王灵峰　陈文梁　于兴林　杨贵林

摘 要：随着汽车产业的快速发展，满足客户个性化的需求俨然已成为各车企关注的焦点，如何实现柔性化智能制造已成为全球化课题，而工业互联作为智能制造升级中的基础环节，利用5G在传输时延、网络安全、数据安全等方面具备独特优势，实现全厂快速、灵活组网将是未来智慧工厂网络典型应用。

关键词：5G专网 工厂网络 柔性制造

1 引言

工业物联网带来的制造体系的变革，柔性化生产、智慧物流、智能质检、一站式远程运维、透明化管理的核心都是数字化驱动的闭环，需要满足海量数据传输、信息流和控制流共用一张网、快速适配产线重构、远程接入等需求，因此，信息通信系统升级、建立适配工业互联网下新的网络体系显得尤为重要。

前期基于有线、WiFi、4G等技术的通信网络架构已不能满足车企研发、生产需要，存在以下痛点：一是安全生产，工厂部分生产环境、工况恶劣，设备不适宜现场调试运维，当前网络无法满足远程操控需求；二是移动性能差，汽车柔性制造与个性化定制要求生产区域智能设备灵活重构，现有网络架构不能实现快速组网与灵活调整的需求；三是网络性能差：无法满足数字驱动的优化闭环对通信的超高可靠、低时延、廣连接的需求；四是Qos保障差：信息流与控制流共用一张网，现有网络不能针对不同的业务、不同的服务，实现不同的服务质量；五是网络与计算融合能力差：汽车研发、制造海量数据的传输、异构数据的分析和存储对传统网络提出了巨大挑战。

2 建设方案

当前，5G专网进入垂直行业理论上有两大分支，一个是运营商通过网络切片技术，使用UPF分流，将用户的数据直接传送到用户的内网;另一个是国家提供专用的5G频段，用于行业用户自建5G专网。但目前国内出现的5G专网基本上采用的都是前者，如广东联通与格力、华为构建的基于MEC边缘云+智能制造领域的5G SA切片专网;山东移动与青岛港、华为打造的基于5G SA专网的智慧港口等，同时在医疗、煤矿、智能制造等垂直行业都有案例应用。

在不同的应用场景有对网络功能、系统性能、安全性、用户体验、服务质量（QoS）、时延等不同的要求。假如利用同一网络基础传输平台提供服务，网络控制系统势必变得非常复杂和难以控制，而且还会造成高额的网络维护费用和复杂的控制流程，从而加大网络的稳定性和维护的难度[1]。

2.1 5G专网建设方案

根据汽车工厂需求，运营商对厂区进行了5G企业专网网络信号基础覆盖。整体5G网络信号覆盖方案按照能够满足室外和室内两方面进行建设。室外建设主要为露天场所和无人驾驶路段的5G覆盖，室内建设主要是对冲压车间、焊装车间、涂装车间、总装车间、物流中心、办公区域等的信号覆盖。

数据经由部署在园区的MEC设备进行交换，不出园区，保障数据安全。组网上，在5G通用的应用方案上根据设备通信的特性，增加L2TP隧道3GPP R16应用后，通过5G LAN特性完成二层交互。将MEC设备设置在园区的边缘机房中，统一接入运营商的5GC SA网络中进行管理和信令接续。同时满足4/5G协同，既支持5G网络，又兼顾4G LTE设备的解决方案，实现将4G和5G（NSA/SA）同时进行分流的能力。

2.2 5G LAN技术方案

特殊情况下，企业希望获得对5G网络的所有控制权、高度的可靠性、安全性、隐私性等，此时，公网无法完全满足这些特定需求。

通过5G LAN的应用，提供了企业定制化网络的自由度，根据使用场所、工作类型提供不同的配置，在隐私和安全方面都有明显的优势。二层网络的出现，让IP内部允许私有化分配，维护更简单，对接耦合更方便，应用面也更为广阔。

5G LAN应用场景贯穿了汽车制造的全过程，包括仓储物流、AGV、柔性制造、生产过程控制、机器人协作等各个环节，为构建汽车未来工厂体系建设提供技术保障。

3 应用场景

3.1 5G焊接群控系统

群控电脑IPC与焊接控制器需要实时采集数据，前期通过有线联网，部署耗时耗力，且无法灵活调整，无法快速响应柔性制造系统的频繁重构的需求。本项目利用5G即插即用的组网技术特点，实现点焊控制器的灵活部署和焊接数据的低时延回传，技术人员远程接入，提高工作效率。

通过5G技术实现焊枪群控系统无线化，实现智能设备远程、批量一站式管理：1）远程设定焊接控制器的各焊点的焊接参数；2）实时上传焊接参数和报警信息；3）远程访问、备份焊接过程参数，统计分析车辆焊接质量。

3.2 5G Vcats车载软件远程刷写

整车下线检测普遍采用VCATS电检设备实现车辆软件刷写，传统的刷写方式为一对一的在线刷写，即一台设备同时只能刷写一台车，设备利用率低。现阶段车辆ECU数量多、软件层级多、软件版本更新迭代快，单台车每分钟可达近万次的通讯，对数据通讯时延、并发要求高。单台车刷写时长超一小时，严重影响产线节拍。

