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5G技術(shù)下的智能工廠(chǎng)自動(dòng)化新模式

    一、5G技術(shù)場(chǎng)景支撐智能制造

    作為新一代移動(dòng)通信技術(shù),5G技術(shù)切合了傳統制造企業(yè)智能制造轉型對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用需求,能滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境下設備互聯(lián)和遠程交互應用需求。在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化控制、物流追蹤、工業(yè)AR、云化機器人等工業(yè)應用領(lǐng)域,5G技術(shù)起著(zhù)支撐作用。

    1. 物聯(lián)網(wǎng):隨著(zhù)工廠(chǎng)智能化轉型的推進(jìn),物聯(lián)網(wǎng)作為連接人、機器和設備的關(guān)鍵支撐技術(shù)正受到企業(yè)的高度關(guān)注。這種需求在推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應用落地的同時(shí),也極大的刺激了5G技術(shù)的發(fā)展。

    2. 工業(yè)自動(dòng)化控制:這是制造工廠(chǎng)中最基礎的應用,核心是閉環(huán)控制系統。5G可提供極低時(shí)延長(cháng)、高可靠,海量連接的網(wǎng)絡(luò ),使得閉環(huán)控制應用通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接成為可能。

    3. 物流追蹤:從倉庫管理到物流配送均需要廣覆蓋、深覆蓋、低功耗、大連接、低成本的連接技術(shù)。此外,虛擬工廠(chǎng)的端到端整合跨越產(chǎn)品的整個(gè)生命周期,要連接分布廣泛的已售出的商品,也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò ),企業(yè)內部或企業(yè)之間的橫向集成也需要無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò ),5G網(wǎng)絡(luò )能很好的滿(mǎn)足這類(lèi)需求。

    4. 工業(yè)AR:在智能工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中,人發(fā)揮更重要的作用。由于未來(lái)工廠(chǎng)具有高度的靈活性和多功能性,這對工廠(chǎng)車(chē)間工作人員有更高的要求。為快速滿(mǎn)足新任務(wù)和生產(chǎn)活動(dòng)的需求,增強現實(shí)AR將發(fā)揮很關(guān)鍵作用,在智能制造過(guò)程中可用于如下場(chǎng)景:如:監控流程和生產(chǎn)流程。生產(chǎn)任務(wù)分步指引,例如手動(dòng)裝配過(guò)程指導;遠程專(zhuān)家業(yè)務(wù)支撐,例如遠程維護。在這些應用中,輔助AR設施需要最大程度具備靈活性和輕便性,以便維護工作高效開(kāi)展。5G

    5. 云化機器人:在智能制造生產(chǎn)場(chǎng)景中,需要機器人有自組織和協(xié)同的能力來(lái)滿(mǎn)足柔性生產(chǎn),這就帶來(lái)了機器人對云化的需求。5G網(wǎng)絡(luò )是云化機器人理想的通信網(wǎng)絡(luò ),是使能云化機器人的關(guān)鍵。

    總結:5G技術(shù)已經(jīng)成為支撐智能制造轉型的關(guān)鍵使能技術(shù),能將分布廣泛、零散的人、機器和設備全部連接起來(lái),構建統一的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。5G技術(shù)的發(fā)展可以幫助制造企業(yè)擺脫以往無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)較為混亂的應用狀態(tài),這對于推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施以及智能制造的深化轉型有著(zhù)積極的意義。

    二、智能制造的核心是智能工廠(chǎng)5G技術(shù)智能制造,智能工廠(chǎng)自動(dòng)化

    信息化革命愈演愈烈,機器設備、人和產(chǎn)品等制造元素不再是獨立的個(gè)體,它們通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)緊密聯(lián)系在一起,實(shí)現更協(xié)調和高效的制造系統。

    當前制造業(yè)的轉型可以看作是自動(dòng)化升級和信息技術(shù)的融合提升,這不僅僅是自動(dòng)化和機器換人,而且工廠(chǎng)能實(shí)現自主化決策,靈活生產(chǎn)出多樣化的產(chǎn)品,并能快速應對更多的市場(chǎng)變化。

    人工智能和制造系統的結合將是必然的,利用機器學(xué)習、模式識別、認知分析等算法模型,可以提升工廠(chǎng)控制管理系統的能力,實(shí)現所謂的智能制造,才能使企業(yè)在今天競爭激烈的環(huán)境獲得更好的優(yōu)勢。

