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5G赋能企业工业4.0
  2024-05-21   

爱立信中国有限公司供稿


工业4.0与5G连接需求的关连性

随着制造业的发展,我们正从自动化和机械化为代表的工业3.0迈向网络智能化为代表的工业4.0阶段,工业4.0是制造业数字化的下一阶段,显著的特征是以连接和数据为驱动,引入新的数据能力,建立新型能力,融合应用工业物联网、大数据、云计算、人工智能和机器学习逐步实现生产过程的自动配置和决策的一种制造业的转型升级方式。工业4.0将重塑企业设计、制造和分销产品的方式,实现智能的产品制造、工厂操作和资产管理。

制造业占GDP的比例全球高达16%,对于我国这样的制造业强国为目标的国家来讲,制造业占比可能会更高。目前制造业面临的问题是,生产率的增长率在降低,特别在石油化工、食品、机械制造等领域更突出。根据德勤对制造商的一项调查,86%的企业人员认为智能工厂举措将在未来5年提供企业的竞争力、拥抱自动化和智能工厂的举措对制造业的生存至关重要。

在工业4.0的背景下,连接和对运营数据的无缝访问是非常重要,数据是关键要素,而获取数据,无论环境数据、机器设备的状态数据、物料管理数据,都需要实现传感器、机器设备、工具的云连接,在云端通过应用程序的使用实现计算、控制,流程优化和资产跟踪,以及机器人控制,AGV等的物料运输和智能仓储。实现“连接”的工厂,在制造车间今天是通过固定连接或Wi-Fi实现的。这两种连接技术存在一下的不足:

  • 有线连接要求将机器和传感器连接到特定位置。这意味着新的连接和大型工厂的扩建需要电缆敷设,可能需要花费数千美元的安装费用,同时难以满足柔性制造所需要的灵活的车间机器设备位置的调整。

  • Wi-Fi在工业领域并不是一项新技术,但是,包括可靠性、快速切换、低时延功能、以及覆盖范围等方面都存在不足,部署需要更多的接入点,网路部署更费时。

相比之下,蜂窝如5G的连接采用全球统一的标准,具备规模经济的产业链实现,可提供成本效益的设备和连接模组,并且覆盖范围大,部署简单,支持更广厂区的移动性和快速厂区切换,提供工厂更灵活的产线布局,5G对高可靠、低时延业务功能更为制造业打造工业控制、自动化网络提供强有力的支撑。

5G专网与为消费者使用而设计的传统公众蜂窝网络不同,它通常是由企业单独使用的网络,为特定企业或组织根据需求而设计和实施的5G蜂窝网络,是为工业4.0和企业数字化转型设计的工业企业专用网络,具有增强的安全性,满足企业数据不出厂,对网络的流量和性能根据不同的工业用例需求进行定制和更好的控制,可以满足工业企业时间敏感、实时控制等要求,网络支持高可靠和更确定性的业务要求,同时企业可根据特定工业场景设计自己的应用案例,服务化等级。

随着越来越多的工业过程数字化并需要可靠和安全的通信网络,专用蜂窝网络变得越来越重要。它们可以支持一系列应用程序,从设备的远程监控到实时数据分析和机器学习。

本文将介绍爱立信专网5G解决方案(EP5G),提供一网通办,塑造更加敏捷、安全、高可靠和智能化的网络连接,实现移动机器人、远程控制、资产监控、检测和跟踪,即可满足新工厂建设的需求也可以支持老旧工厂改造任务的要求。 


5G工厂的投资回报

根据爱立信100余家工业供应商/客户的合作,我们做了10份行业应用研究报告(IFM、HMS、Zebra、SICK/ABB、Sandvik、奥迪、+TBR、IDC、战略分析),基于我们拥有的工业终端设备测试、行业部署的实践,我们研究了工厂采用专网5G蜂窝技术将带来的投资回报。部署5G专网技术,将帮助企业提高生产力,推动工厂进入工业4.0。采用下面的五个用例将在三到五年内收回投资成本,如果合作使用这5项应用案例,预计两年内会见到投资回报。


