5G+工業互聯網在鋼鐵行業的創新應用

0 引言

隨著“ 5G+ 工業互聯網”工作走向深入，5G網絡對加快提升傳統制造業效率、實施制造業數字化轉型發揮的作用越來越大。 5G+ 工業互聯網已成為助推工業向數字化、智能化、綠色化轉型升級的重要力量。鋼鐵屬于流程型生產行業，其主要特點為生產作業連續且流程較為規范，一旦某一工序作業停止，會對生產造成較大影響，因此保障聯網設備的穩定高效運行非常重要。

目前鋼鐵企業生產網絡應用存在三大技術痛點：一是冶金工廠環境復雜，部署有線網絡較為困難且成本高；二是廠區內強電磁干擾場景多，無線信號衰減嚴重，無線網絡覆蓋難度高，4G網絡帶寬不足和高時延，難以滿足工業生產應用需求；三是企業對數據安全、生產安全、網絡安全要求高。

5G技術打破了傳統網絡的困境，可以承載豐富的應用；5G的高速率打破4G的帶寬局限，可支持傳輸工業現場多路超高清視頻；5G的超低時延可實現實時遠程操作設備，例如無人化天車、生產設備數據采集等，做到與生產的無縫銜接；5G具備高可靠性，不受鋼鐵企業惡劣環境（如粉塵、高溫）影響，能夠做到可靠、精準傳輸。

2024年是我國5G進人商用的第5年，成效顯著，尤其在工業制造領域。據工業和信息化部數據，全國 5G+ 工業互聯網的項目數已經超過8000個，以中國寶武為先導，引領各鋼企加速廠區5G網絡建設，通過 5G+ 工業互聯網構建全連接是工廠數字化的前提，也是實現鋼鐵產業流程各環節互聯的關鍵。5G技術以不同場景深度應用為依托，打造數字化、智能化產線，加速推動新質生產力成為核心競爭力。

1 5G+ 工業互聯網在鋼鐵行業的建設

中國寶武從2019年逐步推廣工業智慧“智”造，借助5G的網絡優勢，聚焦鋼鐵企業高效生產、安全生產、節能降耗等方面，提供更豐富、更專業的 5G+ 工業互聯網應用。中國寶武某鋼廠建設企業內部專用5G核心網，該項目是湖北省首個將核心網和承載網全下沉到企業園區的5G網絡，將整套的5G通信核心控制及網元部署在廠區22km² 內，整張網絡由企業自主獨立運營，各類安全策略權限均由企業自行設置全權管控，達到最高的安全等級和控制管理，除具有5G網絡更低時延、大帶寬、海量連接等能力外，還具備數據不出園區，安全高度受控等顯著特點。

1.15G專網系統的組成

5G專網系統由核心網、承載網、無線網及終端設備等構成。

核心網：由AMF接人管理、SMF會話管理、UPF用戶轉發、UDM用戶管理等網元組成，實現5G網絡用戶管理和核心控制轉發。主要設備包括算力服務器、業務匯聚交換機、硬件管理交換機和防火墻等。

核心網網元名稱功能5GC（SA）AMF接入和移動性管理功能，完成移動性管理、NASMM信令處理、NASSM信令路由、安全錨點和安全上下文管理等SMF會話管理功能，完成會話管理、UEIP地址分配和管理、UP選擇和控制等UDM統一數據管理功能，管理和存儲簽約數據、鑒權數據PCF策略控制功能，支持統一策略框架，提供策略規則NRF網絡存儲功能，維護已部署NF的信息，處理從其他NF過來的NF發現請求NSSF網絡切片選擇功能，實現切片選擇功能UPF用戶面功能，完成用戶面轉發處理

承載網：由分布在廠區的傳輸接入設備、傳輸匯聚設備和光纖環網組成，實現5G基站網絡數據的高速穩定傳輸承載。主要設備包括承載網核心設備和接入設備等。

無線網：由5G基站和5G接入終端設備組成，實現移動終端設備與5G網絡之間的無線數據收發。主要設備包括BBU（基帶處理單元）、5G宏站（AAU有源天線單元、RRU射頻拉遠單元）等。