    智能制造過(guò)程主要圍繞著(zhù)智能工廠(chǎng)展開(kāi),而人工智能在智能工廠(chǎng)中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)將所有的機器設備連接在一起,例如控制器、傳感器、執行器的聯(lián)網(wǎng),然后,AI就可以分析傳感器上傳的數據,這就是智能制造的核心。

    隨著(zhù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用發(fā)展,網(wǎng)絡(luò )和實(shí)體系統將緊密聯(lián)系在一起,也就是物聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)現場(chǎng)的處理器、傳感器連接起來(lái),使得機器人之間可以進(jìn)行通信,可以互相溝通,而機器和人的工作將不再會(huì )嚴格分工,未來(lái)制造系統把人和機器融合在一起。上海鼎湘自動(dòng)化科技有限公司,自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn),非標自動(dòng)化,機器人運用集成 ,自動(dòng)化裝配線(xiàn) , 智能自動(dòng)化裝配,零部件精密裝配,醫療器械自動(dòng)化組裝裝配,軍工器械精密自動(dòng)化裝配,,裝配生產(chǎn)設備,工廠(chǎng)自.jpg

    數字雙胞胎是重要的角色,智能制造的整個(gè)流程都有一個(gè)數字孿生模型,系統里包括了現實(shí)世界的任何東西,可以是應用或者操作指南手冊等。

    此外,智能制造系統里還有人機交互,即人和機器人之間的互動(dòng)。還有用人工智能驅動(dòng)、優(yōu)化產(chǎn)品和流程等。工廠(chǎng)需要做一些預測性維護或者是預測機器的能耗等等,越來(lái)越多的這些功能都可以在智能工廠(chǎng)里實(shí)現。

    三、5G時(shí)代智能工廠(chǎng)前景展望

    從2016年到2018年,我國的5G基礎研發(fā)測試分為三個(gè)階段。第一階段是5G關(guān)聯(lián)技術(shù)試驗,第二階段是5G技術(shù)方案驗證,第三階段是5G的系統驗證。

    我國于2016年1月啟動(dòng)了5G技術(shù)試驗,為保證實(shí)驗工作的順利開(kāi)展,IMT-2020(5G)推進(jìn)組在北京懷柔規劃建設了30個(gè)站的5G外場(chǎng)。在5G第二階段試驗完成之后,第三階段試驗將于2017年年底或2018年年初啟動(dòng);預計5G第一個(gè)標準版本將于2018年6月完成,完整版本或將于2019年9月完成,并有望在2020年實(shí)現大規模商用。

    面對第三階段試驗,為了做好配合,進(jìn)一步豐富場(chǎng)景,我國未來(lái)計劃在6個(gè)城市開(kāi)展更多的試驗,包括5G技術(shù)與智慧城市的核心規劃結合,助力智慧城市的建設;借助5G的試驗推動(dòng)雙創(chuàng ),以及在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造方面充分利用5G技術(shù)。

    智能工廠(chǎng)是5G技術(shù)的重要應用場(chǎng)景之一。利用5G網(wǎng)絡(luò )將生產(chǎn)設備無(wú)縫連接,并進(jìn)一步打通設計、采購、倉儲、物流等環(huán)節,使生產(chǎn)更加扁平化、定制化、智能化,從而構造一個(gè)面向未來(lái)的智能制造網(wǎng)絡(luò )。在此,編者整理了業(yè)界對5G時(shí)代智能工廠(chǎng)的前景展望,讓我們一同期待新時(shí)代的到來(lái)。

    1、助推柔性制造 實(shí)現個(gè)性化生產(chǎn)

    全球人口正在接近80億,中產(chǎn)階層消費群不斷擴大,有望形成巨大市場(chǎng),進(jìn)而對消費布局產(chǎn)生影響。帶有客戶(hù)需求和產(chǎn)品“信息”功能的系統成為硬件產(chǎn)品銷(xiāo)售新的核心,個(gè)性化定制成為潮流。為了滿(mǎn)足全球各地不同市場(chǎng)對產(chǎn)品的多樣化、個(gè)性化需求,生產(chǎn)企業(yè)內部需要更新現有的生產(chǎn)模式,基于柔性技術(shù)的生產(chǎn)模式成為趨勢。國際生產(chǎn)工廠(chǎng)研究協(xié)會(huì )的定義為:柔性制造系統是一個(gè)自動(dòng)化的生產(chǎn)制造系統,在最少人的干預下,能夠生產(chǎn)任何范圍的產(chǎn)品族,系統的柔性通常受到系統設計時(shí)所考慮的產(chǎn)品族的限制。柔性生產(chǎn)的到來(lái),催生了對新技術(shù)的需求。

