基于5G通信的工業(yè)產(chǎn)線智能管理系統(tǒng)設(shè)計

摘 要 基于5G通信的工業(yè)產(chǎn)線智能管理系統(tǒng)，通過5G通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)線與云服務(wù)器的組網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)建工業(yè)產(chǎn)線的集中化智能管理平臺。實現(xiàn)對工業(yè)產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理，保證其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能降耗和提升產(chǎn)能的目的。

關(guān)鍵詞 5G通信;工業(yè)產(chǎn)線;智能管理;智能終端

自20世紀(jì)80年代以來，全球每10年都會出現(xiàn)新一代移動通信技術(shù)，推動信息通信產(chǎn)業(yè)的快速創(chuàng)新，帶動經(jīng)濟(jì)社會的繁榮發(fā)展。當(dāng)前，第五代移動通信技術(shù)（5G）正在到來，它將以全新的基站系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供遠(yuǎn)超4G的速率、毫秒級的超低時延和千億級的網(wǎng)絡(luò)連接能力，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時代[1]。

1系統(tǒng)概述

目前生產(chǎn)企業(yè)工業(yè)產(chǎn)線的智能管理技術(shù)還處于初步的“機(jī)器與機(jī)器之間的數(shù)據(jù)交互”，即通過現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和底層數(shù)據(jù)采集來實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間的互通互聯(lián)，同時確保數(shù)據(jù)交互的準(zhǔn)確性、可靠性和及時性，這些也是實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)線智能管理的基礎(chǔ)。

隨著設(shè)備類型越來越豐富、規(guī)模數(shù)量不斷擴(kuò)大、數(shù)據(jù)的交互處理越來越迅速，而現(xiàn)有很多工業(yè)產(chǎn)線的自動化設(shè)備，諸如控制器、驅(qū)動器、傳感器等大都來自于不同的設(shè)備制造商，并沒有采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，這些都為構(gòu)建工業(yè)產(chǎn)線的集中化智能管理系統(tǒng)帶來技術(shù)“壁壘”。另外隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和5G通信等新一輪信息技術(shù)的發(fā)展，新的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命已經(jīng)到來，構(gòu)建工業(yè)產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的集中管理系統(tǒng)被提上日程。

基于5G通信的工業(yè)產(chǎn)線智能管理系統(tǒng)通過5G通信、云計算和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，以工業(yè)產(chǎn)線的各種自動化控制設(shè)備作為底層數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以5G通信作為網(wǎng)絡(luò)通道，形成從云端服務(wù)器到工業(yè)產(chǎn)線各類設(shè)備的集中智能化管理，突破了原先產(chǎn)線管理單一化、數(shù)據(jù)處理簡單化、數(shù)據(jù)通信協(xié)議差異化等技術(shù)“壁壘”。另外，本系統(tǒng)還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)實現(xiàn)用戶對工業(yè)產(chǎn)線優(yōu)化生產(chǎn)流程的調(diào)控、產(chǎn)線設(shè)備的智能維保等功能，為工業(yè)產(chǎn)線的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供完整的解決方案，有效提升工業(yè)產(chǎn)線的智能管理水平。

2硬件方案

基于5G通信的工業(yè)產(chǎn)線智能管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)交互智能終端、5G CPE（5G無線數(shù)據(jù)終端）以及云服務(wù)器三部分組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。數(shù)據(jù)交互智能終端主要是完成產(chǎn)線所有自動化設(shè)備的數(shù)據(jù)和信息采集并進(jìn)行初步處理，然后將處理結(jié)果通過5G通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端服務(wù)器;5G CPE主要是對5G通信網(wǎng)絡(luò)的中繼，本地控制器通過千兆網(wǎng)線或WIFI連接5G CPE，然后接入5G通信網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器進(jìn)行通信，并將工業(yè)產(chǎn)線的數(shù)據(jù)和信息傳輸至云端服務(wù)器;云端服務(wù)器主要對工業(yè)產(chǎn)線進(jìn)行集中化智能管理，用戶可以通過人機(jī)交互界面在任何時間查看任一產(chǎn)線的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)以及控制器的設(shè)置參數(shù)等。同時可以通過創(chuàng)建的人工智能模型對設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真分析，既可對產(chǎn)線進(jìn)行合理配置資源、優(yōu)化產(chǎn)能，還可對產(chǎn)線設(shè)置預(yù)、報警，便于用戶發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備故障隱患等，提前制定維護(hù)和應(yīng)急方案，減少設(shè)備故障停機(jī)次數(shù)和降低設(shè)備維修時間，有效提升產(chǎn)線作業(yè)效率。

數(shù)據(jù)交互智能終端作為本系統(tǒng)的核心部分，主要是完成產(chǎn)線設(shè)備底層數(shù)據(jù)采集、對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理最終統(tǒng)一格式通過5G通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)給云端服務(wù)器，以及對產(chǎn)線本地設(shè)備控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置等。數(shù)據(jù)交互智能終端的原理框圖如圖2所示，CPU控制器選用的是當(dāng)前流行的ST公司的基于Cortex-M4的32位單片機(jī)STM32F407，負(fù)責(zé)執(zhí)行云端服務(wù)器的控制命令。考慮到工業(yè)產(chǎn)線設(shè)備的數(shù)據(jù)通信協(xié)議的差異性，對目前產(chǎn)線使用較多的以太網(wǎng)協(xié)議、CAN總線協(xié)議、Profibus-DP協(xié)議、Modbus協(xié)議以及Arcnet協(xié)議等之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的可行性、轉(zhuǎn)換方法、轉(zhuǎn)換類型以及不同設(shè)備標(biāo)識等問題進(jìn)行分析和研究，最終設(shè)計出數(shù)據(jù)交互智能終端，實現(xiàn)了不同協(xié)議與本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換功能。

3軟件方案

數(shù)據(jù)交互智能終端的軟件工作流程如圖3所示，主要包括主程序、CAN總線協(xié)議解析、Profibus-DP協(xié)議解析、Modbus協(xié)議解析、Arcnet協(xié)議解析以及最終以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換等。各協(xié)議解析程序部分主要是完成對接收到的數(shù)據(jù)幀按照協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包拆封，提取用戶需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容。以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換主要是對各協(xié)議接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行協(xié)議封裝和對產(chǎn)線控制器發(fā)送給各總線設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的協(xié)議模式。

4結(jié)束語

本系統(tǒng)通過5G通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)線與云服務(wù)器的組網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)建工業(yè)產(chǎn)線的集中化智能管理平臺。實現(xiàn)對工業(yè)產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理，保證其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能降耗和提升產(chǎn)能的目的。能夠有效提升工業(yè)產(chǎn)線的智能管理水平，具有廣泛的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)

[1] 王喜文.5G為人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019：101.

作者簡介

張義偉（1982-），男;職稱：高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職單位：中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，研究方向：智能檢測與控制。