5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵行業(yè)的典型應用

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵行業(yè)的典型應用2中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司馬鞍山市分公司安徽省馬鞍山市243000摘要：移動網(wǎng)絡的目標是全連接世界，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過連接在云端構(gòu)建，不斷創(chuàng)造價值。視頻領(lǐng)域、無人機領(lǐng)域、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造、全球物流跟蹤系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)、智能電網(wǎng)、智慧工廠、市政抄表等，將是物聯(lián)網(wǎng)在垂直行業(yè)的首要切入領(lǐng)域，都將在5G時代蓬勃發(fā)展。關(guān)鍵詞：5GX業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；邊緣計算平臺MEC；減員增效；生產(chǎn)智能化。1、引言5G網(wǎng)絡是指的第五代移動通信網(wǎng)絡，也是4G之后的延伸，目前正處于3GPPR16版本標準研定中，與2G萌生數(shù)據(jù)、3G催生數(shù)據(jù)、4G發(fā)展數(shù)據(jù)不同，5G是跨時代的技術(shù)。5G擁有更極致的體驗，例如理論下行峰值數(shù)據(jù)速率可達20Gbps，上行峰值數(shù)據(jù)速率可超過10Gbps。5G還將大大降低時延及提高整體網(wǎng)絡效率，簡化后的網(wǎng)絡架構(gòu)將提供小于5毫秒的端到端延遲以及每平方千米百萬的連接數(shù)。不僅如此5G還將催生開啟萬物互聯(lián)時代，并滲透進至各個行業(yè)，它將和大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等一道迎來信息通訊時代的黃金10年。2、5G性能指標相較于4G網(wǎng)絡，在傳輸速率方面，5G峰值速率為10-20Gbps，提升了10-20倍，用戶體驗速率將達到0.1Gbps-1Gbps，提升了10-100倍。在流量密度方面，5G目標值為10Tbs/km2，提升了100倍；網(wǎng)絡能效方面，5G提升了100倍。在連接數(shù)密度方面，5G每平方公里可聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量高達100萬個，提升了10倍。在頻譜效率方面，5G相對于4G提升了3-5倍；端到端時延方面，5G將達到1ms級，提升了10倍。移動性方面，5G支持時速高達500km/h的通信環(huán)境，提升了1.43倍。為了達到性能指標的要求，5G將綜合運用大規(guī)模多天線技術(shù)(MassiveMIMO)、新型多址、新型信息編碼、毫米波通信、超密集組網(wǎng)、D2D等關(guān)鍵技術(shù)。除此之外，5G還將引入全新的構(gòu)架解決方案：允許在通用物理信息基礎(chǔ)設施上創(chuàng)建一組邏輯上獨立的網(wǎng)絡，稱之為“網(wǎng)絡切片”。網(wǎng)絡切片可以根據(jù)垂直行業(yè)的業(yè)務需求量身定制，使5G能夠真正成為全社會共用的新一代信息基礎(chǔ)設施。3、MEC邊緣云技術(shù)隨著數(shù)字經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，5G網(wǎng)絡與大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬增強現(xiàn)實、邊緣計算等技術(shù)深度融合，為智慧城市、社交媒體、智能制造、自動駕駛等創(chuàng)新業(yè)務的發(fā)展注入新活力。