5大应用用例—

  • 自动移动机器人

  • 协作机器人

  • AR检测和技术支持

  • 资产条件监控

  • 数字孪生

您可以使用我们开发的小程序来预测采用了这5项应用后,给智能制造带来的生产力和投资回报率。


爱立信5G专网

爱立信5G专网是一款无线网络产品(如图1所示),提供高速、安全的4G和5G连接,以加速企业的数字化转型。爱立信5G专网是易于订购、安装和管理的工业专用网络。它有一个基于云的网络管理门户和一个故障排除应用程序,旨在满足企业信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 用户的自我管理需求,同时确保现场敏感数据的安全。

爱立信5G专网通过提供室内和室外4G和5G,支持各种工业用例。爱立信5G专网的管理界面经过全新设计,使企业能够管理自己的网络,并在需要时与运营商管理系统集成。通过开放的 API,可以轻松与 IT 和 OT 系统集成。

无线部分可以支持爱立信全部的无线产品组合(4G/5G双模基站),基站类型包括室内点系统、微小区、宏小区基站等Sub-6GHz 和毫米波基站类型,适配不同的应用场景环境,实现室内和室外覆盖,支持不同的容量需求。

爱立信5G专网跟随工业企业的数字化进程,拥有一系列部署规模,包括小型、中型、大型、超大型,以匹配其独特的情况。企业将从无缝演进和可升级性中受益,从一些连接的设备开始,并随着业务的增长而扩展。

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图1 爱立信5G专网产品组合


5G处理实时要求比较高的业务用例

5G专网特有的特点是从设计之初就针对企业满足实时性处理需求的特点进行了无线空口到网络的时间敏感特性的支持,下面对工厂处理实时性要求较高的业务进行一下梳理: 

  • AGV(自动导引车)控制:无人内部物流和材料运送车,搭载5G模块,可以通过5G网络连接云端,通过5G网络的低时延高可靠性,保证了云端对AGV的实时控制,帮助导引车自动导航,感知周围人员和其他AGV车辆,预测工人行为和运动,从而保证人员和车辆的免碰撞的安全作业和货物的运输效率。5G网络确保了厂区全覆盖,保证AGV的移动性要求。而且5G网络可以将大量AGV互连,以收集物流处理时间、停留地点、移动轨迹等数据。可以实时收集和分析数据,以改进制造流程,实现高效的车队管理。

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图2:AGV应用


  • 精确的扭矩控制:机械的扭矩控制,加载了5G模块的工具,可以通过5G本地专网,将工具所生成的数据存储在云端平台上的制造执行和资产管理系统中,被连接的工具使制造商能够在复杂的生产过程中保持质量控制,并确保生产关键操作的正常运行时间,提高生产效率和缩短生产周期,生产控制需要依赖5G的高可靠和低时延的特性,做到精确控制。

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图3:精确工具控制



  • 通过无人机监控风电场、流程行业:使用5G无人机进行监视是一种(成本)高效的方式,可以通过配备各种传感器的高分辨率相机获取特定区域的实时空中画面和信息,视频实时流式传输到安全控制中心,并通过人工智能增强视频以进行异常检测,对多架无人机进行自主指挥和控制,实现智能覆盖, 监控可以确保设施检查和工人安全,同时监控物料可以降低仓储库存成本。

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图4:无人机监控


  • AR远程支持: AR技术帮助工人在对资产/机器进行维护时使用视觉手册和AR设备上的叠加指示。为了使用AR,工人将设备对准机器、电线或管道,或通过AR眼镜查看,系统将显示相关信息、检查表或组件状态。AR可以帮助技术人员在他们不熟悉的设备上工作。它可以指导那些经验不足的人完成故障排除、维修和保养任务,并根据需要得到场外专家的支持,做到开箱即用。

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图5:AR远程支持


  • 工人和环境的安全: 5G连接通信系统,让员工保持联系和知情。沟通在高效的工作场所和确保运营沟通方面发挥着至关重要的作用。此外,员工可以使用各种数字工具和数据管理技术来增强和集成他们与物理和虚拟环境的交互。工人们配备了传感器,可以监测姿势的波动、健康指标以及跌倒检测、振动、排放检测等,从而能够及时识别关键错误和相关事故。5G网络支持其数字维护生态系统,使员工能够通过手持设备连接到一套新的维护、操作和安全应用程序,从而启动了联网员工连接,安全的工作人员,一键通。