終端設備：具有5G模組，插入授權后的5G專網卡能在廠區5G專網內使用的各類終端設備稱為5G專網終端設備，包括5G工業網關、CPE、DTU、TSP、5G攝像頭等相關5G應用終端通訊設備。

1.25G專網網絡構架

5G專網項目采用無線、承載和核心網的端到端整體解決方案，建設主備（在線和備用）共2套廠區專用5GSA網絡（獨立組網模式），5G核心網（5GC）的網絡結構示意圖如圖1所示。

5G終端接人無線基站，然后NR通過接入環MAR、匯聚環設備MER與5GC專網互通，核心網根據終端訪問地址，送到不同的應用服務器進行訪問（圖2）。考慮到廠區架空管道和高壓線密集，不利于宏站合理布局，因此采用宏站覆蓋+ 微站補盲的建設思路。室外宏站為分布式基站，采用 BBU+AAU 架構。室內區域使用Qcell、室內宏站進行5G覆蓋。5GC專網網絡具備 Gbp/s 的峰值速率、毫秒級時延、數據不出園區的高度安全性，以及100萬個 /km² 的連接能力、 10Mbps/m² 流量需求，能夠滿足智慧工廠的基礎網絡需求。尤其在安全領域，能夠提供專網級別安全保護，降低來自5GC精品專網的非法授權訪問和利用系統漏洞、網絡蠕蟲等人侵攻擊對信息網產生威脅的風險。

25G工業互聯網在鋼鐵行業的創新實踐

通過5G專網建設，針對生產域的不同業務場景，構建“ 1+N+X^′ ’的5G全連接工廠構架，在不同的分廠內按需構建工控專網，利用5G工控算力底座提供“端”“邊”“云”“網”“業”相融合的一體化解決方案，提供端到端的業務連接監控，滿足鋼鐵企業的生產和管理等各個領域豐富的業務應用需求。

圖15GC核心網網絡結構

圖25GC專網端到端連接

2.1“ 1+N+X^′ 的5G全連接工廠構架

“1”個專屬核心網：專屬5GC下沉到廠區，可滿足企業物理設備、數據安全隔離的需求，確保業務數據完全不出廠區。5GC專網專用，還可以為企業應用提供更低的業務時延和更好的SLA保障服務。

“N”個5G共享基站：目前廠區內已建成63個5G共享基站，廠區內5G覆蓋率達 95% 以上。廠區內的5G基站通過網絡共享的方式，一方面滿足廠區內企業員工的網絡需求，另一方面利用網絡切片等技術滿足廠區內企業應用的業務需求。

“X”個工控專網：針對無人化行車、設備數據采集等工控應用場景，在熱軋、冷軋、硅鋼建設下沉式5G工控專網，利用5G工控算力底座構建“端”“邊”“云”“網”“業”相融合的一體化網絡。

2.2基于雙發優收機制的雙頻工控專網

工業現場網絡的穩定可靠運行是生產企業穩定生產、提升效率的重要因素，這就需要5G網絡進入到垂直行業OT生產域以后，能長時間連續高可靠地運行。為了保障5G工業現場網端到端的業務確定性，可以通過異構網絡的部署及異構網上所承載的業務數據冗余傳輸方式，來實現端到端的業務級高可靠保障。

雙發優收冗余機制（frame replication andeliminationforreliability，FRER），通過兩條獨立的無線鏈路，在匯聚側實現數據的優收轉發，既規避了空口無線鏈路的偶發干擾導致的重傳甚至丟包，也規避了單UE突發異常引起的業務中斷。基于SmartEdge（簡稱SE）邊緣計算網關和NodeEngine（簡稱NE）算力單板的雙發選收功能，上行業務通過網關進行數據復制，并通過兩個5G模塊分別進行發送，在NE側進行匯聚選收轉發；下行業務在NE網絡側進行復制處理后，工業網關SE9102的兩個模組同時收取數據并進行去重轉發，見圖3。

