装配式建筑预制构件5G智慧工厂

发布时间：2022-05-23 00:00:00

通过5G核心网+5G工业网关打通生产 设备的数据接口，完成IT与OT的跨网互通，终端设备如传感器、机器视觉、机械臂、AGV与PLC形成闭环组网， 实现了生产全要素的无线连接、远程数采与设备交互。 在应用层部署制造执行系统（MES）、分布式控制系统 （DCS）、板材质量检测、安全监控等工业应用，通过 5G LAN将智能应用和生产设备之间的路径打通， 实现 排产-浇筑-养护-质检-转运等全流程的自动化、智能化作业。

       作者：深圳艾灵网络有限公司

1    目标和概述

 传统构件工厂存在固定连接成本高、自动化程度低、人工质检效率低、安全生产监管难等难点痛点。深圳艾灵网络有限公司（以下简称： 艾灵网络）提出基于5G的装配式建筑预制构件智慧工厂解决方案包括：引入工业5G边缘智能中心，通过5G核心网+5G工业网关打通生产设备的数据接口，完成IT与OT的跨网互通，终端设备如传感器、机器视觉、机械臂、AGV与PLC形成闭环组网， 实现了生产全要素的无线连接、远程数采与设备交互。 在应用层部署制造执行系统（MES）、分布式控制系统 （DCS）、板材质量检测、安全监控等工业应用，通过 5G LAN将智能应用和生产设备之间的路径打通， 实现排产-浇筑-养护-质检-转运等全流程的自动化、智能化作业。部署该解决方案之后， 该企业当年降低人工成本36万元，生产效率提升30%以上，安全风险降低40%。

2    方案介绍

 解决方案包括设备域、网络域和计算域，如图1所示。

图1 解决方案架构图

设备域包括各种生产设备，如传感器、执行器、自动控制系统、工业相机/摄像机等。生产设备通过网络层和部署在边缘计算平台上的应用进行交互。交互的信息包括设备采集上报的信息，以及应用下发给设备的控制信息。具备5G能力的设备可以直接接入5G网络，不 具备5G能力的设备通过5G终端设备接入5G网络，5G终端设备有5G工业网关、5G工业路由器、5G CPE、5G DTU等多种形式。

网络域采用5G技术构建。5G支持连续覆盖，具备高安全性及高可靠性特点，上下行均支持高速率的数据 传输、毫秒级时延的实时控制，支持局部区域内海量高并发、中高数据速率的物联网连接。

计算域包括边缘计算平台，由单个或者多个分布式协同的服务器组成，提供弹性扩展的网络、计算、存储能力，满足可靠性、实时性、安全性等需求。边缘计算平台上部署MES、DCS、智能质检应用、智能安监应用和其他工厂定制的应用。

（1）采用5G打通工厂OT网络

采用独立专网的方式构建工厂5G网络，独立部署专有的无线和核心网设备，为工厂提供与运营商公网络隔离的、满足工厂特殊需求的超大带宽、超低时延、超高可靠的基础OT网络。该5G专网只服务于签约的专网用户终端，外部终端无法接入，保证网络安全。

5G无线设备包括基带处理单元、远端汇聚单元和远端射频单元。在工厂车间内多部署室内远端射频单元，在大型厂区也可部署室外远端射频单元。基带处理单元和远端汇聚单元部署在工厂机房。在车间产线现场，兼顾考虑现场的情况和散热，室内远端射频单元宜部署在轨道梁侧面，如图2红色标记所示。

图2 室内远端射频单元部署位置

工厂需要超大的上行带宽，通过增强上行覆盖、优化基站上下行资源配比的方式提升上行吞吐量。经过优化，单用户上行速率可达200Mbps。

5G核心网控制面和用户面功能均下沉到工厂机房，确保用户业务数据不出厂区，有效降低端到端网络时延，联合空口预调度技术，网络的端到端往返时延可以达到10ms。

工厂采用基于TCP/IP的PROFINET工业通讯协议，生产线上的设备均支持网络通讯方式。借助核心网提供的5G LAN功能，支持终端设备如PLC与上位机在 局域网内的互通数据，使数据不再依靠物理硬线，通过5G网络即可实现互通。该技术使数据不出用户，免除了数据在N6接口外的路径传输和应用服务器处理带来的延迟。同时，端到端的数据路径都在5G网络的管理之下，能够保障端到端QoS。

（2）5G+边缘计算构建全流程自动化产线

针对产线人工操作导致智能化程度低、效率不高的问题，引入边缘计算平台。在边缘计算平台上部署MES和DCS等智能应用系统，并通过5G系统提供的高可靠、低时延的连接将智能应用和生产设备之间的路径打通。