MEC邊緣云將高帶寬、低時延、本地化業(yè)務下沉到網(wǎng)絡邊緣，成為5G網(wǎng)絡重構(gòu)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵利器。數(shù)以萬計的邊緣節(jié)點助力運營商開啟與OTT及垂直行業(yè)合作的新窗口，同時也是優(yōu)化5G體驗的最后一公里。4、工業(yè)應用技術(shù)路徑根據(jù)國家網(wǎng)信辦關(guān)于《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃(2018-2020年)》、《中國制造2025》的發(fā)展規(guī)劃，工信部關(guān)于《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”業(yè)互聯(lián)工程推進方案》的要求，結(jié)合馬鋼公司“綠色發(fā)展，智慧制造”戰(zhàn)略規(guī)劃，在本次應用研究中，根據(jù)應用需要，實現(xiàn)對主要區(qū)域的5G專用網(wǎng)絡覆蓋，使其成為對有線基礎(chǔ)網(wǎng)絡的有效補充及雙網(wǎng)絡備份。根據(jù)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在鋼鐵行業(yè)應用的技術(shù)路徑，5G網(wǎng)絡建設總體方案如下圖所示。圖4-15G網(wǎng)絡建設總體方案其中無線部分主要包括新建5G基站（宏站、室分）及5G網(wǎng)管。目前56應用場景包括eMBB（增強移動寬帶）、uRLLC（高可靠低時延）、mMTC（海量大連接）三大類。馬鋼5G工業(yè)應用聯(lián)合實驗室已在NSA（非獨立組網(wǎng)）模式下，成功在進行了工業(yè)部署，實現(xiàn)了以下功能：遠端PLC和中控PLC進行雙向遠程通訊?在控制室對網(wǎng)絡設備的遠程操作?網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的報警和故障信號發(fā)送給控制室?控制室對網(wǎng)絡的實時視頻監(jiān)控?將有線和5G進行匯聚，實現(xiàn)了傳輸網(wǎng)絡的冗余備份通過聯(lián)合實驗室前期的5G工業(yè)應用實驗與運行，充分證明了5G無線網(wǎng)絡對企業(yè)智慧制造的強有力的支撐。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是電信級廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、廣覆蓋、多連接等特點，目前已廣泛應用于遠程抄表（智能水表、智能電表、智能燃氣等）、智能路燈、資產(chǎn)跟蹤、智能鎖、智能停車、智能消防栓等領(lǐng)域。根據(jù)5G網(wǎng)絡的特性，為滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)回傳的低延時性、可靠性、安全性要求，保證工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)不出園區(qū)，工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)中心部署一套MEC設備，實現(xiàn)對接入前端的應用識別，同時MEC交換設備作為企業(yè)BGPMPLS承載網(wǎng)的CE接入企業(yè)承載網(wǎng)，滿足企業(yè)承載網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸要求。終端設備通過有線或無線的方式連接CPE設備，與5G基站進行通訊，將終端設備數(shù)據(jù)匯聚到邊緣服務器，通過MEC進行解析，把數(shù)據(jù)傳送到上層云平臺進行存儲和展示。上層組態(tài)數(shù)據(jù)需要反饋到終端設備時，可以直接下達指令，5G網(wǎng)絡完成滿足其低時延需求。駐外機構(gòu)也可以通過5G核心網(wǎng)訪問企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)。