5G+工业互联网在钢铁行业的典型应用

5G+工业互联网在钢铁行业的典型应用2中国联合网络通信有限公司马鞍山市分公司安徽省马鞍山市243000摘要：移动网络的目标是全连接世界，产生的数据通过连接在云端构建，不断创造价值。视频领域、无人机领域、车联网、智能制造、全球物流跟踪系统、智能农业、智能电网、智慧工厂、市政抄表等，将是物联网在垂直行业的首要切入领域，都将在5G时代蓬勃发展。关键词：5GX业互联网；边缘计算平台MEC；减员增效；生产智能化。1、引言5G网络是指的第五代移动通信网络，也是4G之后的延伸，目前正处于3GPPR16版本标准研定中，与2G萌生数据、3G催生数据、4G发展数据不同，5G是跨时代的技术。5G拥有更极致的体验，例如理论下行峰值数据速率可达20Gbps，上行峰值数据速率可超过10Gbps。5G还将大大降低时延及提高整体网络效率，简化后的网络架构将提供小于5毫秒的端到端延迟以及每平方千米百万的连接数。不仅如此5G还将催生开启万物互联时代，并渗透进至各个行业，它将和大数据、云计算、人工智能等一道迎来信息通讯时代的黄金10年。2、5G性能指标相较于4G网络，在传输速率方面，5G峰值速率为10-20Gbps，提升了10-20倍，用户体验速率将达到0.1Gbps-1Gbps，提升了10-100倍。在流量密度方面，5G目标值为10Tbs/km2，提升了100倍；网络能效方面，5G提升了100倍。在连接数密度方面，5G每平方公里可联网设备的数量高达100万个，提升了10倍。在频谱效率方面，5G相对于4G提升了3-5倍；端到端时延方面，5G将达到1ms级，提升了10倍。移动性方面，5G支持时速高达500km/h的通信环境，提升了1.43倍。为了达到性能指标的要求，5G将综合运用大规模多天线技术(MassiveMIMO)、新型多址、新型信息编码、毫米波通信、超密集组网、D2D等关键技术。除此之外，5G还将引入全新的构架解决方案：允许在通用物理信息基础设施上创建一组逻辑上独立的网络，称之为“网络切片”。网络切片可以根据垂直行业的业务需求量身定制，使5G能够真正成为全社会共用的新一代信息基础设施。3、MEC边缘云技术随着数字经济的蓬勃发展，5G网络与大数据、人工智能、虚拟增强现实、边缘计算等技术深度融合，为智慧城市、社交媒体、智能制造、自动驾驶等创新业务的发展注入新活力。MEC边缘云将高带宽、低时延、本地化业务下沉到网络边缘，成为5G网络重构和数字化转型的关键利器。数以万计的边缘节点助力运营商开启与OTT及垂直行业合作的新窗口，同时也是优化5G体验的最后一公里。4、工业应用技术路径根据国家网信办关于《工业互联网发展行动计划(2018-2020年)》、《中国制造2025》的发展规划，工信部关于《“5G+工业互联网”业互联工程推进方案》的要求，结合马钢公司“绿色发展，智慧制造”战略规划，在本次应用研究中，根据应用需要，实现对主要区域的5G专用网络覆盖，使其成为对有线基础网络的有效补充及双网络备份。根据“5G+工业互联网”在钢铁行业应用的技术路径，5G网络建设总体方案如下图所示。图4-15G网络建设总体方案其中无线部分主要包括新建5G基站（宏站、室分）及5G网管。目前56应用场景包括eMBB（增强移动宽带）、uRLLC（高可靠低时延）、mMTC（海量大连接）三大类。马钢5G工业应用联合实验室已在NSA（非独立组网）模式下，成功在进行了工业部署，实现了以下功能：远端PLC和中控PLC进行双向远程通讯•在控制室对网络设备的远程操作•网络控制系统的报警和故障信号发送给控制室•控制室对网络的实时视频监控•将有线和5G进行汇聚，实现了传输网络的冗余备份通过联合实验室前期的5G工业应用实验与运行，充分证明了5G无线网络对企业智慧制造的强有力的支撑。窄带物联网（NB-IoT）是电信级广域物联网技术，具有低功耗、广覆盖、多连接等特点，目前已广泛应用于远程抄表（智能水表、智能电表、智能燃气等）、智能路灯、资产跟踪、智能锁、智能停车、智能消防栓等领域。根据5G网络的特性，为满足现场数据回传的低延时性、可靠性、安全性要求，保证工业现场数据不出园区，工业企业数据中心部署一套MEC设备，实现对接入前端的应用识别，同时MEC交换设备作为企业BGPMPLS承载网的CE接入企业承载网，满足企业承载网数据传输要求。终端设备通过有线或无线的方式连接CPE设备，与5G基站进行通讯，将终端设备数据汇聚到边缘服务器，通过MEC进行解析，把数据传送到上层云平台进行存储和展示。