一種基于5G中臺(tái)的高端能源裝備智慧服務(wù)

陶茂坤，任騁

（中移（上海）信息通信科技有限公司，上海，200120）

1 基于5G智慧中臺(tái)的項(xiàng)目方案

■1.1 設(shè)計(jì)理念

東方電氣在電氣制造領(lǐng)域深耕多年，通過5G+邊緣計(jì)算+邊云協(xié)同打造高端制造平臺(tái)，將多年對行業(yè)的理解轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)具體的產(chǎn)品，為豐富的上下游行業(yè)客戶提供價(jià)值，解決痛點(diǎn)。通過5G技術(shù)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)軟件、控制系統(tǒng)融合。以數(shù)據(jù)為手段打通從廠內(nèi)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)到產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維再反饋到研發(fā)設(shè)計(jì)的全生命周期閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)支撐全流程的協(xié)同制造，完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)的一體化采集、存儲(chǔ)與關(guān)聯(lián)整合。

■1.2 開發(fā)策略

根據(jù)當(dāng)前5G應(yīng)用成熟度及東電情況，打造5G先進(jìn)制造應(yīng)用標(biāo)桿，解決實(shí)際生產(chǎn)問題，采用先易后難，三個(gè)階段穩(wěn)步推進(jìn)應(yīng)用部署，做到每個(gè)階段應(yīng)用價(jià)值最大化。在5G上結(jié)合AR/VR技、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)以“以移代固、機(jī)電分離、機(jī)器換人”為目標(biāo)的行業(yè)應(yīng)用“樣板房”，進(jìn)一步提高東電的綜合制造能力，全方位助力大國重器的建設(shè)。

（1）網(wǎng)絡(luò)先行

為適應(yīng)工廠生產(chǎn)環(huán)境、滿足數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)需求；為滿足二級單位與集團(tuán)之間的互聯(lián)與隔離，在東方電氣各子企業(yè)部署5G網(wǎng)絡(luò)，包括工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與工廠外網(wǎng)絡(luò)。目前東方電氣總部園區(qū)、德陽東方電機(jī)、東方汽輪機(jī)、自貢東方鍋爐等各廠區(qū)均已完成5G覆蓋，部署了宏基站及在主要生產(chǎn)車間布設(shè)了室分站進(jìn)行補(bǔ)充。

（2）平臺(tái)應(yīng)用同步走

建設(shè)廠側(cè)邊緣云平臺(tái)，提供輕量化、易于管理的運(yùn)行環(huán)境，提供設(shè)備接入、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、工業(yè)智能等能力，通過5G與集團(tuán)/二級公司云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。開發(fā)智慧應(yīng)用，包括適用于制造及服務(wù)領(lǐng)域的智慧應(yīng)用。包括發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和趨勢預(yù)警；設(shè)備故障預(yù)測與診斷；焊機(jī)監(jiān)控；遠(yuǎn)程對刀監(jiān)控；電子圍欄；能效管理等。

（3）模組部署

5G工業(yè)終端模組完成開發(fā)后，部署至風(fēng)電場、電廠等業(yè)主單位以及車間、園區(qū)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，結(jié)合邊緣云、混合云提供智慧服務(wù)或進(jìn)行制造過程監(jiān)控管理等。

■1.3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.3.1 5G專網(wǎng)部署

（1）在園區(qū)部署5G基站，開通2.6G(接入個(gè)人、管理類業(yè)務(wù))、4.9G（接入機(jī)器設(shè)備類業(yè)務(wù)）,實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備與個(gè)人設(shè)備隔離接入；

（2）個(gè)人上網(wǎng)業(yè)務(wù)，接入5G后，直接通過大區(qū)5G傳入互聯(lián)網(wǎng)；

（3）管理類業(yè)務(wù)（如移動(dòng)OA、WMS倉儲(chǔ)系統(tǒng)）、機(jī)器設(shè)備類業(yè)務(wù)，由MEC進(jìn)行URL區(qū)分，判斷為內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)，回傳至企業(yè)內(nèi)網(wǎng)；

（4）個(gè)人、管理類業(yè)務(wù)占用2.6G頻段，共用同一張SIM卡；機(jī)器類設(shè)備使用專網(wǎng)流量卡，獨(dú)占4.9G頻段。

圖1 基于5G智慧中臺(tái)的智能制造與智慧服務(wù)設(shè)計(jì)

