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文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)鍵詞：離線5G通信；自動化生產(chǎn)線；高可靠性；快速搭建

1　引言

隨著工業(yè)4.0時代的到來，自動化生產(chǎn)線已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要組成部分。而在自動化生產(chǎn)線中，通信網(wǎng)絡(luò)起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的有線通信網(wǎng)絡(luò)雖然穩(wěn)定性較高，但部署成本高昂且靈活性較差，難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)線的需求。相比之下，無線通信網(wǎng)絡(luò)具有部署靈活、成本低廉等優(yōu)點，但由于其易受環(huán)境干擾和信號衰減的影響，穩(wěn)定性和可靠性成為了亟待解決的問題。5G可以滿足工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)靈活組網(wǎng)和無線通信的需求^[1]。例如，個性化定制要求生產(chǎn)線具有更高的靈活性，甚至可根據(jù)訂單變化和業(yè)務(wù)需求而快速增加、移除可移動操作設(shè)備實現(xiàn)生產(chǎn)線重構(gòu)，這要求現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)也能夠支持靈活可重構(gòu)的組網(wǎng)方式^[2]。此外5G通信技術(shù)以其高速度、大容量、低時延等特點，為工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)提供了全新的解決方案。然而，5G通信在實際應(yīng)用中也存在一些問題，如覆蓋范圍有限、設(shè)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(xiàn)場網(wǎng)^[3]，并將其應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線交付過程中，是當(dāng)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(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的研究與應(yīng)用為主題，探索了一種適用于現(xiàn)代化生產(chǎn)線的新型通信網(wǎng)絡(luò)解決方案。這一研究對提高自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和質(zhì)量、降低企業(yè)運營成本、推動制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外對5G通信技術(shù)的研究已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。在國外，美國、歐洲等地的電信運營商已經(jīng)開始大規(guī)模部署5G網(wǎng)絡(luò)，并在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。然而，5G通信在自動化生產(chǎn)線的應(yīng)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(shù)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)實現(xiàn)上，而對于如何將5G通信技術(shù)應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線交付過程中的具體實踐還較少。在國內(nèi)，盡管5G通信技術(shù)的研發(fā)和推廣正在加速推進(jìn)，但在自動化生產(chǎn)線交付過程中的應(yīng)用研究仍相對較弱。現(xiàn)有的研究多集中于單一設(shè)備或特定領(lǐng)域的應(yīng)用，缺乏整體性、系統(tǒng)性的研究。同時，由于我國工業(yè)化水平的不斷提高，對自動化生產(chǎn)線的需求也在不斷增加，因此對5G通信在自動化生產(chǎn)線交付過程中的研究與應(yīng)用有著巨大的市場需求和發(fā)展?jié)摿?sup>[5]。未來，隨著5G通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及智能制造的不斷推進(jìn)，預(yù)計5G通信在自動化生產(chǎn)線交付過程中的應(yīng)用將會得到更廣泛的關(guān)注和研究。本文的研究目標(biāo)是提出一種高可靠快速搭建的離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的實現(xiàn)方案，以提高自動化生產(chǎn)線的通信質(zhì)量和效率。為了達(dá)到這一目標(biāo)，本文將圍繞以下幾個方面的內(nèi)容展開研究：（1）對現(xiàn)有5G通信技術(shù)進(jìn)行梳理和分析，了解其基本原理、特點以及其在自動化生產(chǎn)線交付過程中的應(yīng)用前景。（2）基于5G通信技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)一套適用于自動化生產(chǎn)線交付過程的離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)，以滿足生產(chǎn)線實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃枨蟆＃?）對所提出的離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)進(jìn)行實踐驗證，分析其實時性、可靠性等方面的性能指標(biāo)，以確保其能夠在實際生產(chǎn)環(huán)境中穩(wěn)定運行。（4）根據(jù)實驗證明的結(jié)果，對所提出的離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，提升其性能表現(xiàn)。（5）分析離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為相關(guān)企業(yè)和行業(yè)提供決策支持。通過對上述內(nèi)容的研究，本文希望能夠為5G通信技術(shù)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐，促進(jìn)制造業(yè)向更高層次的智能化、自動化發(fā)展^[4]。

