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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）07-078-08中圖分類號：TP29

★左志軍，陳科霖，賀毅，楊猛（廣州明珞裝備股份有限公司，廣東廣州510535）

關鍵詞：離線5G通信；自動化生產線；高可靠性；快速搭建

1　引言

隨著工業4.0時代的到來，自動化生產線已經成為現代制造業的重要組成部分。而在自動化生產線中，通信網絡起著至關重要的作用。傳統的有線通信網絡雖然穩定性較高，但部署成本高昂且靈活性較差，難以滿足現代生產線的需求。相比之下，無線通信網絡具有部署靈活、成本低廉等優點，但由于其易受環境干擾和信號衰減的影響，穩定性和可靠性成為了亟待解決的問題。5G可以滿足工業現場網絡靈活組網和無線通信的需求^[1]。例如，個性化定制要求生產線具有更高的靈活性，甚至可根據訂單變化和業務需求而快速增加、移除可移動操作設備實現生產線重構，這要求現場網絡也能夠支持靈活可重構的組網方式^[2]。此外5G通信技術以其高速度、大容量、低時延等特點，為工業現場網絡提供了全新的解決方案。然而，5G通信在實際應用中也存在一些問題，如覆蓋范圍有限、設備接入兼容性需要適配等。因此，如何快速高效地搭建出高可靠的離線5G通信現場網^[3]，并將其應用于自動化生產線交付過程中，是當前亟需解決的問題。基于以上背景，本文以高可靠快速搭建的離線5G通信現場網在自動化生產線交付過程中的研究與應用為主題，探索了一種適用于現代化生產線的新型通信網絡解決方案。這一研究對提高自動化生產線的生產效率和質量、降低企業運營成本、推動制造業的轉型升級具有重要意義。

近年來，國內外對5G通信技術的研究已經取得了顯著的進展。在國外，美國、歐洲等地的電信運營商已經開始大規模部署5G網絡，并在多個領域實現了商業化應用。然而，5G通信在自動化生產線的應用方面，仍處于初級階段^[4]。目前的研究重點集中在5G通信技術的基礎理論和技術實現上，而對于如何將5G通信技術應用于自動化生產線交付過程中的具體實踐還較少。在國內，盡管5G通信技術的研發和推廣正在加速推進，但在自動化生產線交付過程中的應用研究仍相對較弱。現有的研究多集中于單一設備或特定領域的應用，缺乏整體性、系統性的研究。同時，由于我國工業化水平的不斷提高，對自動化生產線的需求也在不斷增加，因此對5G通信在自動化生產線交付過程中的研究與應用有著巨大的市場需求和發展潛力^[5]。未來，隨著5G通信技術的不斷發展和完善，以及智能制造的不斷推進，預計5G通信在自動化生產線交付過程中的應用將會得到更廣泛的關注和研究。本文的研究目標是提出一種高可靠快速搭建的離線5G通信現場網在自動化生產線交付過程中的實現方案，以提高自動化生產線的通信質量和效率。為了達到這一目標，本文將圍繞以下幾個方面的內容展開研究：（1）對現有5G通信技術進行梳理和分析，了解其基本原理、特點以及其在自動化生產線交付過程中的應用前景。（2）基于5G通信技術，設計并實現一套適用于自動化生產線交付過程的離線5G通信現場網，以滿足生產線實時監控、數據傳輸等需求。（3）對所提出的離線5G通信現場網進行實踐驗證，分析其實時性、可靠性等方面的性能指標，以確保其能夠在實際生產環境中穩定運行。（4）根據實驗證明的結果，對所提出的離線5G通信現場網進行優化，提升其性能表現。（5）分析離線5G通信現場網在自動化生產線交付過程中的經濟效益和社會效益，為相關企業和行業提供決策支持。通過對上述內容的研究，本文希望能夠為5G通信技術在自動化生產線交付過程中的應用提供一定的理論依據和技術支撐，促進制造業向更高層次的智能化、自動化發展^[4]。

