5G通信在冶金控制系統(tǒng)遠程運維中的應用實踐

解 強，卿樹明

（酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

1 引言

隨著自動化技術的發(fā)展，各類工業(yè)控制系統(tǒng)在現代制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應用，已經成為決定企業(yè)生產自動化程度的關鍵因素?？刂葡到y(tǒng)設備的穩(wěn)定運行直接制約著企業(yè)的生產組織。因此快速診斷、響應和處理生產過程中出現的異常操作、設備故障也成為自動化控制系統(tǒng)維護技術人員面臨的難題?；ヂ摼W和通信技術的快速發(fā)展，通過遠程監(jiān)控、診斷，結合遠程運維的運維技術在工業(yè)設備運維中的應用正在逐步加快和推廣，越來越多的企業(yè)希望能夠對分散在各處的設備進行集中遠程診斷和維護，對分散在各區(qū)域設備系統(tǒng)的狀態(tài)和故障進行實時監(jiān)控和處理。與基于4G的遠程運維技術相比，5G通信具有更低時延，更大帶寬和更高可靠性，能夠滿足系統(tǒng)遠程運維響應低時延、大數據的要求。研究應用5G技術來實現對生產設備的遠程運維與控制，成為5G通信技術工業(yè)應用的一個重要發(fā)展方向。

2 5G通信技術的優(yōu)勢

5G通信技術作為當前世界上最先進的一種網絡通信技術，相比于目前被普遍應用的4G網絡通信技術，其在傳輸速度有著非常明顯的優(yōu)勢，可以提供更高的速率、更低的時延[1]、更多的連接數、更快的移動速率、更可靠的安全性以及更靈活的業(yè)務部署能力，其低時延更符合遠程運維的低延時需求。5G通信技術的通信速度是4G技術的近20倍，為高速度的互聯網、物聯網時代打下了基礎，使“萬物互聯”成為可能。5G通信技術與4G通信技術相比，具有圖1所示優(yōu)勢。

圖1 5G與4G關鍵能力對比圖

5G通信技術還兼具了無線網絡的靈活性、有線網絡高帶寬和多終端接入特點的。與Wi-Fi相比傳輸速度更高、更穩(wěn)定、延時更低，支持同時接入的設備更多；與傳統(tǒng)有線網絡相比部署靈活性更高，設備設施安裝施工更方便，尤其是在有線網絡敷設沒有安全路由的復雜工礦環(huán)境、遠距離傳輸情況下，采用5G通信與有線網絡相比上述優(yōu)勢將更加突顯。

3 5G對鋼鐵企業(yè)的支持

隨著各種先進技術的發(fā)展和應用，鋼鐵行業(yè)已經擺脫傳統(tǒng)生產方式，逐步向信息化、智能化、自動化轉型升級。隨著5G、AI（Artificial Intelligence）、云等技術融合時代的到來，5G+智能點檢、5G+智慧天車、5G+智能機器人、5G+AR（Augmented Reality）[1]遠程裝配等一項項5G應用開始應用于鋼鐵企業(yè)。由于5G通信低時延，大帶寬，高安全性的特點，使工業(yè)物聯網，遠程、無人操控，遠程運維[1-4]的鋼鐵工業(yè)應用場景變得越來越廣泛。一方面在工廠內布置5G網絡，用于設備數據通信，大規(guī)模數據傳輸，便于機床、機器人、AGV（Automated Guided Vehicle）等接入工廠網絡，可靈活應用于工廠設備數據采集、AGV通信和控制、大規(guī)模數據傳輸及云+邊分析，可有效促進高清視頻監(jiān)控、機器視覺質檢、AGV視覺導航的應用。另一方面通過5G廣域網絡，實現工廠生產設備遠程遙控、遠程運維和大規(guī)模數據傳輸。對于生產工況危險、作業(yè)場所偏遠、作業(yè)環(huán)境危險、職業(yè)健康危害大等工業(yè)場所，可以實現對機器人、移動車輛、設備的遠程操控、遠程巡檢、數據采集分析等。

4 5G通信在酒鋼控制系統(tǒng)遠程運維中的應用實踐

4.1 實施遠程運維的必要性

酒鋼宏興鋼鐵股份有限公司擁有羅克韋爾、西門子、施耐德等各類工業(yè)控制系統(tǒng)總計1 000余套，系統(tǒng)相對分散、獨立，幾乎遍布酒鋼本部廠區(qū)內約10 km2的各個角落。對控制系統(tǒng)的點檢維護長期以來采用的是人工到現場對設備進行點對點維護、點檢（巡檢）的傳統(tǒng)管理方式，點（巡）檢維護作業(yè)效率低下。一方面點檢維護技術人員在路途往返時間過長，占作業(yè)時間比重超過70%，造成大量人力資源浪費；另一方面，當生產現場出現操作、設備異常需要處理時，也因路途時間長的原因造成維護人員不能在最短時間內實施維護響應，耽誤了故障處理的最佳時機，甚至出現到達現場后，檢查發(fā)現設備出現硬件故障，需要再次返回班組庫房取備件，進一步延誤故障處理的情況。對生產造成影響較大，故障響應維護效率低下，有時也因延誤故障處理時間導致事故損失增大。通過實施控制系統(tǒng)遠程運維，既能提高控制系統(tǒng)的生產運維保障能力和控制系統(tǒng)日常點（巡）檢效率實效，又能降低日常報修維護作業(yè)安全風險。因此采用信息技術手段提高維檢效率成為公司迫切需要解決的問題。