边缘计算平台对CPU、内存、磁盘、I/O等硬件方面进行整合，提供计算虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化等功能，灵活地将物理服务器、存储、网络设备虚拟成计算资源池及存储资源池，实现各子系统的计算资源和存储资源的动态伸缩和分配管理，可以按上层业务应用系统需求灵活分配资源，从而提高资源的利用率，简化系统管理。如图3所示。

图3 边缘计算平台层次架构图

边缘计算平台的平台层采用微服务架构，提供应用编排能力，支持应用生命周期管理、应用模板管理等。提供各种中间件服务，如实时数据库、AI算法库，以积木的形式支撑各种上层应用。平台层提供面向开发者的友好界面，并集成了应用发布、测试、管理流程等便捷功能，可为工业互联网应用提供开放能力，也可作为应用二次开发中心使用。

应用层包含各种工业应用，如MES、DCS、板材质量检测应用、安全监控应用。

智能应用按工艺流程控制生产设备进行生产活动，并实时监测设备的执行情况，实现全流程的自动化作业：

· 智能排产

MES按照订单生成构件排产计划，将构件定位尺寸信息发送给DCS。DCS将构件定位尺寸信息发送至工厂内的智能设备。

· 智能浇筑混凝土

DCS指示布料系统按照构件尺寸准备混凝土方量并在布模区域定量浇筑混凝土，视觉系统通过5G网络反馈给边缘云平台，实时分析布料情况，反馈给DCS，调整下料量保证浇筑效果。

· 智能养护

DCS控制养护系统对构件进行养护，养护系统的环境监测传感器通过5G网络向DCS上报环境监测数据，DCS调整养护系统参数、稳定养护系统环境。

· 智能质检

5G视觉质检应用部署于成品取码区，完成成品构 件的质量自动化检测。

· 智能转运

边缘云分析码垛结果，指示DCS控制自动运输车 AGV将质检合格的成品构件转运到仓储区。

（3）5G工业视觉提升质检效率、保障生产安全

5G工业视觉系统由工业相机/工业摄像机、5G网络、图像识别应用、模型训练系统构成。工业相机/工业摄像机实现现场图像或视频采集，5G网络提供高速上行通道，图像识别应用根据确定的训练模型，对采集图像进行推理预测，实现成品构件质量检测或生产/员工安全监测，模型训练系统基于计算机视觉模型、算法库及样本图像，结合深度学习AI算法，完成数据预处理、数据标注及训练生成数据模型的功能。

起板机完成起板后，DCS通过5G网络指示工业相机对待检测部品部件拍照并将照片通过5G网络发送给部署在边缘计算平台上的智能质检应用。智能质检应用对拍摄的图像进行分析，输出质检结果。智能质检应用可以检测部品部件的尺寸是否符合质量要求，也可以检测其表面质量是否符合要求。智能质检应用将质检结果发送给DCS，DCS指示传送装置将质检合格的成品传送到出货区。如图4所示。

图4 传送装置

部署在出货区的工业摄像机实时采集视频发送给部署在边缘计算平台上的出货区负荷检测智能应用。出货区负荷检测智能应用对视频进行分析，当检测到出货区积累的成品数量即将到达极限值的时候，通知DCS指示自动运输车AGV尽快将质检合格的成品构件转运到仓储区。

在车间部署若干高清摄像机，对车间内员工的生产活动进行监督。摄像机将采集的视频通过5G网络发送给部署在边缘计算平台上的智能安监应用。智能安监应用可以实时监测员工着装规范、安全生产区域人员的不安全行为、是否违规进入危险区域、是否擅自离岗等。 如图5所示。

图5 安全生产区域实时监测

3    代表性及推广价值

 

装配式建筑预制构件5G智慧工厂解决方案以5G作为网络基础设施，以边缘计算平台作为智能计算基础设施，通过通用的人工智能算法库与装配式建材生产进行深度融合，成功地应用在预制混凝土墙板类构件生产工厂，提供大带宽、高可靠的网络连接和超强的计算能力，满足工厂的网络化、智能化升级转型需求，为提高生产效率和质量水平、降低生产成本、提升市场竞争力提供有力的支持，证明了该解决方案的先进性和实用性。

该解决方案将加快提升装配式建材工业智能制造水平，助力装配式建材工厂的转型升级，实现生产方式和企业形态根本性变革，引领装配式建材生产行业高质量发展。艾灵网络联合中国建材集团有限公司， 正在将该解决方案在集团中的装配式建筑部品部件生产工厂中进行推广，后续将推广到建材领域的其它细分行业。同时，基于该解决方案的建材行业联盟团体标准也在制定中，该方案得到了中建材总部的认可， 已在中建材旗下下属分公司应用，正逐步向建材行业其他企业推广。

来源 | 《自动化博览》2022年第二期暨《边缘计算2022专辑》