采用5G與NB-IoT互補結(jié)合的方式進行組網(wǎng)，針對不同典型工業(yè)場景進行基站建設，各類前端設備通過自帶模組或外接CPE的方式無線連接到基站，實現(xiàn)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的應用，網(wǎng)絡拓撲如下：圖4-25G+NB-IoT工業(yè)應用專用網(wǎng)絡拓撲圖對帶寬需求大、實時性要求高的采用5G傳輸，如控制系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等；對于帶寬需求低、實時性要求不是很高的采用NB-IoT傳輸，如儀表數(shù)據(jù)采集、設備狀態(tài)檢測等。利用運營商網(wǎng)絡頻譜及運營優(yōu)勢，針對鋼鐵行業(yè)等工業(yè)應用場景，建設“專建專維?專用專享”的5G企業(yè)專網(wǎng)，提供具有確定性QoS保障、數(shù)據(jù)不出園區(qū)

的安全獨立專網(wǎng)。根據(jù)產(chǎn)線接入需要建設若干個基站，在馬鋼網(wǎng)絡邊緣處部署MEC,使得該網(wǎng)絡成為馬鋼5G工業(yè)專用網(wǎng)絡，內(nèi)部數(shù)據(jù)不出外網(wǎng)，提高數(shù)據(jù)安全性。5G古FZ諼此iJW.由.技旦丑W.BS.上T中呵胃:AMF.qEMF5G古FZ諼此iJW.由.技旦丑W.BS.上T中呵胃:AMF.qEMFf@Rg:UMNSWIK.9EltH^3￥FIT.BB.卻啊A,趾坷?W!?RW.JP?H18F*用夫目革地灰?#!?!&*=陌.酹言.女由岑一障Knmiflp.^p.霍SWttHr歪悻呂FAP］境串謹寶■企吐國區(qū)帶牌化謚堆無抵事單精鈕昆酒S-GMWaW專河業(yè)務陪唯有帔一體化交甘圖3-35G專網(wǎng)整體解決方案5、典型工業(yè)場景利用馬鋼5G高質(zhì)量網(wǎng)絡為馬鋼提供資源保障服務，全套核心網(wǎng)下沉，獨立組網(wǎng)，在馬鋼園區(qū)獨立建設5G核心網(wǎng)物理專網(wǎng)，與公眾網(wǎng)絡基本完全隔離，安全性更高。工「用IS曲曜帔留說asara#焉TsasiuiJi■*工「用IS曲曜帔留說asara#焉TsasiuiJi■*娜？=黃5廈測料廠堆畋料劇泥人俾LIff-■㈢。世岫RFDFSIWl*ftlRmaltfw以俐內(nèi)國圖5-1馬鋼5G專網(wǎng)場景應用馬鋼5G高質(zhì)量專網(wǎng)的使用可以實現(xiàn)廠區(qū)視頻數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)實時回傳到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，實現(xiàn)故障預測和環(huán)境監(jiān)測；通過5G完成各系統(tǒng)的關(guān)鍵控制信號連鎖，動態(tài)計算每臺堆/取料機準確行走位置和懸臂回轉(zhuǎn)及附仰的空間位置，實現(xiàn)料廠堆取料機無人化；通過5G通訊將行車車載系統(tǒng)控制信號與庫區(qū)管理系統(tǒng)連鎖，協(xié)同完成行車的各項作業(yè)，實現(xiàn)板坯庫天車無人駕駛；視頻及HMI控制信號全部使用5G通信，在高帶寬和低時延的保證下，實現(xiàn)遠程操作；5G專網(wǎng)全面替代現(xiàn)有Wifi無線及部分IP有線網(wǎng)絡，通過強大的信息采集集成整合能力，將信息化和智能化融入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)物料跟蹤系統(tǒng)。5.1港務料總廠5G遠程操控馬鋼鋼材生產(chǎn)的原料大量從海外購買，海外原料到達港口后，通過大型輸送皮帶、輸送機、巷道到達料棚，由料棚中堆取料機、移動小車等設備對原料進行存儲、轉(zhuǎn)運、均化。港務料廠裝備有大量移動設備，分布在115萬平方米區(qū)域內(nèi)，現(xiàn)場視頻監(jiān)控信號及控制信號的傳輸量巨大，有線網(wǎng)絡路徑復雜、施工量大、維護成本高，移動設備的控制信號WiFi傳輸容易受干擾、時延不穩(wěn)定、性能受限；單路網(wǎng)絡不夠可靠，單點故障即可造成整體停運。各控制系統(tǒng)信號連鎖復雜，協(xié)同控制困難;設備的巡檢工作依靠人工，而現(xiàn)場環(huán)境復雜、煤礦浮塵較多、危險程度高，設備故障處理不及時將造成間接經(jīng)濟損失。