5G应用场景的出现极大解决了现阶段软件刷写速度慢、无法远程化的难题，将5G场景应用到车辆软件刷写上，服务于生产，方便生产测试人员使用，降低设备成本。

通过5G网络的广连接、多并发技术可实现车间无人值守、多车同步、在途和远程刷写，极大的提升了工作效率。

3.3 5G堆垛机/穿梭车

随着生产模式的变迁，物流配送的时效性要求越来越高，堆叠机、四向穿梭车作为自动化立体库执行设备，每次取放、料都要实时与WCS仓储控制系统多次通信，其通信的可靠性对仓库运行的稳定性起到至关重要的作用。

前期使用光通信和工业WiFi进行立体库设备通信连接，存在通信不稳定、通信效率低等痛点。受直线传播和接收容差范围限制、堆垛机运行振动、安装误差等因素影响，堆垛机经常通信中断；光通信设备只支持0.5Mbit/s，无法传输视频监信号。

通过5G技术取代光通信和工业WiFi，实现立体库执行设备联网，解决物料入库、出库、盘点过程中通信问题。

3.4 5G AGV系统

AGV作为柔性化生产线（16个独立工作站组成）的一部分，负责工作站间物料转运工作，每次任务需与具体工作站控制系统实时信息交互频繁；焊装车间钢结构复杂，存在点焊、螺柱焊、激光焊、FDS、Arplas等各种大功率设备，存在各种电磁干扰，工业现场环境恶劣，采用WiFi通讯经常发生AGV小车掉线和AGV调度系统崩溃。

5G网络与现有工厂WIFI对比优势主要集中在四个方面：5G是独立的授权频道，所以抗干扰性更强；承载数据量更多，最大承载量上万，而WIFI单个AP只有30；5G具有低延时性（1-10ms），而WIFI同时连接终端数量受设备性能限制，通信受WIFI5队列通信技术限制[2]。

通过5G的应用，解决了WiFi带宽、时延等问题，全面提升AGV运行稳定性，提高AGV运行速率，从而提高生产运营效率。

3.5 5G EMS空中输送线

改造前存在两大问题：一是设备状态信息获取难，设备异常状态需维护人员攀到小车维护平台使用笔记本电脑和数据线在线监控程序；二是设备控制成本高：通过硬接线采集并控制小车，需要在PLC主控柜和小车轨道间铺设大量电缆和滑触线。

部署5G网关后，打通了小车控制器和服务器之间的数据链路，利用信息平台远程采集小车状态数据；滑触线只保留动力线，取消原有的控制电缆；利用5G网关实现了原有的功能，同时扩展了数据采集功能。

EMS線通过串口线将EMS小车控制器连接5G DTU，实现西门子PPI工业协议的透传：1）取消控制电缆，采用Profinet Over 5G &VXLAN大二层技术；2）技术人员可以远程登录控制器，实现控制程序的远程更新、调试，减少进入复杂环境的现场作业；另外，通过5G联网，结合数据采集技术，可实时显示小车的运行状态，及时发现、排查故障。

3.6 5G IOT数采&数字孪生

数字孪生是映射现实物理世界的数字副本。通过集成人工智能、机器学习和传感器数据，建立一个可以实时更新的“真实”模型，用来支撑物理产品生命周期各项活动的决策。

生产车间孪生过程需要通过物联感知、工业物联网、边缘计算等技术采集海量的在制车辆信息、产线运行状态、生产报工、异常报警等生产数据。

构建实体时，IOT数据采集平台要面对复杂的设备和接口类型，同时支持各种工业协议，如Profinet、Ethercat、OPC UA等，因此需要一个足够健壮的5G网络来保证数采中的各个通信任务的高效性、稳定性、实时性。

IOT数采实现由实入虚的连接与映射，利用数字孪生和先进的三维可视化技术，将车间、产线、设备等资产以3D模型加数据的形式展现，实现资产与生产信息的可视化展示。利用5G低时延、广连接的特性，将生产数据实时接入平台，提升信息交互效率，实现工厂实时管理和监控，虚拟与现实的同步运作，为企业的生产经营提供科学的决策依据。

目前已完成焊装生产线、透明化工厂报表、机器人功能包实验室等多个场景，结合VR技术，实现手势引导交互、沉浸式漫游、远程操控机械臂运动等功能。并可切换多地工厂进行操作实践，真正实现中心化统一管理。

4 结束语

5G+MEC+边缘计算的部署方案可为工业网络的提质升级提供强有力的技术支撑，利用5G低时延、大带宽、高可靠性、高安全性的特性，我们在汽车制造场景中验证了今后广泛使用的可能性。

相信随着5G核心网络和接入网技术的不断突破，在三年内5G网络将会逐步平替传统有线网络，同时5G产品制造成本的降低，也让越来越多的企业愿意在其制造环节中使用5G网络支撑工厂网络架构。

基金项目：信息物理系统（CPS）综合集成管理系统

项目编号：GL/20-009X。

参考文献：

[1]蒋树国，王小臣，王成.5G网络切片技术在车联网中的应用[J].汽车文摘，2021（1）：28-31.

[2]王冠男，刘健，何敏. 汽车行业智慧物流在5G网络下的应用及展望.汽车工业研究[J]. 汽车工业研究. 2022年第1期.