2　離線5G通信技術與自動化

2.1　5G通信的基本概念

5G（Fifth Generation）是指第五代移動通信技術，是繼2G、3G、4G之后的最新一代蜂窩移動通信技術。5G不僅僅是更快的移動網絡速度，還通過一系列技術創新，提供了全新的功能和服務，包括增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（URLLC）。這些特性使得5G技術能夠廣泛應用在眾多領域，例如自動駕駛、遠程醫療、智慧城市、物聯網等等。此外，5G網絡采用了更高的頻率波段，使其能夠承載更多的數據流量和連接更多的設備^[6]。

2.2　5G通信的關鍵技術

5G通信的關鍵技術主要包括：（1）多址技術：采用新的多址接入方式，比如正交頻分復用（OFDM）和載波聚合（CA），能夠充分利用頻譜資源，提高了數據傳輸速率和系統容量^[3]。（2）寬帶射頻技術：采用毫米波、亞毫米波等高頻段頻譜資源，能夠提供更大的帶寬和更高的數據傳輸速率。（3）天線技術：采用多天線陣列和波束賦形技術，能夠提高空間分集增益和定向性，從而提高系統的抗干擾能力和信號質量。（4）光纖傳輸技術：利用光纖作為物理介質，實現超高速的數據傳輸^[7]。（5）云計算和大數據處理技術：將大量的數據處理任務遷移到云端，減少了本地計算負載，提高了系統的響應速度和容錯能力。（6）軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）：將傳統硬件設備的功能抽象出來，轉變為軟件形式，實現網絡的靈活管理和資源動態分配。（7）人工智能和機器學習技術：用于優化網絡資源配置、預測網絡行為，提高了網絡的智能化程度。（8）網絡切片技術：通過虛擬化技術將一張物理網絡切割成多張邏輯網絡，每張邏輯網絡可以獨立配置和管理，滿足了不同業務場景的需求^[3]。

2.3　5G通信的特點及優勢

5G通信技術相對于前幾代移動通信技術，有以下特點和優勢：（1）更高的傳輸速率：5G的最大理論峰值下載速度可以達到10Gbps，比4G快了幾百倍，能夠滿足未來智能工廠、無人駕駛等領域的高速數據傳輸需求。（2）更大的連接密度：5G的連接密度可以達到每平方公里百萬級別的設備，這將極大地擴展物聯網的應用場景。（3）更低的時延：5G的端到端時延可達到毫秒級別，這對于需要實時反饋控制的自動化生產線來說至關重要。（4）更高的能效：5G的技術創新使網絡設備的能耗大大降低，提高了能源使用效率^[8]。（5）更強的安全性：5G支持多種安全機制，如加密算法、身份認證、訪問控制等，可以保證自動化生產線的數據安全。（6）更靈活的網絡配置：5G引入了網絡切片的概念，可以根據不同的業務需求定制專屬的網絡服務，滿足了多樣化的需求。綜上所述，5G通信技術具有高速率、大連接密度、低時延、高能效、安全性強、靈活配置等特點，能滿足自動化生產線交付過程中的通信需求^[9]。

2.4　自動化生產線的基本概念

自動化生產線是一種先進的智能制造模式，它通過將各種生產設備和控制系統有機結合起來，實現產品的批量生產。自動化生產線通常由輸送系統、加工系統、檢測系統、控制系統等多個部分組成，通過計算機進行集成控制，實現物料搬運、加工、裝配、檢驗等全過程的自動化作業。自動化生產線的使用，可以提高生產效率、降低成本、保證產品質量和一致性，實現了生產過程的精益化和智能化^[10]。

2.5　5G通信的特點及優勢

自動化生產線的關鍵技術包括傳感器技術、機械傳動技術、機器人技術、視覺識別技術、信息管理系統等。

傳感器技術負責采集生產線上的各種狀態信息，如溫度、壓力、位置、速度等，為后續的控制和管理提供基礎數據；工藝生產設備是實現加工工藝的設備，如數控機床、焊機、壓機、擰緊機等；機器人技術則是自動化生產線中非常重要的一環，它可以完成重復性的、繁瑣的工作，如搬運、組裝、檢測等；數字孿生系統是一種通過構建一個物理系統的數字模型，將現實世界與數字空間相結合的技術，可以真實地顯現自動化產線各種運行狀態，如焊接線過程的實時監控、遠程維護、工藝參數優化、故障預測等，從而提高了生產效率，降低了運營成本，并確保了焊接質量^[1]。

