基于5G網絡的模具關鍵場景應用探索

0 引 言

近年來工業互聯網作為信息基礎設施建設方向迎來了發展機遇，國家以政策支持+技術創新+商業創新，推動新一輪科技與產業革命的加速融合，提出支撐工業企業建設5G全連接工廠，推動5G應用從外圍輔助環節向核心生產環節滲透，加快典型應用場景的推廣。現面向模具工廠數字化轉型目標，設計“1+1+

”的智能工廠體系，即1張專網、1個平臺、

個應用場景，按照“自頂而下、逐步細化、全面推廣”的設計原則，如圖1所示。

基于5G工業專網提供5G大帶寬、低時延、廣連接、數據不出園區的網絡能力和自主研發智慧模具平臺，縱向集成各類生產系統，構建生產環節信息的無縫連接，如圖2所示。通過對模具設計與制造生產流程的梳理，整理應用場景，解決生產中關鍵痛點。通過一系列相互連接的價值創新活動，提高模具生產效率、市場反應速度、柔性生產調度能力，并縮短生產周期、優化供應鏈協同以配合市場的動態變化，5G賦能模具設計制造流程如圖3所示。

1 5G工業專網

當前工業場景網絡存在的問題主要是企業內部的通信業務各自建設，導致形成多張網絡，投資成本高、建網效率低，特別是5G無線組網接入的應用急需突破；工業制造的信息化呈“煙囪式”發展，后期操作維護需耗費大量資金和時間，且難以互聯互通；不同的網絡與平臺擴建較困難，已成為新業務拓展的障礙。智能化的新需求層出不窮，業務創新難度大，基于5G的工業互聯網網絡，其優勢主要體現在以下方面。

二十一世紀網絡科學技術飛速發展，移動互聯網更是融入到人們的日常生活當中，因此，傳統的媒介都已經通過網絡技術向新媒體發展與融合。傳統媒介傳播方式單一，宣傳成本高，技術不足，再加上傳統媒介的本身的制約，很難取得很大的發展。

聞喜縣各類普查對象數量多，分布廣，需投入大量的人力物力資源，相當多的數據采集需要實地訪問、現場查勘，還要進行業務培訓、普查宣傳等，經費需求量大。普查經費由中央和地方各級人民政府共同負擔，聞喜縣地方財力極為有限，雖然縣委、縣政府大力支持水利普查工作，但在中央資金到位前，有限的經費制約了水利普查工作的順利進行。

鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢物，由冶煉反應物、侵蝕脫落的爐體和補爐材料、金屬爐料帶入的雜質和為調整鋼渣性質而特意加入的造渣材料組成[6]。鋼鐵冶煉過程中會產生大量鋼渣，占產鋼量的10%～15%。2015年我國粗鋼產量是8.04億t，其鋼渣產量為0.80億～1.2億t。我國對鋼渣的利用主要集中在冶煉溶劑、建筑材料等，利用率只有38.7%，與發達國家存在較大差距[7-13]。積極開拓鋼渣綜合利用新途徑，提高鋼渣利用率，可以提高經濟和環境效益。

（1）實現一網多業務，云化管理降低整網運營成本；業務融合減少建網成本；架構靈活，面向未來可持續提供多種業務，包括SCADA、自動化控制、儀表和物聯網的數據傳輸、視頻監控、寬帶接入和語音通信等的融合網絡。

（2）易部署，易維護。網絡管理更加簡單、靈活，終端設備可遠程、集中維護，降低維護和運營成本。

（2）TCP/IP通訊協議的設備如OPC Classic、Sie?mens S7、Modbus-TCP等通用協議，也有設備廠商自行定義的私有協議。通用協議直接使用以太網（RJ45接口）接入車間網絡中，然后對協議做解析。私有協議可以自行開發協議解析模塊進行對接。

以S.aureus、E.coli、B.subtilis、S.epidermidis、P.multocida為供試菌。對冬凌草發酵前后的抑菌活性進行了分析，實驗結果見表5。由表5可知，冬凌草發酵后的醇提物對S.aureus、B.subtilis、S.epidermidis、P.multocida、E.coli的抑制作用表現出增強作用。