4.2 實施遠程運維的可行性

股份公司本部廠區(qū)已經完全實現了5G網絡的全覆蓋，具備了實施5G遠程運維的網絡基礎設施條件。同時，利用5G通信技術實現對PLC（Programmable Logic Controller）系統(tǒng)的遠程訪問技術在酒鋼西溝礦礦卡遠程操控中也有了成功的案例借鑒；酒鋼基于PLC的設備狀態(tài)檢測技術在股份公司各生產主線的自動化控制系統(tǒng)也得到了廣泛應用，實現了對控制系統(tǒng)電源、環(huán)境溫度、通信狀態(tài)、PLC設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控與異常報警檢測，具備了實施遠程運維的技術條件。此外，股份公司還擁有一支相對穩(wěn)定的自動化專業(yè)維檢技術隊伍，具備自主實施控制系統(tǒng)遠程運維技術研究、搭建遠程運維網絡平臺的專業(yè)技術力量。

采用5G技術搭建遠程運維系統(tǒng)網絡平臺，可有效解決光纜敷設路由復雜、線路長、費用高、安全風險大、后期維護變更困難等多種缺陷，能夠有效降低項目實施安全風險、費用、工期和難度，項目實施中不會破壞環(huán)境、造成環(huán)境污染，采用5G技術搭建遠程運維系統(tǒng)網絡平臺的方案可行。

4.3 實施方案

采用5G通信技術，利用運營商提供的5G基站，結合帶有5G通信模組和內置各種品牌PLC協(xié)議的工業(yè)網關、監(jiān)控視像機以及其他網絡硬件等設備，采用成熟的APN（Access Point Name）專網接入方式，在自動化檢修作業(yè)區(qū)一樓高級過程控制工程技術中心搭建股份公司自動化控制系統(tǒng)遠程運維平臺（中心）。通過該平臺，可實現對股份公司下屬二級單位運輸部、儲運部、選礦廠、焦化廠、煉鐵廠、碳鋼薄板廠、煉軋廠、動力廠等8個生產廠礦自動化控制系統(tǒng)的日常點（巡）檢、設備狀態(tài)監(jiān)控與遠程運維。對崗位異常操作、電氣設備聯鎖信號異常導致的生產設備無法操作故障進行遠程診斷處理，對控制系統(tǒng)設備狀態(tài)進行遠程點（巡）檢，對控制系統(tǒng)硬件故障、異常狀態(tài)信號進行遠程診斷。系統(tǒng)接入網絡架構圖如圖2所示。

圖2 遠程運維系統(tǒng)接入網絡架構圖

4.4 實施步驟

（1）在自動化控制檢修作業(yè)區(qū)一樓高級過程控制工程技術中心安裝遠程運維終端設備和視屏監(jiān)控系統(tǒng)設備，搭建控制系統(tǒng)遠程運維中心。再通過采用支持5G通信的內置各種品牌PLC協(xié)議的工業(yè)網關，將遠程運維中心運維端PC與5G網絡相連，經5G通信網絡建立與各二級生產廠礦的PLC系統(tǒng)（或工程師站）的通信鏈接，進而實現對PLC系統(tǒng)中各設備狀態(tài)的采集、監(jiān)控，以及在線訪問控制程序實現對設備運行聯鎖條件的檢查、監(jiān)控和確認。當生產設備出現異常、故障時，通過遠程運維平臺終端連接到專用運維5G網絡，就可以隨時訪問末端的PLC系統(tǒng)，查看、監(jiān)控設備狀態(tài)、聯鎖信號，分析故障原因，實現對系統(tǒng)軟故障的遠程運維處理，指導生產人員糾正錯誤操作和電氣維護人員及時排除現場設備、線路故障，快速恢復生產。

（2）在數據傳輸與處理時，工業(yè)網關對數據進行打包壓縮、加密，采用非透明傳輸的模式，減小數據傳輸流量，并增加網絡握手協(xié)議和數據重發(fā)機制，從而保證傳輸數據的安全和可靠性。同時結合5G通信低延時的特性，可有效滿足控制系統(tǒng)即時故障運維監(jiān)控與處理的及時性、可靠性需求。

（3）對PLC系統(tǒng)設備狀態(tài)自診斷技術進行系統(tǒng)研究、應用和完善。利用遠程運維訪問技術，通過PLC自診斷技術和視頻分析實現對控制系統(tǒng)軟硬件故障、關鍵聯鎖信號的遠程監(jiān)控、診斷，發(fā)送異常報警信息或設備故障報警信號，指導維護技術人員進行遠程維護，或在必須實施現場故障處理響應時能夠提前選擇好、攜帶好運維所需的工器具和備件材料，避免到達現場診斷后再去取備件材料，延誤故障處理時間，造成不必要的生產設備損失。