3　高可靠快速搭建的離線5G通信現場網設計

3.1　系統方案架構設計

隨著5G通信技術被廣泛應用，工控領域也迎來了新的機遇和挑戰^[9]。在高實時控制系統中，5G通信網絡可以部署實現數字化、智能化和柔性化產線控制網絡結構，但是，面對工作環境嚴峻、技術要求高的工業控制領域，5G通信網絡也同樣面臨著一些挑戰：

（1）工業控制系統的高可靠性和低時延性對5G通信網絡提出了更高的要求。在實時控制和遠程操作中，任何網絡延遲或信號丟失都可能導致生產事故或質量問題，因此需要確保5G無線網絡的穩定性和可靠性。

（2）在生產過程中，隨著工控設備的增加，設備間互聯和數據傳輸量也大大增加，對5G網絡帶寬和服務器數據處理能力提出了挑戰。如何有效管理和優化工控系統的數據流量，確保實時性和準確性，也是5G通信網絡技術需要解決的問題之一。

（3）5G網絡的開放性同時增加了安全方面的風險，工控領域對網絡安全和隱私保護有著高要求，需要采取高安全級別的措施，來防止網絡被惡意攻擊或數據泄露。

綜上所述，5G通信在工控領域的應用雖然帶來了許多機遇，但也面臨著諸多挑戰，需要在技術、管理和安全等方面持續進行創新和優化，以實現工業生產的數字化和智能化落地^[10]。

3.2　5G網絡拓撲在毫秒級高實時控制系統中的應用場景分析

針對離線5G通信現場網在自動化生產線交付過程中的應用，我們考慮構建以下系統架構：

物理層（如圖1所示）：包括5G基站雙頻雙發選收、傳輸鏈路、電源系統等基礎設施，負責提供穩定的網絡連接和供電保障。

圖1 離線5G核心網絡架構

網絡控制層：uRLLC場景的業務對PLC控制時延要求極為嚴格，西門子默認時延2ms，看門狗3次重連聯，單次最大時延6ms，安全I/O型模組對通信可靠性要求不低于99.999%，端到端切片、網絡安全要求和辦公業務完全隔離。因此，如圖2所示進行頻譜規劃設計、工業應用部署規劃、業務流量隔離規劃、網絡覆蓋規劃等，實現網絡的管理與控制、數據的路由交換與轉發^[12]。

圖2 離線5G網絡設計

數據管理層（如圖3所示）包括數據庫服務器、存儲設備等，負責存儲和管理自動化生產線的各種數據和信息。

圖3 服務器資源DockerCompose管理分配

應用層（如圖4所示）：包括各種應用程序和客戶端，如監控系統、數據分析系統、生產調度系統等，用于實現自動化生產線的監控、控制和管理^[12]。該系統架構采用了模塊化的設計思路，各個層級之間相互獨立而又協同工作，能夠有效地提高系統的可靠性和可用性，同時便于后期的維護和升級。

圖4 應用綜合管理平臺架構

4　離線5G現場網在自動化生產線的應用

4.1　應用場景搭建

自動化生產線交付過程中的5G應用場景可以分為產線內部物流、生產過程控制、質量檢測和遠程監控等幾個方面^[13]如圖5所示。

內部物流：在自動化生產線的交付過程中，物流的實時跟蹤和管理是至關重要的。離線5G通信現場網可以幫助實現物流信息的實時傳輸和處理，從而實現物流的可視化和追蹤，提高了物流效率。

生產過程控制：在自動化生產線的交付過程中，生產過程的控制是非常重要的。離線5G通信現場網，可以實現實時的遠程生產調度，在交付過程中可減少現場鋪設通訊網絡線路的工期，提高了生產效率和質量^[14]。

圖5 離線5G產線網絡拓撲案例

數字化系統：在設備交付驗證階段，產線集成生產方可以利用離線5G現場網和數字孿生系統相結合^[14]（如圖6所示），為客戶提供更加全面、高效的服務。通過遠程監控和數據分析，集成商能夠實時了解設備的運行狀態和性能表現，為客戶提供更加精準的調試和優化建議。這不僅可以提高客戶滿意度，還能夠縮短設備交付周期，降低維護成本。