2　離線5G通信技術(shù)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(shù)，是繼2G、3G、4G之后的最新一代蜂窩移動通信技術(shù)。5G不僅僅是更快的移動網(wǎng)絡(luò)速度，還通過一系列技術(shù)創(chuàng)新，提供了全新的功能和服務(wù)，包括增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（URLLC）。這些特性使得5G技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，例如自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等等。此外，5G網(wǎng)絡(luò)采用了更高的頻率波段，使其能夠承載更多的數(shù)據(jù)流量和連接更多的設(shè)備^[6]。

2.2　5G通信的關(guān)鍵技術(shù)

5G通信的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）多址技術(shù)：采用新的多址接入方式，比如正交頻分復(fù)用（OFDM）和載波聚合（CA），能夠充分利用頻譜資源，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)容量^[3]。（2）寬帶射頻技術(shù)：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(shù)據(jù)傳輸速率。（3）天線技術(shù)：采用多天線陣列和波束賦形技術(shù)，能夠提高空間分集增益和定向性，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力和信號質(zhì)量。（4）光纖傳輸技術(shù)：利用光纖作為物理介質(zhì)，實現(xiàn)超高速的數(shù)據(jù)傳輸^[7]。（5）云計算和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)：將大量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)遷移到云端，減少了本地計算負(fù)載，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和容錯能力。（6）軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）：將傳統(tǒng)硬件設(shè)備的功能抽象出來，轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖问剑瑢崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活管理和資源動態(tài)分配。（7）人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)：用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源配置、預(yù)測網(wǎng)絡(luò)行為，提高了網(wǎng)絡(luò)的智能化程度。（8）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)：通過虛擬化技術(shù)將一張物理網(wǎng)絡(luò)切割成多張邏輯網(wǎng)絡(luò)，每張邏輯網(wǎng)絡(luò)可以獨立配置和管理，滿足了不同業(yè)務(wù)場景的需求^[3]。

2.3　5G通信的特點及優(yōu)勢

5G通信技術(shù)相對于前幾代移動通信技術(shù)，有以下特點和優(yōu)勢：（1）更高的傳輸速率：5G的最大理論峰值下載速度可以達(dá)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(lǐng)域的高速數(shù)據(jù)傳輸需求。（2）更大的連接密度：5G的連接密度可以達(dá)到每平方公里百萬級別的設(shè)備，這將極大地擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景。（3）更低的時延：5G的端到端時延可達(dá)到毫秒級別，這對于需要實時反饋控制的自動化生產(chǎn)線來說至關(guān)重要。（4）更高的能效：5G的技術(shù)創(chuàng)新使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能耗大大降低，提高了能源使用效率^[8]。（5）更強(qiáng)的安全性：5G支持多種安全機(jī)制，如加密算法、身份認(rèn)證、訪問控制等，可以保證自動化生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)安全。（6）更靈活的網(wǎng)絡(luò)配置：5G引入了網(wǎng)絡(luò)切片的概念，可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求定制專屬的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，滿足了多樣化的需求。綜上所述，5G通信技術(shù)具有高速率、大連接密度、低時延、高能效、安全性強(qiáng)、靈活配置等特點，能滿足自動化生產(chǎn)線交付過程中的通信需求^[9]。

2.4　自動化生產(chǎn)線的基本概念

自動化生產(chǎn)線是一種先進(jìn)的智能制造模式，它通過將各種生產(chǎn)設(shè)備和控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。自動化生產(chǎn)線通常由輸送系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個部分組成，通過計算機(jī)進(jìn)行集成控制，實現(xiàn)物料搬運、加工、裝配、檢驗等全過程的自動化作業(yè)。自動化生產(chǎn)線的使用，可以提高生產(chǎn)效率、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量和一致性，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的精益化和智能化^[10]。