圖2 東方電氣總體方案部署

1.3.2 生產(chǎn)管理APP接入

用MEC對內(nèi)外網(wǎng)APP進(jìn)行區(qū)分，將內(nèi)網(wǎng)APP的URL提前錄入到MEC中，通過與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)預(yù)留的IP與MEC進(jìn)行對接，打通企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。當(dāng)有應(yīng)用接入時(shí)，由MEC策略判斷該應(yīng)用是否為內(nèi)網(wǎng)地址，外網(wǎng)APP通過大區(qū)5G傳到互聯(lián)網(wǎng)出口，內(nèi)網(wǎng)APP由辦公網(wǎng)入口回傳到企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，形成內(nèi)部數(shù)據(jù)閉環(huán)。

圖3 東方電氣智慧服務(wù)整體部署

1.3.3 5G+智慧風(fēng)電

5G切片以及邊緣計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組對穩(wěn)定低時(shí)延的數(shù)采需求。為了合理地運(yùn)營和完善地維護(hù)風(fēng)電場，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率和可靠性，對每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況的監(jiān)測必不可少。上圖是智慧風(fēng)電數(shù)采的簡單架構(gòu)。

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集目標(biāo)設(shè)備為東方電氣2.5MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的主控制器，使用標(biāo)準(zhǔn)PLC，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus/TCP通信，可通過網(wǎng)口直接對設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)數(shù)采。PLC中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期為10ms，理想情況下應(yīng)能通過網(wǎng)關(guān)無損失地透傳到大數(shù)據(jù)平臺(tái)，主要模式如下：PLC作為標(biāo)準(zhǔn)Modbus/TCP的服務(wù)器，邊緣網(wǎng)關(guān)采集頻率以1s為周期，作為客戶端從PLC中周期性獲取批量打包數(shù)據(jù)，在邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備上進(jìn)行解析、拼接和邊緣計(jì)算。除PLC數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集外，本平臺(tái)基于5G網(wǎng)絡(luò)，通過打造軟硬件一體化平臺(tái)的方式，實(shí)現(xiàn)螺栓、葉片智能監(jiān)測功能。

1.3.4 5G+AR遠(yuǎn)程運(yùn)維

傳統(tǒng)工業(yè)運(yùn)維手段單一、耗時(shí)耗力，5G與AR眼鏡的應(yīng)用，工人在維護(hù)檢修的過程中發(fā)現(xiàn)解決不了的難題，可以通過AR智能眼鏡向數(shù)據(jù)庫發(fā)送信息，尋求遠(yuǎn)程協(xié)助解決方案；AR智能眼鏡收到并將所有信息進(jìn)行顯示，疊加在當(dāng)前場景上，近乎于“手把手”指導(dǎo)求助方做相應(yīng)操作，輕松完成任務(wù)。AR智能檢修將繁雜的工作手冊、流程圖、對講機(jī)等統(tǒng)統(tǒng)拋棄，徹底解放操作者的雙手。提高維修效率、實(shí)現(xiàn)信息互傳、增強(qiáng)應(yīng)對實(shí)際問題的處理經(jīng)驗(yàn)。

1.3.5 5G+焊接數(shù)采

東方汽輪機(jī)是水電、火電、核電等汽輪機(jī)設(shè)備的大型制造企業(yè)，在各個(gè)制造工序中存在大量焊接過程，在進(jìn)行手動(dòng)焊接時(shí)工人需要設(shè)置焊接機(jī)的工作電流和電壓，有的時(shí)候工人為了趕工期會(huì)用超過焊接標(biāo)準(zhǔn)的電流電壓焊接，此時(shí)的焊接強(qiáng)度會(huì)降低，不符合標(biāo)準(zhǔn)。目前采用巡檢方式對工人作業(yè)電流電壓進(jìn)行人工抽查，效率較低，也不能反映實(shí)際情況。因此需要遠(yuǎn)程監(jiān)控焊接機(jī)工作時(shí)的電流和電壓，利用5G+高頻數(shù)采將焊接參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)上，可以對不規(guī)范的操作進(jìn)行報(bào)警。

對東方汽輪機(jī)的生產(chǎn)和管理現(xiàn)狀，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，通過加裝數(shù)采模塊接入5G網(wǎng)絡(luò)，對焊機(jī)電源改造、升級，實(shí)現(xiàn)焊接車間數(shù)字化，部署焊接在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接過程自動(dòng)監(jiān)測與記錄，確保焊接工人按規(guī)范進(jìn)行焊接作業(yè)，提升焊接質(zhì)量。