（1）實時遠程查看設備及所處環境，必要時進行操控。

（5）數據采集目前主要是提升生產模具的質量和效率，實現精益生產。未來注塑機和CNC設備的反向控制，操作指令下發需要極低時延，5G網絡可以滿足。

2 5G網絡在模具應用的場景介紹

從企業的角度分析，5G技術與其他信息化技術的結合可打通企業的各個流程，實現從設計、生產到銷售各個環節的互聯互通，并在此基礎上實現企業內資源的整合優化，進一步提高企業的生產效率和產品質量；從供應鏈角度分析，5G的海量連接突破了工廠邊界，可實現生產資源共享，共同提升供應鏈的價值；從行業平臺分析，應用場景的建設可促進行業數字化轉型標準的建立，促進模具行業整體數字化、自動化建設。根據模具工程數據流和工藝流，整理12大應用場景，如圖5所示。

以下主要介紹2個應用場景，即加工環節的5G數據采集場景和驗收交付環節的5G AR遠程試模場景。

3 數據采集

數據采集是基礎，車間數據采集包括產出數據、工藝參數、設備狀態信息、報警信息以及傳感器的數字量/模擬量信號等，通過5G+工業網關+平臺實現數據實時采集、分析和預測管理，解決模具工廠啞巴設備、孤島設備特點突出的問題。

3.1 需求分析

（1）設備在長期運行過程中，會出現形變、損耗等問題，可能導致設備過載、震動噪音變大等多種生產安全隱患，當前生產線主要依賴人工，故障診斷依賴人員的個人經驗。

（2）維護成本高，基于時間計劃的周期性維護，針對關鍵設備被迫采取過度維護方式。設備故障易產生誤報，需要提高準確率減少安裝調試以及維護工作。

（3）缺少統一的數據匯總集成、故障趨勢信息。

試模是模具交付驗收中重要環節，客戶一般會派工程師到現場參與試模，近年由于疫情的影響，試模問題導致訂單不能按時交付的現象常有發生，及時整合5G技術、AR技術和激光鐳達定位技術，通過系統讓客戶方的工程人員和質量人員都可參與，解決了客戶不能到達現場參加試模的問題，如圖8所示。

3.2 實現路線

模具企業是重資產型企業，設備種類繁多，各種工業總線協議并存。現結合數據采集目標，利用設備的現有條件（如設備已經具備的上位機系統、已經具備的通訊協議等）用最經濟高效的方式進行數據采集技術路線的設計。首先對設備進行分類，第一類是帶有上位機系統的設備；第二類是TCP/IP通訊協議的設備；第三類是非TCP/IP通訊協議的設備；第四類是不具備通訊接口的設備。然后根據類別有針對性地制定數據采集路線。

由此引起國內外學者對90后農民工群體更多關注，研究的焦點主要集中社會保險參與現狀以及制度政策方面，有關新生代農民工失業保險研究幾乎處于空白。JianPing Yao and Byung (2015)從性別差異視角運用logistic模型得出年齡、文化程度、經濟水平及勞動合同簽訂情況影響社會保險參保率。Sarah Akenbrack and Kara Hanson (2015)等通過實證分析得出，行業類別、社會人口特征、風險認知、員工福利高低及社會保障的認知程度顯著影響其參保概率。

（1）有上位機系統的設備直接從上位機系統中獲取設備的數據，然后以開放數據庫訪問權限的方式或以WebService等方式釋放數據訪問接口。

內蒙古錫盟～江蘇泰州±800kV特高壓直流輸電線路工程是國家實施北電南送的重點工程，工程建設投運后，將實現北部資源優勢轉化為能源優勢，滿足東南部地區社會發展對電力增長的需求，且有利于緩解日趨嚴重的霧霾污染問題。該輸電線路起于內蒙古自治區錫林浩特市境內錫盟換流站（毛登站址），途徑內蒙古、河北、天津、山東、江蘇5省，止于江蘇省鹽城市泰州換流站（楊師村站址），全線總長1619.7km。該項工程等級為Ⅰ級，防洪標準為100年一遇洪水。

課程導師作為輔導員的有效補充，一般協同開展大學生教育工作，因此兩者工作定位應該呈現錯位、交叉和融合的整體特點[5]。筆者一直擔任相關專業的課程導師職責，每周有一次教學任務，在課間休息時會與學生們溝通業余活動等問題，通過溝通拉近師生距離；此外，課程導師有開展班風學風建設、班級學生日常管理工作、就業指導和服務工作等職責，平時學生不管遇到什么問題，都會積極地通過各種方式與課程導師交流。課程導師制度改變了傳統的授課方式，實現了師生雙贏，提升了學生的學習效率。