2.5　5G通信的特點及優(yōu)勢

自動化生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)、機(jī)械傳動技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、視覺識別技術(shù)、信息管理系統(tǒng)等。

傳感器技術(shù)負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)線上的各種狀態(tài)信息，如溫度、壓力、位置、速度等，為后續(xù)的控制和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；工藝生產(chǎn)設(shè)備是實現(xiàn)加工工藝的設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床、焊機(jī)、壓機(jī)、擰緊機(jī)等；機(jī)器人技術(shù)則是自動化生產(chǎn)線中非常重要的一環(huán)，它可以完成重復(fù)性的、繁瑣的工作，如搬運、組裝、檢測等；數(shù)字孿生系統(tǒng)是一種通過構(gòu)建一個物理系統(tǒng)的數(shù)字模型，將現(xiàn)實世界與數(shù)字空間相結(jié)合的技術(shù)，可以真實地顯現(xiàn)自動化產(chǎn)線各種運行狀態(tài)，如焊接線過程的實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)、工藝參數(shù)優(yōu)化、故障預(yù)測等，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了運營成本，并確保了焊接質(zhì)量^[1]。

3　高可靠快速搭建的離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)設(shè)計

3.1　系統(tǒng)方案架構(gòu)設(shè)計

隨著5G通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用，工控領(lǐng)域也迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)^[9]。在高實時控制系統(tǒng)中，5G通信網(wǎng)絡(luò)可以部署實現(xiàn)數(shù)字化、智能化和柔性化產(chǎn)線控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是，面對工作環(huán)境嚴(yán)峻、技術(shù)要求高的工業(yè)控制領(lǐng)域，5G通信網(wǎng)絡(luò)也同樣面臨著一些挑戰(zhàn)：

（1）工業(yè)控制系統(tǒng)的高可靠性和低時延性對5G通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。在實時控制和遠(yuǎn)程操作中，任何網(wǎng)絡(luò)延遲或信號丟失都可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故或質(zhì)量問題，因此需要確保5G無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）在生產(chǎn)過程中，隨著工控設(shè)備的增加，設(shè)備間互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸量也大大增加，對5G網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器數(shù)據(jù)處理能力提出了挑戰(zhàn)。如何有效管理和優(yōu)化工控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量，確保實時性和準(zhǔn)確性，也是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要解決的問題之一。

（3）5G網(wǎng)絡(luò)的開放性同時增加了安全方面的風(fēng)險，工控領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護(hù)有著高要求，需要采取高安全級別的措施，來防止網(wǎng)絡(luò)被惡意攻擊或數(shù)據(jù)泄露。

綜上所述，5G通信在工控領(lǐng)域的應(yīng)用雖然帶來了許多機(jī)遇，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要在技術(shù)、管理和安全等方面持續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化和智能化落地^[10]。

3.2　5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诤撩爰壐邔崟r控制系統(tǒng)中的應(yīng)用場景分析

針對離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的應(yīng)用，我們考慮構(gòu)建以下系統(tǒng)架構(gòu)：

物理層（如圖1所示）：包括5G基站雙頻雙發(fā)選收、傳輸鏈路、電源系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接和供電保障。

圖1 離線5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)控制層：uRLLC場景的業(yè)務(wù)對PLC控制時延要求極為嚴(yán)格，西門子默認(rèn)時延2ms，看門狗3次重連聯(lián)，單次最大時延6ms，安全I(xiàn)/O型模組對通信可靠性要求不低于99.999%，端到端切片、網(wǎng)絡(luò)安全要求和辦公業(yè)務(wù)完全隔離。因此，如圖2所示進(jìn)行頻譜規(guī)劃設(shè)計、工業(yè)應(yīng)用部署規(guī)劃、業(yè)務(wù)流量隔離規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃等，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理與控制、數(shù)據(jù)的路由交換與轉(zhuǎn)發(fā)^[12]。