上层组态数据需要反馈到终端设备时，可以直接下达指令，5G网络完成满足其低时延需求。驻外机构也可以通过5G核心网访问企业内部数据。采用5G与NB-IoT互补结合的方式进行组网，针对不同典型工业场景进行基站建设，各类前端设备通过自带模组或外接CPE的方式无线连接到基站，实现“5G+工业互联网”的应用，网络拓扑如下：图4-25G+NB-IoT工业应用专用网络拓扑图对带宽需求大、实时性要求高的采用5G传输，如控制系统、视频系统等；对于带宽需求低、实时性要求不是很高的采用NB-IoT传输，如仪表数据采集、设备状态检测等。利用运营商网络频谱及运营优势，针对钢铁行业等工业应用场景，建设“专建专维•专用专享”的5G企业专网，提供具有确定性QoS保障、数据不出园区

的安全独立专网。根据产线接入需要建设若干个基站，在马钢网络边缘处部署MEC,使得该网络成为马钢5G工业专用网络，内部数据不出外网，提高数据安全性。5G古FZ谖此iJW.由.技旦丑W.BS.上T中呵胃:AMF.qEMF5G古FZ谖此iJW.由.技旦丑W.BS.上T中呵胃:AMF.qEMFf@Rg:UMNSWIK.9EltH^3¥FIT.BB.却啊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歪悻吕FAP］境串谨宝■企吐国区带牌化谥堆无抵事单精钮昆酒S-GMWaW专河业务陪唯有帔一体化交甘图3-35G专网整体解决方案5、典型工业场景利用马钢5G高质量网络为马钢提供资源保障服务，全套核心网下沉，独立组网，在马钢园区独立建设5G核心网物理专网，与公众网络基本完全隔离，安全性更高。工「用IS曲曜帔留说asara#焉TsasiuiJi■*工「用IS曲曜帔留说asara#焉TsasiuiJi■*娜？=黄5厦测料厂堆畋料剧泥人俾LIff-■㈢。世岫RFDFSIWl*ftlRmaltfw以俐内国图5-1马钢5G专网场景应用马钢5G高质量专网的使用可以实现厂区视频数据和性能数据实时回传到数据监控中心，实现故障预测和环境监测；通过5G完成各系统的关键控制信号连锁，动态计算每台堆/取料机准确行走位置和悬臂回转及附仰的空间位置，实现料厂堆取料机无人化；通过5G通讯将行车车载系统控制信号与库区管理系统连锁，协同完成行车的各项作业，实现板坯库天车无人驾驶；视频及HMI控制信号全部使用5G通信，在高带宽和低时延的保证下，实现远程操作；5G专网全面替代现有Wifi无线及部分IP有线网络，通过强大的信息采集集成整合能力，将信息化和智能化融入生产环节，实现物料跟踪系统。5.1港务料总厂5G远程操控马钢钢材生产的原料大量从海外购买，海外原料到达港口后，通过大型输送皮带、输送机、巷道到达料棚，由料棚中堆取料机、移动小车等设备对原料进行存储、转运、均化。港务料厂装备有大量移动设备，分布在115万平方米区域内，现场视频监控信号及控制信号的传输量巨大，有线网络路径复杂、施工量大、维护成本高，移动设备的控制信号WiFi传输容易受干扰、时延不稳定、性能受限；单路网络不够可靠，单点故障即可造成整体停运。各控制系统信号连锁复杂，协同控制困难;设备的巡检工作依靠人工，而现场环境复杂、煤矿浮尘较多、危险程度高，设备故障处理不及时将造成间接经济损失。运用5G技术可将大量视频信号、控制信号、设备状态等实现远程无线传输，并保证信号传输的低延迟、大带宽的高质量要求。图5-2料厂5G拓扑图1）矿槽远程操控通过在移动布料车上部署摄像头，将视频信号接入5G网络，同时将控制系统与HMI操作界面通讯接入56,将现场操作工从污染严重的环境中撤下来，实现在中控室通过监控布料设备的运转状态和电气信号完成远程操控。2）堆取料机远程操作控通过5G完成各系统关键控制信号连锁，动态计算每台堆/取料机准确行走位置、悬臂回转及俯仰的空间位置，根据来料信号、取料信号、料堆高度等实际情况来调整各台堆、取料机启停、俯仰角度、行走位置等控制。当计算结果发现有碰撞可能性时，发出报警信号，引起有关操作人员的注意，如果相邻堆/取料机间距继续减小，则发出紧急停车信号，堆/取料机自动停止。提高控制自动化程度，降低操作工劳动强度，实现堆取料机远程操作。5.2炼铁总厂大型旋转设备故障预测性维护大型旋转类设备是钢铁企业的关键性咽喉设备,它们以转子及其它回转部件作为工作的主体。在马钢厂区中,TRT透平电机、高炉鼓风机、主抽风机、除尘风机等占所有设备的比重较大，一旦发生故障，将给企业财产甚至工人生命带来难以估量的损失和伤害，所以大型旋转类设备故障预测性维护系统也是科技工作者愈来愈关心的问题。