    一方面,在企業(yè)工廠(chǎng)內,柔性生產(chǎn)對工業(yè)機器人的靈活移動(dòng)性和差異化業(yè)務(wù)處理能力有很高要求。5G利用其自身無(wú)可比擬的獨特優(yōu)勢,助力柔性化生產(chǎn)的大規模普及。5G網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入工廠(chǎng),在減少機器與機器之間線(xiàn)纜成本的同時(shí),利用高可靠性網(wǎng)絡(luò )的連續覆蓋,使機器人在移動(dòng)過(guò)程中活動(dòng)區域不受限,按需到達各個(gè)地點(diǎn),在各種場(chǎng)景中進(jìn)行不間斷工作以及工作內容的平滑切換。

    5G網(wǎng)絡(luò )也可使能各種具有差異化特征的業(yè)務(wù)需求。大型工廠(chǎng)中,不同生產(chǎn)場(chǎng)景對網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量要求不同。精度要求高的工序環(huán)節關(guān)鍵在于時(shí)延,關(guān)鍵性任務(wù)需要保證網(wǎng)絡(luò )可靠性、大流量數據即時(shí)分析和處理的高速率。5G網(wǎng)絡(luò )以其端到端的切片技術(shù),同一個(gè)核心網(wǎng)中具有不同的服務(wù)質(zhì)量,按需靈活調整。如設備狀態(tài)信息的上報被設為最高的業(yè)務(wù)等級等。

    另一方面,5G可構建連接工廠(chǎng)內外的人和機器為中心的全方位信息生態(tài)系統,最終使任何人和物在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現彼此信息共享。消費者在要求個(gè)性化商品和服務(wù)的同時(shí),企業(yè)和消費者的關(guān)系發(fā)生變化,消費者將參與到企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中,消費者可以跨地域通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò ),參與產(chǎn)品的設計,并實(shí)時(shí)查詢(xún)產(chǎn)品狀態(tài)信息。

    2、工廠(chǎng)維護模式全面升級

    大型企業(yè)的生產(chǎn)場(chǎng)景中,經(jīng)常涉及到跨工廠(chǎng)、跨地域設備維護,遠程問(wèn)題定位等場(chǎng)景。5G技術(shù)在這些方面的應用,可以提升運行、維護效率,降低成本。5G帶來(lái)的不僅是萬(wàn)物互聯(lián),還有萬(wàn)物信息交互,使得未來(lái)智能工廠(chǎng)的維護工作突破工廠(chǎng)邊界。工廠(chǎng)維護工作按照復雜程度,可根據實(shí)際情況由工業(yè)機器人或者人與工業(yè)機器人協(xié)作完成。在未來(lái),工廠(chǎng)中每個(gè)物體都是一個(gè)有唯一IP的終端,使生產(chǎn)環(huán)節的原材料都具有“信息”屬性。原材料會(huì )根據“信息”自動(dòng)生產(chǎn)和維護。人也變成了具有自己IP的終端,人和工業(yè)機器人進(jìn)入整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節中,和帶有唯一IP的原料、設備、產(chǎn)品進(jìn)行信息交互。工業(yè)機器人在管理工廠(chǎng)的同時(shí),人在千里之外也可以第一時(shí)間接收到實(shí)時(shí)信息跟進(jìn),并進(jìn)行交互操作。

    設想在未來(lái)有5G網(wǎng)絡(luò )覆蓋的一家智能工廠(chǎng)里,當某一物體故障發(fā)生時(shí),故障被以最高優(yōu)先級“零”時(shí)延上報到工業(yè)機器人。一般情況下,工業(yè)機器人可以根據自主學(xué)習的經(jīng)驗數據庫在不經(jīng)過(guò)人的干涉下完成修復工作。另一種情況,由工業(yè)機器人判斷該故障必須由人來(lái)進(jìn)行操作修復。

    此時(shí),人即使遠在地球的另一端,也可通過(guò)一臺簡(jiǎn)單的VR和遠程觸覺(jué)感知技術(shù)的設備,遠程控制工廠(chǎng)內的工業(yè)機器人到達故障現場(chǎng)進(jìn)行修復,工業(yè)機器人在萬(wàn)里之外實(shí)時(shí)同步模擬人的動(dòng)作,人在此時(shí)如同親臨現場(chǎng)進(jìn)行施工。