運用5G技術(shù)可將大量視頻信號、控制信號、設備狀態(tài)等實現(xiàn)遠程無線傳輸，并保證信號傳輸?shù)牡脱舆t、大帶寬的高質(zhì)量要求。圖5-2料廠5G拓撲圖1）礦槽遠程操控通過在移動布料車上部署攝像頭，將視頻信號接入5G網(wǎng)絡，同時將控制系統(tǒng)與HMI操作界面通訊接入56,將現(xiàn)場操作工從污染嚴重的環(huán)境中撤下來，實現(xiàn)在中控室通過監(jiān)控布料設備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和電氣信號完成遠程操控。2）堆取料機遠程操作控通過5G完成各系統(tǒng)關(guān)鍵控制信號連鎖，動態(tài)計算每臺堆/取料機準確行走位置、懸臂回轉(zhuǎn)及俯仰的空間位置，根據(jù)來料信號、取料信號、料堆高度等實際情況來調(diào)整各臺堆、取料機啟停、俯仰角度、行走位置等控制。當計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)有碰撞可能性時，發(fā)出報警信號，引起有關(guān)操作人員的注意，如果相鄰堆/取料機間距繼續(xù)減小，則發(fā)出緊急停車信號，堆/取料機自動停止。提高控制自動化程度，降低操作工勞動強度，實現(xiàn)堆取料機遠程操作。5.2煉鐵總廠大型旋轉(zhuǎn)設備故障預測性維護大型旋轉(zhuǎn)類設備是鋼鐵企業(yè)的關(guān)鍵性咽喉設備,它們以轉(zhuǎn)子及其它回轉(zhuǎn)部件作為工作的主體。在馬鋼廠區(qū)中,TRT透平電機、高爐鼓風機、主抽風機、除塵風機等占所有設備的比重較大，一旦發(fā)生故障，將給企業(yè)財產(chǎn)甚至工人生命帶來難以估量的損失和傷害，所以大型旋轉(zhuǎn)類設備故障預測性維護系統(tǒng)也是科技工作者愈來愈關(guān)心的問題。大型旋轉(zhuǎn)設備運行環(huán)境復雜，設備故障點多且不易控制，點檢勞動強度大，需要大量的點檢人員，不能準確、及時的評估設備的當前運行狀態(tài)，檢測出設備異常時已為設備故障晚期。機組運行數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)較多，重要機械部件缺乏有效監(jiān)測手段，缺乏統(tǒng)一、可靠的設備管理體系和平臺，數(shù)據(jù)對比分析困難，后期維修困難。例如，煉鐵總廠南區(qū)4#TRT在2016年9月并網(wǎng)發(fā)電以來，設備可開動率僅為84.09%。利用本次5GX業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量網(wǎng)絡的建設，發(fā)揮5G網(wǎng)絡大帶寬、低時延的特性，通過5G無線網(wǎng)絡的接入，部署大量5G傳感器，采用5G組網(wǎng)具有布網(wǎng)快捷、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，為連續(xù)生產(chǎn)提供保障。建設煉鐵總廠南區(qū)4#TRT故障預測性維護系統(tǒng)將工藝設備數(shù)據(jù)、人員信息、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳后臺，建立“設備-人員-環(huán)境”多維綜合分析預警模型，通過“智慧檢修診斷”核心業(yè)務系統(tǒng)，確保設備故障告警、工況劣化預警、環(huán)境安全預警、作業(yè)安全防護等過程監(jiān)管，將設備智慧維護落地，部署生產(chǎn)過程信息采集和監(jiān)視、趨勢分析、歷史回放、報警統(tǒng)計、綜合報表等功能。從事前預測、事中指導和事后分析三個角度優(yōu)化TRT設備的檢修模式，最后利用在線遠程監(jiān)視來代替人工現(xiàn)場巡檢，最終實現(xiàn)TRT設備的預測性維護，減少設備非計劃停機，延長重資產(chǎn)的使用壽命，降低設備維護的安全風險，降低設備資源的維護成本，后續(xù)將TRT設備故障預測性維護系統(tǒng)的應用推廣到馬鋼其他大型旋轉(zhuǎn)設備，促進企業(yè)管理智能化躍升。