生產效率、產品產量與質量,及時調整生產調度和供銷存體系,同時預防生產安全等問題。

基于上述特征,企業可全面、實時掌控生產管理系統及各類資源,有效應對內外部各種不確定因素帶來的挑戰,更加靈活地響應多樣化和個性化的市場需求,更加柔性地應對不斷變化的上游供應商和下游客戶的需求。

●場景二:預警式管理設備狀態●

以自動化為標志的工業3.0時代,企業在降低勞動力成本的同時,加大了設備資產的占比,這使得設備的遠程診斷與運維服務面臨巨大的挑戰。因為設備無論如何自動化,也回避不了磨損與老化等問題;同時,制造業是以一個個零部件組裝為主要工序的工業領域,由于機械加工設備的結構及其技術復雜程度較高,設備維修難度較大,致使設備故障頻繁、損壞程度嚴重,這些都制約了企業設備管理水平的提升。

通過“5G+工業互聯網”,企業能夠進一步增強對設備狀況的把握,并通過實時監控追蹤、報警等手段,確保生產調度等決策更加合理、精準,管理系統可預見即將出現的問題與挑戰,并提前主動應對,而非等待問題發生后再被動響應。

據報道,德國博世公司已經與諾基亞合作開展工廠無線化試驗。數據顯示,相對于Wi-Fi以及4G,5G更具低時延和高穩定性。博世公司稱,相對于工廠生產線大規模停止,部分關鍵工序短時間停止的損失更大,而那些精度要求較高的工序,關鍵就在于快速響應(低時延)。也就是說,關鍵生產任務需要保證網絡的穩定性、可靠性、靈敏度以及大流量數據分析和處理所需的高網速。     

傳統的工廠很難敷設光纖,而無線通信技術Wi-Fi難以擴展,速率以及抗干擾性能都不強。制造車間因Wi-Fi的延遲可能導致高昂的代價,如限制了生產力的提升,并降低了利潤。

在一些發達國家的企業中,移動互聯網連接已經比Wi-Fi使用更廣。為了利用更高的數據速度及可靠性,許多企業正在考慮建設5G局域網絡。相比于4G,5G除了網速提高10倍(或更多)、延遲降低50倍之外,還可以支持更多的設備。

隨著5G時代的到來,工業互聯網領域將會有更多的5G局域網。與其他本地無線網絡相比,5G局域網主要優點是:更高的容量支持更多設備,高帶寬應用、更廣的范圍、無縫移動性、工業級可靠性、一致的延遲、更高的服務質量及安全性,還有與產業鏈上游多個供應商之間的互操作性。

Wi-Fi是一定范圍內的無線網絡通信,電波有效覆蓋范圍一般只有幾十米,可以收發大容量數據且不發生費用,所以在企業、公園、車站、商場、酒店等各種場所廣為使用。但是,與移動通信相比,Wi-Fi存在安全性問題,只要掌握Wi-Fi上網用戶名和密碼,任何人都可以接入網絡。同時,Wi-Fi不夠穩定,長時間使用經常會發生掉線情況,這決定了企業關鍵工序不能全面使用Wi-Fi。4G時代,最高下載速率為100Mbit/s、上傳為50Mbit/s,傳輸還會延時,音頻、視頻和高清圖像等大容量數據難以實時發送。而5G局域網不僅擁有“不發生通信費用”的Wi-Fi優勢,還可以采用SIM認證,不經由公眾網,就可以實現安全、專用和高速、高可靠性及低時延。

例如,德國博世公司采用5G局域網后,將電動螺絲刀接入專用網絡,就會自動記錄擰螺絲的轉數、順序等數據信息。博世公司借助5G對工業工程管理等解決方案進行測試或驗證,不僅使得所制造的全部產品保持質量均衡,還能夠在擰螺絲順序發生錯誤時實時提醒改正。而且,電動螺絲刀同時將工業工程數據全部反饋到服務器上,除了有利于工業工程管理之外,還可以為其他產品提供可用信息。

博世公司此前是基于Wi-Fi實現這一管理過程的,后來發現5G局域網在抗頻段干擾、帶寬(尤其是上傳)、超負荷以及網絡安全方面,相對于Wi-Fi性能指標更好。工廠內不同的生產線可能采用不同的網絡,因此有時根據需要可能要變換生產線,而Wi-Fi的網絡通用性較差。未來的工業生產要使用大量數據,從大批量生產和銷售的產品開發向適應客戶個性化、定制化需求的產品開發轉變,Wi-Fi較低的通用性將是一大制約。

從提高效率、降低成本的角度考慮,工廠內的網絡也需要實現無線化。為了提高產品質量和生產率,許多工廠不斷地推進自動化,對機器人的控制也需要無線化實時進行。但是,隨著工廠規模的擴大和工業工程的復雜化,4G有時難以應對,而5G有望解決這些問題。

例如,奧迪公司采用5G局域網控制工業機器人以及AGV搬運機器人,在一些需要管理大量設備的關鍵工序中,也可以實現高穩定性、超低時延以及與有線網絡同等的性能。同時,工業工程產生的各種數據也可通過5G局域網實時匯集到邊緣終端或云計算中,通過人工智能進行處理,實現智能化。

奧迪公司通過 5G局域網控制 AGV搬運機器 人,為汽車制造生產線實時配送所需零部 件,實現廠內物流智能化

在德國,5G已經成為工業4.0的重要基礎設施。除了奧迪、戴姆勒、大眾等汽車制造企業,石油、化工、海港等企業以及公用事業領域也正在考慮5G網絡的構建——5G技術帶來的更低延遲、更高帶寬、更快的速度和更大的容量正在推動制造業在各種領域的數字化轉型。