1.3.6 5G+電子圍欄

針對智慧工廠的車間人車物安全管理規(guī)范，建設(shè)基于視覺識(shí)別對人員的安全著裝規(guī)范檢測，生產(chǎn)機(jī)械安全識(shí)別，危險(xiǎn)行為識(shí)別，危險(xiǎn)源檢測及危險(xiǎn)區(qū)域的人員誤入報(bào)警，檢測職工及作業(yè)車輛的違規(guī)離崗、違規(guī)闖入、違規(guī)停留等行為，綜合評估廠區(qū)的合規(guī)度，為企業(yè)評估安全生產(chǎn)管理狀況并采用針對性的提升方法提供精準(zhǔn)依據(jù)。

5G覆蓋可以豐富視頻終端接入地點(diǎn)和接入類型，極大提升作業(yè)效率。同時(shí)基于高端裝備制造平臺(tái)提供的連接（5G）+邊緣計(jì)算（邊緣云）+中心云能力，實(shí)現(xiàn)對車間人員的實(shí)時(shí)定位、軌跡跟蹤、跌倒監(jiān)測，以及危險(xiǎn)區(qū)域電子圍欄功能，車間工作人員從進(jìn)入車間到離開車間的每個(gè)環(huán)節(jié)都將被系統(tǒng)感知和監(jiān)測，使得監(jiān)管人員不用到現(xiàn)場巡查即可隨時(shí)獲得所有員工的位置信息、活動(dòng)軌跡、各區(qū)域人員分布情況，并預(yù)防安全隱患，實(shí)現(xiàn)人員的數(shù)字化管理，為人員管理提供了創(chuàng)新升級的模式，將大大提高人員生產(chǎn)積極性、企業(yè)生產(chǎn)效率。

1.3.7 5G+汽缸加工遠(yuǎn)程對刀

東方汽輪機(jī)廠立車加工時(shí)通過工件工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，車床及刀具小范圍位移對工件進(jìn)行切削。工件尺寸較大，加工內(nèi)容復(fù)雜，現(xiàn)場氣缸內(nèi)部有蒸汽、灰塵、光線不足等問題，加大對刀工作難度，進(jìn)而影響整體加工效率。操作需要工人多次人工對刀，工人反復(fù)攀爬，存在安全隱患，亟需相應(yīng)整體方案提升對刀效率。

該方案旨在提高整體對刀效率，減少人工操作，降低操作風(fēng)險(xiǎn)，整體操作簡單便捷，方便工人掌握。提供一套定制系統(tǒng)軟件包，能夠指引對刀，實(shí)現(xiàn)對工字槽的不同尺寸的參數(shù)化測量，通過修改指定參數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)各種的尺寸測量。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)定加工零點(diǎn)，將檢測值根據(jù)規(guī)則自動(dòng)更新至機(jī)床加工坐標(biāo)系中。同時(shí)，系統(tǒng)適配西門子數(shù)控系統(tǒng)，具備二次開發(fā)條件。

2 結(jié)束語

本文結(jié)合中移5G智慧中臺(tái)在東方電氣的建設(shè)案例，介紹了一種基于5G中臺(tái)的高端能源裝備智慧服務(wù)。在工廠園區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上，本文創(chuàng)造性地將園區(qū)應(yīng)用分為個(gè)人通信及娛樂、辦公及管理類（移動(dòng)辦公、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控等）、機(jī)器設(shè)備類三類。在5G方面，東方電氣多個(gè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)之間可以彼此聯(lián)動(dòng)，最大限度結(jié)合當(dāng)前5G的切片、邊緣計(jì)算等技術(shù)，作為先行者和試驗(yàn)田，推動(dòng)5G與電氣行業(yè)的深度融合。同時(shí)，針對工業(yè)用戶5G專網(wǎng)服務(wù)模式，將外網(wǎng)APP應(yīng)用與專網(wǎng)APP應(yīng)用商務(wù)模式通過MEC解析鏈接地址進(jìn)行區(qū)分，方便客戶根據(jù)需求選擇不同計(jì)費(fèi)，專網(wǎng)采用帶寬＊總用戶數(shù)的方式靈活定制商務(wù)模式。最后，在商業(yè)變現(xiàn)方面，該項(xiàng)目立足電氣裝備行業(yè)的需求痛點(diǎn)，通過對上下游行業(yè)客戶的深刻理解，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面的優(yōu)勢，打造高端制造工業(yè)園區(qū)平臺(tái)，不斷孵化更多的應(yīng)用。