大型旋转设备运行环境复杂，设备故障点多且不易控制，点检劳动强度大，需要大量的点检人员，不能准确、及时的评估设备的当前运行状态，检测出设备异常时已为设备故障晚期。机组运行数据和过程数据较多，重要机械部件缺乏有效监测手段，缺乏统一、可靠的设备管理体系和平台，数据对比分析困难，后期维修困难。例如，炼铁总厂南区4#TRT在2016年9月并网发电以来，设备可开动率仅为84.09%。利用本次5GX业互联网高质量网络的建设，发挥5G网络大带宽、低时延的特性，通过5G无线网络的接入，部署大量5G传感器，采用5G组网具有布网快捷、经济性好的优点，为连续生产提供保障。建设炼铁总厂南区4#TRT故障预测性维护系统将工艺设备数据、人员信息、环境监测数据回传后台，建立“设备-人员-环境”多维综合分析预警模型，通过“智慧检修诊断”核心业务系统，确保设备故障告警、工况劣化预警、环境安全预警、作业安全防护等过程监管，将设备智慧维护落地，部署生产过程信息采集和监视、趋势分析、历史回放、报警统计、综合报表等功能。从事前预测、事中指导和事后分析三个角度优化TRT设备的检修模式，最后利用在线远程监视来代替人工现场巡检，最终实现TRT设备的预测性维护，减少设备非计划停机，延长重资产的使用寿命，降低设备维护的安全风险，降低设备资源的维护成本，后续将TRT设备故障预测性维护系统的应用推广到马钢其他大型旋转设备，促进企业管理智能化跃升。图5-3TRT智慧检测诊断平台5.3行车5G+无人驾驶行车应用在生产线上应用广泛，存在很多高频率且结合生产工艺的使用场合，如轧制工艺衔接、仓储物流、液态吊、抓渣等，涵盖炼钢、炼铁、轧制等众多场景。目前钢铁行业部分炼钢、炼铁、轧制流程仍采用人工处理，由于现场作业伴随着高风险、高强度的人身安全隐患。例如：1）顶吹炉液体吊行车的操控均为人工操作，现由两人合作完成，分别在行车上负责驾驶舱和地面负责副钩与钢包悬挂配合，使得液体吊可以顺利倾倒镍液。镍液温度高达1200〜1300摄氏度，致操作过程存在安全隐患。2）在成品库车间中，行车使用作业流程包括：产成品的下线抓取；成品库的倒垛；出库等。现场人员在行车吊台控制室进行操作，操作室操作的工作空间狭小，工作环境相对恶劣，无高清视频监控，对操作人员的经验和熟练度依赖程度高。本场景重点应用于在热轧板坯库中。热轧板坯库行车与各系统间无法实现无线通讯，板坯的下线入库和上线出库都需要人工盘库确认，行车吊装过程中需要由人工使用对讲进行联系。人员操作环境较恶劣，操作过程重复性高，工作时间长。目前行车的信息化、自动化程度低，主要通过现场人工操作，行车操作的工作环境相对恶劣，便捷性差，人力投入大，存在较高人员作业安全隐患，且控制平台、自动化操作系统不成熟。可借助5G网络推动行车设备的自动化改造，对行车设备进行精准化管理，实现：1）通过5G网络大带宽特点，实现无人行车高清视频实时传输的应用；2）通过5G网络低时延技术，实现无人行车智能控制流程的实时对接；马钢板坯库接收来自连铸工序的冷、热连铸板坯，实施板坯入库管理，按照轧制计划中的轧制顺序，实施板坯出库管理。受项目建设时技术条件限制，行车与各系统间未能实现无线通讯。板坯的下线入库需要频繁的进行盘库，上线也需要操作人员人工进行出库操作才能保证库区管理系统中的板坯数量的准确。另外，行车吊装过程需使用人工对讲系统建立行车与地面的联系。图5-21板坯库行车平面图马钢板坯库行车无人化管理。利用本次5G工业互联网高质量网络的建设，通过5G网络替代原有的有线网络，将行车车载系统控制信号与库区管理系统连锁，协同完成行车的各项作业。实现库区管理系统的高效运行，板坯数据自动更新、无需人工盘库和操作出库，吊装过程自动完成连锁，释放人力资源。本次项目以5G网络为基础，以信息物理系统为框架，通过工业互联网、移动边缘计算、人工智能等的创新应用，结合立体库区建设，实现天车运行、管理无人化，包含无人天车改造及控制系统、天车管理控制系统、智能调度系统四个方面。1）无人天车及控制系统能够实现吊运工具快速稳定化控制与车辆精准定位，对天车XYZ轴进行实时检测，改造原来的天车防撞系统，增加天车称重系统；2）天车管理控制系统能够实现自动吊运路径规划与控制功能以及物料信息管理功能；3）智能调度系统利用动态建模和智能调度算法完成多车自动调度、行进路径优化的控制，达到天车最优化运行和最大效率运行。4）调度中心可全程监控无人天车