●場景三:周期式管理產品質量●

5G還可用于改善企業的質量管理。人工智能的視覺識別系統會以百萬量級的圖像數據集進行訓練,以確保其能夠識別所有潛在的缺陷,使得企業能夠迅速識別那些可能影響產品質量的問題。

例如,捷普公司應用人工智能視覺識別技術,可在電路板制造的早期階段發現潛在的錯誤,能夠在35~40道工序的第2道或第3道就識別缺陷,檢測故障的準確率達80%,節省了約17%的人工成本和約10%的能源。但是,這種方法需要依托5G才能訪問大量實時、高質量的數據,以實現最高效率。利用QR碼掃描和射頻識別(RFID)追蹤溯源方法,產品記錄通常僅在到達時進行,并且僅記錄位置和時間;如果產品不合格,則很難確定具體發生在數十道工序的哪個環節。通過在產品包裝上安裝5G傳感器,供應鏈上下游各環節都可以無須手動檢查,即可查詢位置、溫度、濕度和重量等包裝信息,實時獲得有關產品狀態的反饋信息。

5G帶來的不僅是萬物互聯,還有所有信息數據的追蹤溯源,使得未來企業的質量管理工作不僅僅局限在工廠內開展。工業互聯網時代,工廠中每個物品物料都是一個有唯一標識的終端,使得生產環節所使用的原材料或零部件都具有信息屬性,會根據信息自動進入下一道工序或環節。員工的工作不是搬運物品物料,也不是操作機器設備,而是與帶有唯一標識的原材料、生產設備、產品進行信息數據的交互。同時,借助工業互聯網,產品和原材料及零部件的全部數據都可通過5G網絡直接傳輸到各類相關的知識和經驗數據庫中。一旦產品發生故障,即可通過查詢數據庫,利用海量的經驗和專業知識進行快速診斷,提高故障問題定位精準度,快速開展售后維修服務,從而實現產品的全生命周期管理。

產品全生命周期管理既是一個信息化管理系統,又是一種現代化管理理念。基于產品全生命周期管理,企業能夠實現并行設計、柔性制造、敏捷制造、協同制造等先進的生產管理方式(如圖3所示)。

隨著5G覆蓋到企業各個流程,產品將實現研發設計—制造—銷售—售后服務—報廢回收—再生利用的全生命周期質量管理。

第一,感知生產過程,采集海量數據。通過傳感器、高清攝像頭或3D工業相機進行數據采集,通過工業互聯網進行數據分析,可為預測設備故障做出決策支持;可確認庫存中可用的原材料或零部件;可代替儀器儀表的部分功能,更精確地進行工業測量以及在惡劣環境下有效收集數據等。

第二,網絡化——高速傳輸、云端計算、互聯互通。感知到大量數據后,如何將數據傳輸到數據中心或智能計算中心呢?這就需要依托5G。與以往在某一車間內直接對數據進行簡單響應不同,企業需要把不同車間、不同分廠、不同時間段的數據匯聚到同一個工業互聯網平臺背后的數據中心或智能計算中心,進行復雜的數據計算和分析,從而優化出高價值的算法模型。

第三,打通供應鏈各環節的數據流,實現產品生命周期全過程智能化。如實時收集供應鏈各個環節產生的大量物流數據,能夠幫助企業提高物流效率,降低運營成本。

●場景四:按需式管理資源配置●

工業互聯網最重要的價值是借助5G和區塊鏈等技術打通企業的各個流程,實現從采購、設計、生產到銷售各個環節的互聯互通與分布式管理,并在此基礎上實現資源的按需配置(如圖4所示)。

以往,企業通常通過研發、計劃、采購、生產、配送、服務六個環節組織運營。這六個環節是相對固定的,也是缺一不可的。但是在工業互聯網時代,這六個環節甚至可以相對獨立,演變為六個可以根據需要而進行動態配置的模塊。每個模塊都具有物聯網感知能力和相應的軟件管理系統,它們根據客戶的需求,可以高效地自行整合,既不多又不少、既高效又靈活地滿足生產工藝需求。

一方面,充分利用5G的感知能力和工業互聯網的網絡能力,在產品研發、生產、銷售、物流及服務的全生命周期管理過程中,根據對采集自各環節的大量數據進行分析,可以不斷迭代產品設計、靈活調整生產工藝、實時安排生產調度,而不再是完全遵照計劃與以往的經驗進行管理。

另一方面,傳統生產管理觀點認為,只有等到所有產品設計全部完成之后才能組織生產、完成生產之后才能進行測試、測試完成之后才能進行銷售。而未來,采購、設計、研發、生產、測試、銷售等各種生產經營活動可以通過工業互聯網平臺交叉進行、分布式管理,實現并行制造。

工業互聯網時代,企業將具備自主學習、自我優化、自主決策、自我組織等能力,可以高效地完成生產過程中柔性化、智能化以及高質量化的任務;能夠將管理、運營、決策及優化等任務融為一體,實現真正意義上的數字化轉型。

因此,企業數字化轉型可以看作物理角度的自動化和信息角度的智能化融合的“雙升級”,不僅僅是機器換人,也不僅僅是減少生產線人工干預、提高生產過程可控性,最重要的是借助5G實現從采購、設計、生產到銷售各個環節的互聯互通,并依托工業互聯網整合與優化配置企業各種資源,實現智能預測和智能決策,柔性生產出多樣化和個性化的產品,從而進一步增強企業的核心競爭力。

也就是說,隨著5G和工業互聯網的深度融合和廣泛應用,感知式管理生產過程、預警式管理設備狀態、周期式管理產品質量、按需式管理資源配置,才是企業數字化轉型所追求的目標。

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