（3）非TCP/IP通訊協議的設備，需要增加網關，將其協議轉換為TCP/IP協議，才能接入車間的網絡中進行協議解析。

（4）不具備通訊接口的設備建議不進行數據采集，如要采集可以在機臺上放置觸摸屏之類的設備，用人工輔助的方式采集生產相關的信息。

裝傳感器、數據采集板卡是投資較大的一種數據采集方式，應是最后的選擇，而非最優選擇。傳感器和數據采集板卡都涉及設備改造，不僅技術上難度大，也會對設備運行的穩定性方面造成不良影響。數據采集組網架構如圖6所示。

近年來，山西省委認真落實意識形態工作責任制，不斷加強對宣傳思想工作的領導，使全省意識形態領域形勢發生了重大而深刻的變化。面對新的形勢、新的任務、新的挑戰，各級黨委（黨組）要把意識形態工作責任制切實落到實處，切實擔負起政治責任和領導責任。主要負責同志要帶頭把方向、抓導向、管陣地、強隊伍，層層傳導壓力。要創新領導方式，跳出傳統陳舊套路，善用各種宣傳工具和渠道，講究藝術、抓住關鍵，牢牢掌握主動權。要夯實基層基礎，充實基層宣傳思想工作力量，完善各種保障，打牢黨的執政根基。要堅持全黨動手，真正形成黨委統一領導、黨政齊抓共管、宣傳部門組織協調、有關部門分工負責的大宣傳工作格局。

（1）設備連接5G邊緣計算工業網關，適配多種協議與數據類型，完成數據采集與特征值提取，一站式解決企業IoT設備接入問題。

由于令Sk+1|kT=qr(qr分解為一個正交矩陣q和一個上三角矩陣r的乘積)，則有Pk+1|k=(qr)T(qr)=rTr。因此有

（2）5G高帶寬（eMBB）支持更豐富數據交互，支持海量設備連接（mMTC），低時延（uRLLC）保障實現精準數據采集及反向控制。

（3）數據建模、大數據分析、AI等支撐，提供數據注入、存儲、分析、挖掘、可視化等全流程能力。

工業網關采集設備數據后將其上傳到模具平臺，通過模具平臺可以實現對設備運行狀態和數據的監控，如圖7所示。

3.3 價值成效

（3）開放合作生態化。數字時代需要網絡為第三方設備和應用提供開放架構，幫助客戶實現商業模式創新。

（2）設備故障預警，關鍵零件失效預測。

返回CE1和CE2抓的鏡像包結合設備告警進行分析。看到告警定位信息中接口基本都為S10，所以重點分析了GTP V2的報文，可以從抓包中看到有相當一部分relocationg request請求包是沒有得到響應的。relocationg request是終端在MME間發起Handover流程時，源MME向目的MME發送的請求消息，由于源MME遲遲沒有得到響應（10s），而源MME按照自己的T3N3定時器重發Forward Relocation Request消息和上報告警，最后導致流程失敗。至此，初步判斷這個問題并不是丟包引起的GTPC路徑故障告警，而是流程失敗引起的。

（3）設備狀態變化分析，趨勢分析。操作人員數量和操作難度可進一步優化，節省人工運維成本，降低技術經驗門檻。

（4）統一匯總設備各類數據，提高分析準確性。當前主要采集設備的狀態及實時運行數據，如注塑機主要采集模溫、料溫、注射壓力等，將其反饋給CAE軟件進行模擬分析，然后再把模擬后數據輸入注塑機，指導試模。數據采集不僅實現了數據的實時采集，提高設備利用率，穩定產品質量，也為未來的設備反向控制和數字孿生提供基礎，同時也是推動模具行業二級節點建設重要的一步。

軌道安裝時要嚴格按照測量放樣所彈出墨線位置安裝，且要及時進行校核，以便準確控制軌道高程符合切縫設計要求，每節臨時軌道安裝的高程要嚴格控制，確保軌道高質量完成。

3.4 5G關聯性

（1）生產現場有較多固定設備的接入，但也有大量周邊設備、移動設備的接入，例如條碼槍、pad、移動看板、AGV小車等，這些就能充分利用5G大帶寬、低時延、廣連接的特點。