（4）利用5G網絡切片技術[5]，將整個運維系統(tǒng)中的相關控制系統(tǒng)根據儲運、焦化、選礦、燒結、煉鐵、碳鋼、煉軋、動力等不同生產工序，對運維系統(tǒng)中的網絡資源和功能進行劃分，形成了不同的網絡切片，提供可靠的隔離邏輯網絡環(huán)境，從而實現生產廠礦、工序間控制系統(tǒng)網絡的有效安全隔離，確保各工序控制系統(tǒng)的網絡訪問安全。

（5）采用APN專網接入方式對終端數據進行連接，通過一條專線將遠程運維中心設備接入運營商5G網絡，雙方互聯路由器之間采用私有IP地址進行廣域連接，在遠程運維平臺核心網與移動公司互聯路由器之間采用隧道技術，同時采用端到端加密，進一步提高遠程運維系統(tǒng)網絡數據安全性和數據響應及時性。

（6）在PLC、DCS（Distributed Control System）控制柜內安裝具備紅外夜視功能的短距離高清監(jiān)控攝像頭，通過攝像頭對設備狀態(tài)指示燈進行監(jiān)控、檢查確認，便于維護技術人員實施日常對設備狀態(tài)的點巡檢。運維中心監(jiān)控系統(tǒng)顯示屏采用拼接系統(tǒng)，可同時對攝像頭和PLC采集數據進行展示，通過專用設備進行切換，當顯示PLC顯示數據時，拼接屏顯示內容和控制臺內容一致。當切換至顯示攝像頭內容時，可同時顯示4或者9路PLC設備狀態(tài)視頻信號。

（7）遠程運維端PC訪問末端PLC根據現場工業(yè)局域網設置和控制系統(tǒng)分布特點，一般采用以下2種接入方式：一種是運維端PC通過5G網絡點對點直接訪問末端PLC系統(tǒng)，其訪問路由為遠程運維PC→客戶前置設備（CPE）→5G網絡→工業(yè)網關→PLC；另一種是運維端PC通過5G網絡訪問現場的工程師站，再由工程師站通過生產現場的工業(yè)局域網訪問各PLC控制系統(tǒng)，這種訪問方式的訪問路由是遠程運維PC→客戶前置設備（CPE）→5G網絡→工業(yè)網關→工程師站（操作站）→工控局域網絡→各PLC。

（8）施工安裝方式：設備到貨后，首先搭建運維中心控制系統(tǒng)運維平臺，再根據各二級生產廠礦檢修停機時間、自動化系統(tǒng)分布特點采用分階段、分系統(tǒng)逐步安裝末端5G網絡設備設施的方式，逐步系統(tǒng)引入遠程運維平臺進行功能測試、調試，系統(tǒng)設備安裝施工調試過程中不會影響原控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，便于遠程運維系統(tǒng)建設的分步實施。

4.5 方案的優(yōu)勢

采用5G通信技術實現對控制系統(tǒng)的遠程設備狀態(tài)診斷、監(jiān)控以及對常見生產異常操作、聯鎖信號異常等軟故障的遠程診斷、處理與技術服務，可以有效避免因時延問題帶來的安全風險和響應及時性差的弊端。而且施工安裝方便、靈活，可有效規(guī)避有線網絡施工涉及的高處作業(yè)、土建施工、危險區(qū)域施工等帶來的施工難度大、安全風險高、施工費用昂貴等不利因素。同樣，由于安裝方面，在遠程運維系統(tǒng)投用后可以根據實際需求變化靈活調整、增加運維系統(tǒng)末端設備的數量和調整安裝位置，方便系統(tǒng)的后期維護和調整。在系統(tǒng)部署實施過程中不需要PLC系統(tǒng)停機，不會影響到原控制系統(tǒng)的正常運行，對公司生產沒有沖擊、影響，可以分步部署、分步實施。系統(tǒng)具有良好的兼容性、開放性、系統(tǒng)擴展性，可靈活應用于各種生產場景。

4.6 實施效果

項目實施后，實現了對股份公司關鍵控制系統(tǒng)的遠程訪問與運維。減少了控制系統(tǒng)日常巡檢技術人員4人，有效節(jié)約人工成本約60萬元/年。同時，通過遠程運維，使公司自動化控制系統(tǒng)日常故障報修處理時間縮短了近70%，減少了系統(tǒng)故障對生產的影響程度和事故損失。日常報修85%以上的故障實現了遠程運維處理，減少了維護技術人員現場故障響應頻次，有效降低了運維人員到復雜作業(yè)環(huán)境進行故障處理的頻次和安全風險。

5 結束語

隨著5G通信工業(yè)應用技術的進一步發(fā)展，各種基于5G通信技術的智能設備研發(fā)投用，“萬物互聯”“無人駕駛”不再是一種設想，基于5G通信的無人工廠、黑燈工廠時代即將來臨。通過5G通信實施遠程操控、遠程巡檢和檢測、遠程運維、視覺檢測的工業(yè)應用場景將越來越廣泛。