圖6 焊接工作站數字孿生系統

4.2　實施與測試

實施離線5G通信現場網在自動化生產線交付過程中的應用，首先需要確定適合的網絡設備和部署方案。在實際操作中，應考慮到生產線環境和設備特性的差異，以及通信設備和自動化設備之間的接口標準和協議要求，選擇合適的生產設備和組件。接下來，還需要進行定期的檢查和維護，以確保通信系統的正常運行和網絡安全。通過實時監控和數據分析系統，生產企業的維保人員可以及時發現問題并采取有效措施加以解決，確保生產線的持續穩定運行^[15]。總的來說，離線5G通信現場網在自動化生產線交付過程中的應用，需要綜合考慮多個因素，通過科學合理的規劃和實施方案，才能驗證出高效可靠的通信配置參數。

內部物流：一些如移動AGV小車（如圖7所示）、無人叉車或其他自動化移動設備，5G網關接入5GCPE，可以實現原4G、Wi-Fi通訊無法比擬的高效、迅速、低延遲的通信，提升了運行效率。

圖7 移動設備（AGV小車）5G網絡連接數據傳輸

控制+機器人（如圖8所示）：原機器的接入組態掃描默認時延2ms通過5G無線網關，接入離線的5G專網通信網絡進行替換有線以太網，機器人能接收實時的指令，執行高精度的操作，改善了效率；同時，機器人也可以實時反饋操作信息，提供數據支持。

圖8 機器人5G網絡連接數據傳輸

傳感器和檢測設備（如圖9所示）：異構復合數據傳輸傳感器及檢測設備通過不同傳輸介質，其進行協議轉換后接入5G網絡，生產線上的傳感器和檢測設備可以在極短的時間內將搜集到的信息傳回，支持對生產過程的周邊環境設備進行實時監控和調整。

圖9 傳感設備5G網絡連接數據傳輸

生產設備：生產設備如加工機床、裝配設備等，也可以通過連接5G網關，接入5GCPE，接入5G核心網，進行任務派送排程調達等。

5G設備參數：pRRU皮基站通訊頻率等選定，如表1所示；核心網IP設定如表2所示；設備數據需求劃分如表3所示。

表1 離線5G實踐基站參數配置

表2 離線5G專網IP設定

表3 自動化產線各類設備數據傳輸質量需求劃分

4.3　關鍵技術實現

離線5G通訊在自動化生產線中離不開以下關鍵的技術：

（1）雙發選收：5G+實時控制，在自動化產線中對低延遲的需求極高，達毫秒級以上。故使用雙發選收技術，可以通過增加發射和接收的數量，提高數據傳輸速率，減小通信延遲，保證數據的可靠性。

（2）動態自組網：離線5G通信現場網具備動態自組網的能力，即在網絡拓撲發生變化時，節點能夠自動進行重新組織和鏈接，以保持網絡的有效運行。

（3）異構網絡融合：離線5G通信現場網具備異構網絡融合的能力，即能夠將不同類型的無線網絡（如Wi-Fi、藍牙、ZigBee等）無縫地融合在一起，以實現高效的通信。

（4）動態資源調度：離線5G通信現場網具備動態資源調度的能力，即根據用戶的實時需求，動態地分配網絡資源，以滿足用戶的服務質量要求。

（5）MEC邊緣計算：離線5G一體機具有豐富的存儲資源和強大的運算能力，能提供給用戶部署自動化產線的各種交付過程監控的業務App等^[16]。

4.4　應用性能效果分析與優化

自動化生產線中其網絡通訊質量是非常高，故對5G的通訊質量及速率的優化是非常重要的。下面是一些性能指標要求和網絡優化：

（1）數據傳輸速率：數據傳輸速率是衡量網絡性能的一個重要因素。如果速率過慢，可能會導致生產線的連接設備掉線、設備故障，因此可以通過增加信道帶寬、提高發射功率、雙發選收等方法來提高數據傳輸速率，其次再在設備端進行網絡參數配置設定（如圖10所示）。

參數優化：PLC配置修改，PLC設備組態update time →set update time manualiy: 8.000ms；accepted update cycles without io data: 3；watchdog time: 24ms。