圖2 離線5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

數(shù)據(jù)管理層（如圖3所示）包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、存儲設(shè)備等，負(fù)責(zé)存儲和管理自動化生產(chǎn)線的各種數(shù)據(jù)和信息。

圖3 服務(wù)器資源DockerCompose管理分配

應(yīng)用層（如圖4所示）：包括各種應(yīng)用程序和客戶端，如監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等，用于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線的監(jiān)控、控制和管理^[12]。該系統(tǒng)架構(gòu)采用了模塊化的設(shè)計思路，各個層級之間相互獨立而又協(xié)同工作，能夠有效地提高系統(tǒng)的可靠性和可用性，同時便于后期的維護(hù)和升級。

圖4 應(yīng)用綜合管理平臺架構(gòu)

4　離線5G現(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線的應(yīng)用

4.1　應(yīng)用場景搭建

自動化生產(chǎn)線交付過程中的5G應(yīng)用場景可以分為產(chǎn)線內(nèi)部物流、生產(chǎn)過程控制、質(zhì)量檢測和遠(yuǎn)程監(jiān)控等幾個方面^[13]如圖5所示。

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

生產(chǎn)過程控制：在自動化生產(chǎn)線的交付過程中，生產(chǎn)過程的控制是非常重要的。離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)，可以實現(xiàn)實時的遠(yuǎn)程生產(chǎn)調(diào)度，在交付過程中可減少現(xiàn)場鋪設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò)線路的工期，提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量^[14]。

圖5 離線5G產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒咐?/p>

數(shù)字化系統(tǒng)：在設(shè)備交付驗證階段，產(chǎn)線集成生產(chǎn)方可以利用離線5G現(xiàn)場網(wǎng)和數(shù)字孿生系統(tǒng)相結(jié)合^[14]（如圖6所示），為客戶提供更加全面、高效的服務(wù)。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，集成商能夠?qū)崟r了解設(shè)備的運行狀態(tài)和性能表現(xiàn)，為客戶提供更加精準(zhǔn)的調(diào)試和優(yōu)化建議。這不僅可以提高客戶滿意度，還能夠縮短設(shè)備交付周期，降低維護(hù)成本。

圖6 焊接工作站數(shù)字孿生系統(tǒng)

4.2　實施與測試

實施離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的應(yīng)用，首先需要確定適合的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和部署方案。在實際操作中，應(yīng)考慮到生產(chǎn)線環(huán)境和設(shè)備特性的差異，以及通信設(shè)備和自動化設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議要求，選擇合適的生產(chǎn)設(shè)備和組件。接下來，還需要進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)，以確保通信系統(tǒng)的正常運行和網(wǎng)絡(luò)安全。通過實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，生產(chǎn)企業(yè)的維保人員可以及時發(fā)現(xiàn)問題并采取有效措施加以解決，確保生產(chǎn)線的持續(xù)穩(wěn)定運行^[15]。總的來說，離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的應(yīng)用，需要綜合考慮多個因素，通過科學(xué)合理的規(guī)劃和實施方案，才能驗證出高效可靠的通信配置參數(shù)。

內(nèi)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(shè)備，5G網(wǎng)關(guān)接入5GCPE，可以實現(xiàn)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(shè)備（AGV小車）5G網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)傳輸

控制+機(jī)器人（如圖8所示）：原機(jī)器的接入組態(tài)掃描默認(rèn)時延2ms通過5G無線網(wǎng)關(guān)，接入離線的5G專網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行替換有線以太網(wǎng)，機(jī)器人能接收實時的指令，執(zhí)行高精度的操作，改善了效率；同時，機(jī)器人也可以實時反饋操作信息，提供數(shù)據(jù)支持。