圖5-3TRT智慧檢測診斷平臺5.3行車5G+無人駕駛行車應用在生產(chǎn)線上應用廣泛，存在很多高頻率且結(jié)合生產(chǎn)工藝的使用場合，如軋制工藝銜接、倉儲物流、液態(tài)吊、抓渣等，涵蓋煉鋼、煉鐵、軋制等眾多場景。目前鋼鐵行業(yè)部分煉鋼、煉鐵、軋制流程仍采用人工處理，由于現(xiàn)場作業(yè)伴隨著高風險、高強度的人身安全隱患。例如：1）頂吹爐液體吊行車的操控均為人工操作，現(xiàn)由兩人合作完成，分別在行車上負責駕駛艙和地面負責副鉤與鋼包懸掛配合，使得液體吊可以順利傾倒鎳液。鎳液溫度高達1200?1300攝氏度，致操作過程存在安全隱患。2）在成品庫車間中，行車使用作業(yè)流程包括：產(chǎn)成品的下線抓?。怀善穾斓牡苟?；出庫等?，F(xiàn)場人員在行車吊臺控制室進行操作，操作室操作的工作空間狹小，工作環(huán)境相對惡劣，無高清視頻監(jiān)控，對操作人員的經(jīng)驗和熟練度依賴程度高。本場景重點應用于在熱軋板坯庫中。熱軋板坯庫行車與各系統(tǒng)間無法實現(xiàn)無線通訊，板坯的下線入庫和上線出庫都需要人工盤庫確認，行車吊裝過程中需要由人工使用對講進行聯(lián)系。人員操作環(huán)境較惡劣，操作過程重復性高，工作時間長。目前行車的信息化、自動化程度低，主要通過現(xiàn)場人工操作，行車操作的工作環(huán)境相對惡劣，便捷性差，人力投入大，存在較高人員作業(yè)安全隱患，且控制平臺、自動化操作系統(tǒng)不成熟。可借助5G網(wǎng)絡推動行車設備的自動化改造，對行車設備進行精準化管理，實現(xiàn)：1）通過5G網(wǎng)絡大帶寬特點，實現(xiàn)無人行車高清視頻實時傳輸?shù)膽茫?）通過5G網(wǎng)絡低時延技術(shù)，實現(xiàn)無人行車智能控制流程的實時對接；馬鋼板坯庫接收來自連鑄工序的冷、熱連鑄板坯，實施板坯入庫管理，按照軋制計劃中的軋制順序，實施板坯出庫管理。受項目建設時技術(shù)條件限制，行車與各系統(tǒng)間未能實現(xiàn)無線通訊。板坯的下線入庫需要頻繁的進行盤庫，上線也需要操作人員人工進行出庫操作才能保證庫區(qū)管理系統(tǒng)中的板坯數(shù)量的準確。另外，行車吊裝過程需使用人工對講系統(tǒng)建立行車與地面的聯(lián)系。圖5-21板坯庫行車平面圖馬鋼板坯庫行車無人化管理。利用本次5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量網(wǎng)絡的建設，通過5G網(wǎng)絡替代原有的有線網(wǎng)絡，將行車車載系統(tǒng)控制信號與庫區(qū)管理系統(tǒng)連鎖，協(xié)同完成行車的各項作業(yè)。實現(xiàn)庫區(qū)管理系統(tǒng)的高效運行，板坯數(shù)據(jù)自動更新、無需人工盤庫和操作出庫，吊裝過程自動完成連鎖，釋放人力資源。本次項目以5G網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，以信息物理系統(tǒng)為框架，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動邊緣計算、人工智能等的創(chuàng)新應用，結(jié)合立體庫區(qū)建設，實現(xiàn)天車運行、管理無人化，包含無人天車改造及控制系統(tǒng)、天車管理控制系統(tǒng)、智能調(diào)度系統(tǒng)四個方面。1）無人天車及控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)吊運工具快速穩(wěn)定化控制與車輛精準定位，對天車XYZ軸進行實時檢測，改造原來的天車防撞系統(tǒng)，增加天車稱重系統(tǒng)；2）天車管理控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動吊運路徑規(guī)劃與控制功能以及物料信息管理功能；3）智能調(diào)度系統(tǒng)利用動態(tài)建模和智能調(diào)度算法完成多車自動調(diào)度、行進路徑優(yōu)化的控制，達到天車最優(yōu)化運行和最大效率運行。4）調(diào)度中心可全程監(jiān)控無人天車