圖10 機器人修改掃描周期為8ms

在離線5G通信現場網性能測試：

對特定端進行PING包長時測試雙發選收5G網絡時延≤20ms的比例達100%，基本滿足工業設備需求（更新周期8×3），可用于工業生產場景。

5G網絡運行約11天，期間非安全類I/O和機器人設備一直在線，未發現掉線如表4所示。

表4 5G現場網數據質量時延、丟包率、穩定性

（2）網絡覆蓋范圍：網絡覆蓋范圍是指離線5G通信現場網能夠覆蓋的地理區域。如果覆蓋范圍不夠廣，會導致某些區域無法接收到信號，因此可以通過增加基站數量、優化天線布局、調整發射功率等方法來擴大網絡覆蓋范圍。如圖11所示，廣州明珞黃埔CPS創新中心的5G信號強度、上下行速率均符合應用場景要求。

圖11 自動化產線區域離線5G網絡覆蓋測試

（3）數據傳輸質量：數據傳輸質量是指網絡能夠提供的服務水平，包括延遲、抖動、丟包率等因素。為滿足現場的設備網絡通訊需求，通過設置優先級、預留帶寬、使用QoS策略等方法來提高5G數據傳輸服務質量，網絡通訊質量測試驗證如圖12所示。

圖12 離線5G網絡測試驗證

（4）數據業務應用：我們成功實現了基于離線5G通信的一體機MEC，部署了自動化產線的效能管理平臺如圖13所示。該系統可縮短生產線部署調試交付周期，可精準快速定位生產線在交付前存在的問題，并給出相應的建議解決方案；在數字孿生系統如圖14所示，也基于5G現場網進行驗證，數據的傳輸也達成使用標準。

圖13 效能平臺自動化產線的監控

圖14 焊接工作站數字孿生系統

綜上所述，離線5G通信現場網在自動化生產線交付過程中的實踐驗證結果表明，離線5G的現場網應用是可行的，通過增加覆蓋范圍、設備參數匹配修改適配等手段，5G的工業應用可為生產線的現場網提供基礎，簡化了現場網絡線路，減少了現場網絡線路鋪著的時間周期。此外，5G算網一體機MEC可以為現場提供極速的邊緣云應用，例如工業物聯網設備的接入、全連接工廠的打造、內容緩存、超高帶寬內容交付、本地業務分流、任務遷移等。這些應用可以大大提高現場業務處理的效率和實時性、推動數字化轉型和工業智能化的發展，達成快速交付的能力。

5　總結與展望

從本次的研究和實踐中，我們得出了一些關于離線5G通信現場網在自動化生產線交付過程中的主要研究成果：（1）成功實現了基于離線5G通信的自動化產線現場網的快速搭建快速落地的解決方案，縮短了生產線交付周期，達成了快速交付的能力。（2）基于離線5G通信技術實現了自動化生產線的遠程監控和實時調度，提升了生產線的智能化水平。（3）提出了一種基于深度學習的故障診斷方法，可以準確快速地判斷生產線在交付前設備存在的問題，并給出相應的解決方案。

雖然通過本次課題的實踐研究，我們得到了一定的收獲，但實驗測試的數據從時間維度看還是有限，還需要更長時間的運行來驗證離線5G網絡的穩定性，以及實踐的案例過少，需要進行更多的場景來運行測試。另外，第一點，離線5G通信現場網目前的設備成本較高，限制其在自動化生產線交付的普及應用。我們需要研發出低成本的離線5G通信現場網的設備，降低部署設備成本，促進其在自動化生產線交付的應用普及。第二點，離線5G通信現場網的數據傳輸速率受限，離線5G傳輸速率基本為10～20ms，最大時延達18ms甚至更高，而本方案的博途設備組態默認掃描周期為2ms×3次，需要我們修改設備掃描周期，方可避免設備因網絡掉線而引發的設備故障，因此我們需要研發出更高數據傳輸速率的設備，以適配更多的使用場景。

★廣州市產業領軍人才集聚工程項目支持：廣州市創新領軍團隊（編號：201909010005）。

作者簡介：

左志軍（1985-），男，河北石家莊人，高級工程師，現就職于廣州明珞裝備股份有限公司，主要從事計算機系統結構、數字化與智能制造方面的研究。

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摘自《自動化博覽》2024年7月刊