单位文秘网 2020-08-29 16:36:27 点击: 次
5G环境下的工业互联网应用探讨
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 1 0~100 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 1 0~100 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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