    5G技術(shù)使得人和工業(yè)機器人在處理更復雜場(chǎng)景時(shí)也能游刃有余。如在需要多人協(xié)作修復的情況下,即使相隔了幾大洲的不同專(zhuān)家也可以各自通過(guò)VR和遠程觸覺(jué)感知設備,第一時(shí)間“聚集”在故障現場(chǎng)。5G網(wǎng)絡(luò )的大流量能夠滿(mǎn)足VR中高清圖像的海量數據交互要求,極低時(shí)延使得觸覺(jué)感知網(wǎng)絡(luò )中,人在地球另一端也能把自己的動(dòng)作無(wú)誤差地傳遞給工廠(chǎng)機器人,多人控制工廠(chǎng)中不同機器人進(jìn)行下一步修復動(dòng)作。同時(shí),借助萬(wàn)物互聯(lián),人和工業(yè)機器人、產(chǎn)品和原料全都被直接連接到各類(lèi)相關(guān)的知識和經(jīng)驗數據庫,在故障診斷時(shí),人和工業(yè)機器人可參考海量的經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識,提高問(wèn)題定位精準度。

    3、工業(yè)機器人加入“管理層”

    在未來(lái)智能工廠(chǎng)生產(chǎn)的環(huán)節中涉及到物流、上料、倉儲等方案判斷和決策,5G技術(shù)能夠為智能工廠(chǎng)提供全云化網(wǎng)絡(luò )平臺。精密傳感技術(shù)作用于不計其數的傳感器,在極短時(shí)間內進(jìn)行信息狀態(tài)上報,大量工業(yè)級數據通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )收集起來(lái),龐大的數據庫開(kāi)始形成,工業(yè)機器人結合云計算的超級計算能力進(jìn)行自主學(xué)習和精確判斷,給出最佳解決方案。在一些特定場(chǎng)景下,借助5G下的D2D(Device-to-Device,意為:設備到設備)技術(shù),物體與物體之間直接通信,進(jìn)一步降低了業(yè)務(wù)端到端的時(shí)延,在網(wǎng)絡(luò )負荷實(shí)現分流的同時(shí),反應更為敏捷。生產(chǎn)制造各環(huán)節的時(shí)間變得更短,解決方案更快更優(yōu),生產(chǎn)制造效率得以大幅度提高。

    我們可以想象未來(lái)10年內,5G網(wǎng)絡(luò )覆蓋到工廠(chǎng)各個(gè)角落。5G技術(shù)控制的工業(yè)機器人,已經(jīng)從玻璃柜里走到了玻璃柜外,不分日夜地在車(chē)間中自由穿梭,進(jìn)行設備的巡檢和修理,送料、質(zhì)檢或者高難度的生產(chǎn)動(dòng)作。機器人成為中、基層管理人員,通過(guò)信息計算和精確判斷,進(jìn)行生產(chǎn)協(xié)調和生產(chǎn)決策。這里只需要少數人承擔工廠(chǎng)的運行監測和高級管理工作。機器人成為人的高級助手,替代人完成人難以完成的工作,人和機器人在工廠(chǎng)中得以共生。

    4、按需分配資源

    5G網(wǎng)絡(luò )通過(guò)網(wǎng)絡(luò )切片提供適用于各種制造場(chǎng)景的解決方案,實(shí)現實(shí)時(shí)高效和低能耗,并簡(jiǎn)化部署,為智能工廠(chǎng)的未來(lái)發(fā)展奠定堅實(shí)基礎。

    首先,利用網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)保證按需分配網(wǎng)絡(luò )資源,以滿(mǎn)足不同制造場(chǎng)景下對網(wǎng)絡(luò )的要求。不同應用對時(shí)延、移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò )覆蓋、連接密度和連接成本有不同需求,對5G網(wǎng)絡(luò )的靈活配置尤其是對網(wǎng)絡(luò )資源的合理快速分配及再分配提出了更嚴苛的要求。