（2）在新廠區的建設中，靈活地對設備和車間進行規劃和調配，不用考慮布線帶來的影響，實現整個園區一張網承載。

（3）在現存的大量老舊廠房實施落地項目時，不用投入大量的升級改造費用，不用改動車間布局的情況下，可以享受5G帶來的便捷高效。

（4）與WiFi對比，WiFi是非授權頻譜，無法從根本上杜絕干擾。大型模具鋼材對信號干擾大，汽車模具的數據安全等級高，5G使用授權頻譜可以避免干擾，合理部署5G網絡不存在WiFi常見的切換丟包和時延等現象，滿足連續性生產要求。

模具工廠專網需求正在迅速發展，模具垂直領域企業及行業上下游企業等客戶急需相關5G行業專網解決方案，如圖4所示。企業上云平臺、物聯網、大數據、云應用、自組網、低成本、開源和解構等成為企業數字化市場競爭的技術驅動力，基于5G的工業場景的專網應用將成為未來發展趨勢。

（6）通過獲取大量設備的運行狀態，為未來形成一個具備感知、分析、決策的數字孿生做準備，5G網絡的大帶寬和廣連接特性可以滿足規劃需求。

4 5G AR遠程試模應用場景

（4）挖掘數據價值，為未來的設備反向控制和數字孿生做準備。

4.1 需求分析

（1）模具生產周期長，試模準時率一直存在問題，客戶到達現場時間和企業生產實施計劃無法達到無縫對接。

（2）因近年疫情影響，海外及國內跨省的客戶工程師無法及時到達現場參與試模。

（3）試模結果不理想，導致模具反復修改，效率低、成本高，需要專家指導科學試模，提高試模效率。

4.2 實現路線

（1）在車間現場端，使用帶有激光鐳達攝像頭的pad終端，連接5G信號。

最終，我的答案是假如有人將這只天下大第一壺送給我，我不要，白送我也不要。或有人說：它的做工很精致呀，是由10余名工匠歷時7個多月制成的。是的，可這又怎么樣？既然無用，精制與粗制就沒有什么區別。在廢品上雕上畫還是廢品。或有人說，用掉上乘紫砂土1.5噸呢。是的，可這又怎么樣？既然同樣無用，材料是上乘的還是低劣的就沒有什么區別。或有人說，它是當今世界最大的紫砂壺，是天下第一壺呀。是的，可最大又怎么樣？天下第一又怎么樣？無用的最大就是最大的無用。天下第一壺就是天下第一無用壺，這有什么值得炫耀的嗎？

（2）現場端使用賬戶、密碼登錄。客戶端同步通過Google Chrome瀏覽器，使用賬戶、密碼登錄。

（3）系統支持語音、文字、視頻等方式，現場工程師佩戴降噪耳機，提供優質穩定的工廠降噪通訊功能，隔絕車間噪音的干擾；利用5G大帶寬特性，通過實時將現場視頻疊加文字、標注，實現客戶和企業工程師在虛擬世界中猶如現實世界的互動效果。

（4）當模具生產的樣品不合格時，客戶和現場工程師即時溝通協作，查看樣品生產的真實參數，修正模流分析工藝參數并導入注塑機生產。

與傳統的AR智能終端產品相比具有的優勢：①使用激光鐳達攝像頭的終端得到分辨率更高的圖像，畫面更清晰；②終端固定在支架上，其穩定性好，杜絕頭戴AR終端的不適感，提高客戶體驗。

AR遠程試模組網架構如圖9所示。

4.3 價值成效

（1）取代客戶工程師親臨現場試模，降低試模成本。

1.財務人員審核發票必須嚴格把關，發現任何可疑發票一定要在網上查詢真偽，如果發票時間不對、內容不符合報銷范圍，單程車票等等都不予報銷，杜絕虛假發票報銷科研經費。

（2）打破時空限制，客戶工程人員、質量工程師與企業技術人員可以隨時隨地交流，提高試模效率。

（3）開創性實踐了國內外客戶的遠程試模服務，為業界帶來新的商業合作模式。

4.4 5G關聯性

（1）隨時隨地安全快捷接入。可直接通過平板、手機、電腦等終端打開即用，一鍵連接，整個溝通過程中支持一鍵開啟錄制，方便隨時回看。

（2）5G的大帶寬滿足即時溝通的上行要求。

5 結束語

基于5G特性即大帶寬、低時延、廣連接，通過所實踐的應用場景，總結經驗，發揮一網多用的功能。在模具行業賦能更多應用場景，快速孵化解決方案和產品，實現5G網絡在模具上的快速發展，促進行業價值提升。

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[5]FrankZ聊聊如何做工業現場設備層的數據采集[OB].https://zhuanlan.zhihu.com/p/45537099.

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