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图6:工人安全


  • 远程操作和实时控制: 远程控制机器允许操作员远离工作机器造成的危险,允许他们在安全距离内监督机器的工作。远程控制可以提高了精度和效率,从而提高了生产效率。远程控制可以在更少的人的情况下操作,如果远程控制,两个人可以管理多个机器,因为操作几乎总是自主的,操作员只需要不时接管一些工作。

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图7:远程操作和实时控制



  • 实时监控: 5G连接摄像头对安全、质量、资产管理和安全至关重要,并将成为自动化运营的关键组成部分,通过传感器或摄像头,检测到威胁、入侵、故意破坏或其他安全漏洞时,系统生成警报,通过人工智能进行智能视频分析,可以识别车牌和人脸,防止未经授权的访问,并自动控制大门。5G实现了传感器和摄像机的灵活部署,检测和定位堆场内的货物,监控堆场内货物的定位操作,并向操作员提供实时反馈。

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图8:实时监控


工业自动化生产流程的组成

5G专网的应用覆盖整个工业自动化生产流程,离散型自动化流程的组成部分如下示意图9,包括:自动化产品供应商、机器制造商、自动化工程师、集成和开发、PLC(可编程逻辑控制器)是大脑 、工业现场总线通信、工厂以太网自动化领域的局域网。


图9 工业自动化生产流程示意图


5G与工厂OT/IT系统的集成

网络集成总体方案如图10所示,爱立信5G专网完成工厂应用终端到后端OT/IT的连接。终端设备的数据依次通过无线基站、核心网、交换机到达企业网络和OT/IT应用,完成数据上传和指令下发。

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图10  5G与工厂OT/IT系统的集成


以工业控制领域为例,5G可以与现有的工厂传感器网络集成。如图11示意图所示,使用5G网关将使用传统设备和工业协议的各种工业传感器和工业设备连接到工厂的MES等生产执行系统,监控生产过程的操作,监控环境、生产参数的变化,这些收集到的数据、图像和视频作为数字模型和人工智能分析的数据输入到云端应用程序进行处理。从网络角度讲,通过5G网关L2隧道实现工业以太网的无线OT连接,也可以通过5G网关以IP协议实现与工厂有线IT系统的连接。整个生产过程中充分利用工业自动化控制和远程控制实现灵活、敏捷的柔性制造。

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图11 5G与工厂有线传感器网络的集成


工业4.0的生态系统

5G如何赋能企业实现工业4.0的远景是一个新的领域和应用,因此生态系统在能力和最终用户需求方面存在许多问题,爱立信与我们全球的生态系统合作伙伴紧密合作,不仅一起探索如何回答这些存在的问题,同时也是要建立5G能够满足这些新应用需求的产业信心。自2017年以来,我们已经与来自各个行业的主要合作伙伴和生态系统参与者进行合作,我们建立了爱立信合作伙伴计划,将志同道合的伙伴聚集到一起,打造无缝和安全的基于5G的工业互联网解决方案,实现工业4.0的最大商机。伙伴关系和新的生态系统是释放5G和工业4.0全部价值的关键,没有一家公司能够单独解锁工业4.0全部的价值。  

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图12 爱立信工业4.0生态系统


我们的生态系统合作伙伴包括移动运营商提供商、系统集成商、软件和应用程序开发商、芯片模组和设备供应商、网关供应商、OME、云提供商和各种标准组织合作,正在弥合设备和应用程序之间的差距。

终端设备可以收集数据以获得数字化工作流所需的关键部分。5G网关:5G蜂窝网关提供工业协议和传统设备与5G蜂窝网络的适配连接。模组: 提供蜂窝模块将任何设备连接到蜂窝系统。独立软件开发:为行业带来行业的平台和应用,也包括实现数字孪生应用。OEM: 原始设备制造商向市场提供工业用设备产品,例如:机器人、AGV、卡车、自卸车、扫描仪和其他重型机械,它们将通过蜂窝连接受益。系统集成商:是根据行业用例和客户需求负责集成、部署和优化网络以及设备和应用程序的先决条件。 

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