5G CPE在煙草物流核心設備中的應用研究

文/余寶意 胡業偉 石德倫

物流設備是現代物流系統優質高效運行的硬件資源基礎，是實現物流安全運作的基本手段及有機組成。煙草企業物流的迅速發展和日益激烈的市場競爭，對自動化立體倉庫技術提出了更高的要求。巷道堆垛機作為一種常見的自動化立體倉庫系統的核心單機設備，其穩定性直接決定了自動化立體倉庫的運行效率。傳統的堆垛機數據鏈路一般是采用漏波電纜、紅外通訊、Wi-Fi等通訊方式，漏波電纜對材質和布線要求極高，且運行維護極為不便；紅外通訊對準安裝過程復雜，且數據傳輸的距離和可靠性較差，在惡劣的使用環境下容易出現數據傳輸終端等情況；Wi-Fi在工業現場易受同頻干擾，且在縱深過長的密集貨架巷道中信號易被阻擋，無法保證穩定可靠的數據連接。5G技術具有大帶寬、低時延、高并發的特點，結合物流業務對通訊要求的特征，積極探索5G技術在物流核心單機設備中的應用場景，對物流高質量發展具有十分重要的意義[1]-[3]。

一、應用場景現狀

武漢卷煙廠物流車間共配置有23臺巷道堆垛機，分散部署在6個自動化立體倉庫中，由DEMATIC公司生產制造，堆垛機控制系統主要分為地面控制站和機載控制柜兩個部分，地面控制站與機載控制柜之間采用PROFIBUS方式進行通訊，之間通過紅外光通訊建立數據連接。地面控制站工控機底層采用一套WINAC控制系統，并部署SCS存儲控制系統，通過紅外光通訊傳輸指令控制位于堆垛機上的ET200S和S120驅動系統。WINAC控制系統與WCS倉儲調度系統通過工業以太網建立數據連接。以成品自動化立體化倉庫堆垛機控制系統為例，其控制系統網絡架構如圖1所示。

圖1 堆垛機控制系統網絡架構

貨架巷道縱深長度約100m，紅外光通訊在位置產生偏差后對準安裝工作極為不便，且在巷道照度低、粉塵多等惡劣環境條件下，穩定的通訊數據連接往往得不到保證，不僅影響了整個物流系統的運行效率，而且導致了設備維護資源的極大投入。因此，采取5G CPE WIN的終端組網形態來解決當前數據鏈路存在的諸多問題顯得尤為迫切。

二、基于5G CPE的數據鏈路改進設計

1. 硬件設備改進設計

如圖2所示為當前的巷道堆垛機控制系統數據鏈路結構圖。其中，地面控制站通過紅外光通訊連接SRM1和SRM2兩臺巷道堆垛機。紅外光通訊為透明器件，沒有PROFIBUS地址，無需進行硬件組態。DPDP耦合器連接地面WINAC系統，在本地PROFIBUS地址為5，WINAC通過工業以太網連接WCS。

圖2 改進前堆垛機控制系統數據鏈路圖

本次改進設計的目標為建立紅外光通訊的備份通訊鏈路，以本地5G專網覆蓋地面控制站與SRM1、SRM2的連接，同時降低通訊時延。采用的改進設計數據鏈路如圖3所示。

圖3 改進后堆垛機控制系統數據鏈路圖

本次改進設計保留原系統的WINAC控制單元，并在原WINAC控制單元上增加CP1616，用以通過5G CPE連接5G網絡，并在SRM1和SRM2堆垛機上增加帶有CP5613和CP616的WINAC控制單元，新增WINAC系統完全復制和保留地面控制站WINAC系統控制程序和控制算法。CP5613通過切換器接入堆垛機上PROFIBUS總線，CP1616通過5G CPE連接5G網絡。采用PNPN耦合器連接地面WINAC控制單元和新增的SRM1、SRM2的WINAC控制單元，PNPN耦合器具有兩個IP地址，對于地面WINAC控制單元而言，通過其中一個IP接入的PNPN耦合器是一個IO站；對于新增的WINAC控制單元而言，通過另一個IP接入的PNPN耦合器也是一個IO站；兩個控制單元的信息在PNPN耦合器上自動交換。