圖8 機(jī)器人5G網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)傳輸

傳感器和檢測設(shè)備（如圖9所示）：異構(gòu)復(fù)合數(shù)據(jù)傳輸傳感器及檢測設(shè)備通過不同傳輸介質(zhì)，其進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后接入5G網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)線上的傳感器和檢測設(shè)備可以在極短的時間內(nèi)將搜集到的信息傳回，支持對生產(chǎn)過程的周邊環(huán)境設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控和調(diào)整。

圖9 傳感設(shè)備5G網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)傳輸

生產(chǎn)設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備如加工機(jī)床、裝配設(shè)備等，也可以通過連接5G網(wǎng)關(guān)，接入5GCPE，接入5G核心網(wǎng)，進(jìn)行任務(wù)派送排程調(diào)達(dá)等。

5G設(shè)備參數(shù)：pRRU皮基站通訊頻率等選定，如表1所示；核心網(wǎng)IP設(shè)定如表2所示；設(shè)備數(shù)據(jù)需求劃分如表3所示。

表1 離線5G實踐基站參數(shù)配置

表2 離線5G專網(wǎng)IP設(shè)定

表3 自動化產(chǎn)線各類設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量需求劃分

4.3　關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

離線5G通訊在自動化生產(chǎn)線中離不開以下關(guān)鍵的技術(shù)：

（1）雙發(fā)選收：5G+實時控制，在自動化產(chǎn)線中對低延遲的需求極高，達(dá)毫秒級以上。故使用雙發(fā)選收技術(shù)，可以通過增加發(fā)射和接收的數(shù)量，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，減小通信延遲，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

（2）動態(tài)自組網(wǎng)：離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)具備動態(tài)自組網(wǎng)的能力，即在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時，節(jié)點能夠自動進(jìn)行重新組織和鏈接，以保持網(wǎng)絡(luò)的有效運行。

（3）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合：離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)具備異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的能力，即能夠?qū)⒉煌愋偷臒o線網(wǎng)絡(luò)（如Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等）無縫地融合在一起，以實現(xiàn)高效的通信。

（4）動態(tài)資源調(diào)度：離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)具備動態(tài)資源調(diào)度的能力，即根據(jù)用戶的實時需求，動態(tài)地分配網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量要求。

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

4.4　應(yīng)用性能效果分析與優(yōu)化

自動化生產(chǎn)線中其網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量是非常高，故對5G的通訊質(zhì)量及速率的優(yōu)化是非常重要的。下面是一些性能指標(biāo)要求和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率：數(shù)據(jù)傳輸速率是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要因素。如果速率過慢，可能會導(dǎo)致生產(chǎn)線的連接設(shè)備掉線、設(shè)備故障，因此可以通過增加信道帶寬、提高發(fā)射功率、雙發(fā)選收等方法來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，其次再在設(shè)備端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置設(shè)定（如圖10所示）。

參數(shù)優(yōu)化：PLC配置修改，PLC設(shè)備組態(tài)update time →set update time manualiy: 8.000ms；accepted update cycles without io data: 3；watchdog time: 24ms。

圖10 機(jī)器人修改掃描周期為8ms

在離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)性能測試：

對特定端進(jìn)行PING包長時測試雙發(fā)選收5G網(wǎng)絡(luò)時延≤20ms的比例達(dá)100%，基本滿足工業(yè)設(shè)備需求（更新周期8×3），可用于工業(yè)生產(chǎn)場景。

5G網(wǎng)絡(luò)運行約11天，期間非安全類I/O和機(jī)器人設(shè)備一直在線，未發(fā)現(xiàn)掉線如表4所示。

表4 5G現(xiàn)場網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量時延、丟包率、穩(wěn)定性

（2）網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍：網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是指離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)能夠覆蓋的地理區(qū)域。如果覆蓋范圍不夠廣，會導(dǎo)致某些區(qū)域無法接收到信號，因此可以通過增加基站數(shù)量、優(yōu)化天線布局、調(diào)整發(fā)射功率等方法來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。如圖11所示，廣州明珞黃埔CPS創(chuàng)新中心的5G信號強(qiáng)度、上下行速率均符合應(yīng)用場景要求。