    作為5G網(wǎng)絡(luò )最重要的特性,基于多種新技術(shù)組合的端到端的網(wǎng)絡(luò )切片能力,可以將所需的網(wǎng)絡(luò )資源靈活動(dòng)態(tài)地在全網(wǎng)中面向不同的需求進(jìn)行分配及能力釋放;根據服務(wù)管理提供的藍圖和輸入參數,創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )切片,使其提供特定的網(wǎng)絡(luò )特性。比如極低的時(shí)延、極高的可靠性、極大的帶寬等,以滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)景對網(wǎng)絡(luò )的要求。例如在智能工廠(chǎng)原型中,為滿(mǎn)足工廠(chǎng)內的關(guān)鍵事務(wù)處理要求,創(chuàng )建了關(guān)鍵事務(wù)切片,以提供低時(shí)延,高可靠的網(wǎng)絡(luò )。

    在創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )切片的過(guò)程中,需要調度基礎設施中的資源。包括接入資源、傳輸資源和云資源等。而各個(gè)基礎設施資源也都有各自的管理功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )切片管理,根據客戶(hù)不同的需求,為客戶(hù)提供共享的或者隔離的基礎設施資源。由于各種資源的相互獨立性,網(wǎng)絡(luò )切片管理也在不同資源之間進(jìn)行協(xié)同管理。在智能工廠(chǎng)原型中,展示了采用多層級的、模塊化的管理模式,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )切片的管理和協(xié)同更加通用、更加靈活并且易于擴展。

    除了關(guān)鍵事務(wù)切片,5G智能工廠(chǎng)還將額外創(chuàng )建移動(dòng)寬帶切片和大連接切片。不同切片在網(wǎng)絡(luò )切片管理系統的調度下,共享同一基礎設施,但又互不干擾,保持各自業(yè)務(wù)的獨立性。

    其次,5G能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )連接,采取本地流量分流,以滿(mǎn)足低延遲的要求。每個(gè)切片針對業(yè)務(wù)需求的優(yōu)化,不僅體現在網(wǎng)絡(luò )功能特性的不同,還體現在靈活的部署方案上。切片內部的網(wǎng)絡(luò )功能模塊部署非常靈活,可按照業(yè)務(wù)需求分別部署在多個(gè)分布式數據中心。原型中的關(guān)鍵事務(wù)切片為保證事務(wù)處理的實(shí)時(shí)性,對時(shí)延要求很高,將用戶(hù)數據面功能模塊部署在靠近終端用戶(hù)的本地數據中心,盡可能地降低時(shí)延,保證對生產(chǎn)的實(shí)時(shí)控制和響應。

    此外,采用分布式云計算技術(shù),以靈活的方式在本地數據中心或集中數據中心部署基于NFV(Network Function Virtualization,意為:網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化)技術(shù)的工業(yè)應用和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )功能。5G網(wǎng)絡(luò )的高帶寬和低時(shí)延特性,使智能處理能力通過(guò)遷移到云端而大幅提升,為提升智能化水平鋪平了道路。

    在5G網(wǎng)絡(luò )的連接下,智能工廠(chǎng)成為了各項智能技術(shù)的應用平臺。除了上述四類(lèi)技術(shù)的運用,智能工廠(chǎng)有望與未來(lái)多項先進(jìn)科技相結合,實(shí)現資源利用、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟收益的最大化。例如借助5G高速網(wǎng)絡(luò ),采集關(guān)鍵裝備制造、生產(chǎn)過(guò)程、能源供給等環(huán)節的能效相關(guān)數據,使用能源管理系統對能效相關(guān)數據進(jìn)行管理和分析,及時(shí)發(fā)現能效的波動(dòng)和異常,在保證正常生產(chǎn)的前提下,相應地對生產(chǎn)過(guò)程、設備、能源供給及人員等進(jìn)行調整,實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的能效提高;使用ERP(Enterprise Resource Planning,意為:企業(yè)資源計劃)進(jìn)行原材料庫存管理,包括各種原材料及供應商信息。當客戶(hù)訂單下達時(shí),ERP自動(dòng)計算所需的原材料,并且根據供應商信息即時(shí)計算原材料的采購時(shí)間,確保在滿(mǎn)足交貨時(shí)間的同時(shí)做到庫存成本最低甚至為零。

    因此,5G時(shí)代的智能工廠(chǎng)將大幅改善勞動(dòng)條件,減少生產(chǎn)線(xiàn)人工干預,提高生產(chǎn)過(guò)程可控性,最重要的是借助于信息化技術(shù)打通企業(yè)的各個(gè)流程,實(shí)現從設計、生產(chǎn)到銷(xiāo)售各個(gè)環(huán)節的互聯(lián)互通,并在此基礎上實(shí)現資源的整合優(yōu)化,從而進(jìn)一步提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。