在地面WINAC控制單元中，不需要再建立S7連接，僅需要將WCS信息、ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器信息傳輸到PNPN耦合器；同樣對于新增的WINAC控制單元而言，也只需要將連接的PNPN耦合器對應的IO地址改為ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器的IO地址，即可完全采用原地面WINAC控制單元的控制程序。

2. 5G MEC部署設計

圖45 G MEC部署設計結構圖

設計部署一個5G MEC，5G技術中的低時延應用主要依托于前端部署的MEC基站和部署于移動節點上的5G網關，實現“5G無線節點+5G邊緣計算”組網模式[4]。5G網絡將自動化立體倉庫現場的堆垛機控制器與地面調度系統等連接起來，使移動的堆垛機與地面控制站之間可以進行低時延通訊，實現更多功能和更復雜業務；同時保證數據不出廠區，且具備了向廠級私有云平臺的擴展能力，網絡結構如圖4所示。

其中，現場設備底層數據采集傳感器、編碼器等信號可直接進入ET200S從站，堆垛機和地面控制站的數據交互不再需要離開庫區，僅在邊緣計算中心內部進行轉發。同時，5G MEC具備了向其他廠級MES轉發數據和對數據進行初步處理分析的功能。

3. 5G數據鏈路設計

為了進一步降低時延，5G邊緣計算配置 CDN（Content Delivery Network，內容分發網絡）功能，相較于傳統 CDN，MEC 更靠近無線接入網[5]。由于物理距離和通信層級的減少，自然移動邊緣計算相較于傳統CDN 時延進一步降低，并且 MEC 還包括了本地化的計算能力和能力開放能力，因此具備了低時延和智能化特點[6]。

5G邊緣計算通過將庫區內的數據轉發下沉到部署于庫區的5G 邊緣數據中心，邊緣數據中心是數據的第一入口，負責實時性業務決策和大量生產設備數據的短周期存儲，從而大大降低了通訊時延，也保證了數據不出廠，提高了數據的安全。在5G節點大量增加的將來，由于生產數據和設備數據已經在現場的5G 邊緣數據中心進行轉發，邊緣計算與5G結合使用可以在遇到突發且持續的流量激增情況下解決帶寬、速度和安全問題，外部增加的節點帶來的通訊壓力不會對庫區內通訊造成影響，具有更高的效率，也能節約計算成本[7]。

為了減低項目風險，保留原WCS和地面控制站對堆垛機系統的原有數據通訊鏈路，庫區5G可用于傳輸堆垛機移動端的大量生產數據和設備數據，如實時生產視頻數據和實時設備狀態數據，同時也作為WCS和地面控制站通訊的備份鏈路。如圖5所示。

圖5 5G數據鏈路設計結構圖

基于5G CPE數據鏈路，對網絡數據傳輸時延進行追蹤測試，得到的時延情況與紅外光通訊方式對比如圖6所示，由圖6可以看出，紅外光通訊方式平均時延在30ms左右，而5G CPE數據鏈路時延在5ms～10ms，數據傳輸實時性得到了顯著提高。根據堆垛機0.3m/s的平均制動速度，在5G CPE數據鏈路中以10ms的延時計算，控制指令因通訊延時產生的停位誤差 ，而在紅外通訊鏈路中以30ms的延時計算停位誤差為9mm，故堆垛機停靠站臺定位精度由9mm下降到了3mm，控制精度得到了較大提升。

三、結束語

本文建立了一套基于5G CPE WIN技術的終端組網形態，并于2021年9月率先在行業內成功應用于物流核心單機設備中，且取得了提升設備運行穩定性的效果，同時為將來擴展其他智能化應用奠定了網絡鏈路基礎，從而極大地推動了傳統物流領域中的核心單機設備應用升級，該應用場景具有較強的推廣價值，隨著5G技術的快速發展，將與新型物流裝備技術相結合，并積極應用到智能制造以及更加廣泛的領域。