圖11 自動化產(chǎn)線區(qū)域離線5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋測試

（3）數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量：數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量是指網(wǎng)絡(luò)能夠提供的服務(wù)水平，包括延遲、抖動、丟包率等因素。為滿足現(xiàn)場的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊需求，通過設(shè)置優(yōu)先級、預(yù)留帶寬、使用QoS策略等方法來提高5G數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量測試驗證如圖12所示。

圖12 離線5G網(wǎng)絡(luò)測試驗證

（4）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用：我們成功實現(xiàn)了基于離線5G通信的一體機(jī)MEC，部署了自動化產(chǎn)線的效能管理平臺如圖13所示。該系統(tǒng)可縮短生產(chǎn)線部署調(diào)試交付周期，可精準(zhǔn)快速定位生產(chǎn)線在交付前存在的問題，并給出相應(yīng)的建議解決方案；在數(shù)字孿生系統(tǒng)如圖14所示，也基于5G現(xiàn)場網(wǎng)進(jìn)行驗證，數(shù)據(jù)的傳輸也達(dá)成使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖13 效能平臺自動化產(chǎn)線的監(jiān)控

圖14 焊接工作站數(shù)字孿生系統(tǒng)

綜上所述，離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的實踐驗證結(jié)果表明，離線5G的現(xiàn)場網(wǎng)應(yīng)用是可行的，通過增加覆蓋范圍、設(shè)備參數(shù)匹配修改適配等手段，5G的工業(yè)應(yīng)用可為生產(chǎn)線的現(xiàn)場網(wǎng)提供基礎(chǔ)，簡化了現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)線路，減少了現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)線路鋪著的時間周期。此外，5G算網(wǎng)一體機(jī)MEC可以為現(xiàn)場提供極速的邊緣云應(yīng)用，例如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入、全連接工廠的打造、內(nèi)容緩存、超高帶寬內(nèi)容交付、本地業(yè)務(wù)分流、任務(wù)遷移等。這些應(yīng)用可以大大提高現(xiàn)場業(yè)務(wù)處理的效率和實時性、推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型和工業(yè)智能化的發(fā)展，達(dá)成快速交付的能力。

5　總結(jié)與展望

從本次的研究和實踐中，我們得出了一些關(guān)于離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)在自動化生產(chǎn)線交付過程中的主要研究成果：（1）成功實現(xiàn)了基于離線5G通信的自動化產(chǎn)線現(xiàn)場網(wǎng)的快速搭建快速落地的解決方案，縮短了生產(chǎn)線交付周期，達(dá)成了快速交付的能力。（2）基于離線5G通信技術(shù)實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實時調(diào)度，提升了生產(chǎn)線的智能化水平。（3）提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷方法，可以準(zhǔn)確快速地判斷生產(chǎn)線在交付前設(shè)備存在的問題，并給出相應(yīng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，以及實踐的案例過少，需要進(jìn)行更多的場景來運行測試。另外，第一點，離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)目前的設(shè)備成本較高，限制其在自動化生產(chǎn)線交付的普及應(yīng)用。我們需要研發(fā)出低成本的離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)的設(shè)備，降低部署設(shè)備成本，促進(jìn)其在自動化生產(chǎn)線交付的應(yīng)用普及。第二點，離線5G通信現(xiàn)場網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率受限，離線5G傳輸速率基本為10～20ms，最大時延達(dá)18ms甚至更高，而本方案的博途設(shè)備組態(tài)默認(rèn)掃描周期為2ms×3次，需要我們修改設(shè)備掃描周期，方可避免設(shè)備因網(wǎng)絡(luò)掉線而引發(fā)的設(shè)備故障，因此我們需要研發(fā)出更高數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)備，以適配更多的使用場景。

★廣州市產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才集聚工程項目支持：廣州市創(chuàng)新領(lǐng)軍團(tuán)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(xiàn)就職于廣州明珞裝備股份有限公司，主要從事計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)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