熱軋、冷軋產線無人化庫區的應用需求中，行車遠程控制系統網絡通信子系統應滿足遠程控制系統業務通信時延、帶寬和移動性要求，確保網絡連接安全可靠，組網與運維簡單。

針對以上需求定制優化雙發優收方案，原理是發送端發送數據時，FRER功能將數據包進行復制，沿不同路徑傳輸；接收端接收數據時，FRER功能刪除復制的數據包，只保留一個數據包。構建雙頻5G網絡（3.5G和2.1G），通過無線網關配置兩個5G模組，兩個5G模組分別接入兩個5G小區，實現雙鏈路傳輸。BBU（基帶處理單元）NodeEngine和無線網關上部署FRER服務，實現報文的復制和重組，從而保證無線鏈路的可靠傳輸，實現方式見圖4。

圖3基于SE+NE的雙方優收組網模式

行車上PLC和攝像頭通過二層交換機連接雙模5G網關，行車數據從5G網關到BBU，通過NE分流到二層交換機，PLC業務經控制匯聚交換機到WMS系統，攝像頭業務經視頻匯聚交換機到視頻服務器。

雙頻5G專網具有以下5個優點： ① 5G網絡專網專用，劃分獨立的端到端網絡切片，供行車業務專用。 ② 3.5G專網專屬視頻切片，2.1G專網專屬控制切片，滿足視頻業務與控制業務安全隔離。PRB（physical resourceblock，物理資源塊）資源預留，滿足控制業務安全隔離，無線空口帶寬資源專屬專用。 ③SE+NE 雙發優收方案天車與地面二層通訊，網絡結構更簡單，設備故障結點更少。 ④ 行車數據通過NE本地分流，實現廠內數據不出廠區。 ⑤ 視頻SE同時作為控制業務的備用5G終端。SE有兩個通道：通道1接入3.5G網絡，承載視頻業務；通道2接入2.1G網絡，承載控制業務備份，若控制SE故障，交換機接入視頻SE通道2實現終端備份。

圖4工控專網通信模式

35G應用效果

通過對5G專網的不斷完善，針對生產域的不同業務場景，在不同的分廠內按需構建工控專網，滿足鋼鐵行業的生產和管理等各個領域豐富的業務應用需求，形成5大類25大工業應用場景，建成了 5G+ 全連接工廠。

（1） 5G+ 鐵鋼界面智慧管控

通過5G網絡實現機車無人化操控，自動摘掛、自動駐車、自動充電、機車位置信息自動觸發道口報警、道口視瀕上機車。運用大數據分析，實現物流運輸工序可視化跟蹤管控，全物流成本管控數據深人分析。 5G+ 鐵鋼界面系統全面上線以來，提升鐵水運輸效率 10% ，降低鐵水溫降 10K。

（2） 5G+ 智慧生態環保

建設 5G+ 智慧生態環保平臺，針對環保監測點多而分散的特點，融合5G、人工智能、大數據分析等先進技術，搭建從智能感知、智能分析到智能決策的智能化系統架構和管控平臺，實現對廢水、氣排放綜合管理，固廢利用/處置管理，綜合環保管理等，形成具備鋼鐵企業特色的智慧環保“大腦”。

（3） 5G+ 無人化庫區

將5G專網與行車無人化相結合，通過交換系統、遠程監控中心，將實時監控視頻、各項監測數據通過5G網絡實時傳輸。在地面的遠程操作室通過設備操控系統實現對行車的實時精準操控，有效保證控制指令快速、準確、可靠執行，提高作業效率。 5G+ 無人化行車應用，有效減少吊運過程中的產品碰擦損失，人與設備交互作業危險源可減少約 20% ，作業效率提升 10% 。

（4） 5G+ 數字設備

利用5G大帶寬的特點，圖像識別技術，高壓線路巡檢已經通過無人機實現自動巡航，通過5G網絡回傳實時視頻，依托平臺的算力資源，可實時查看無人機巡檢畫面并排查高空電纜及塔桿缺陷。在熱軋廠區，開展 5G+PLC 數據采集，覆蓋23個電氣室，實現PLC數據集中至操控中心。避免高頻數采對控制網絡及主干網帶寬的占用，同時提高安全性。

（5） 5G+ 檢修安全管理

運用5G攝像機安裝便捷、布線少、移動靈活的特點，實時將檢修現場音視頻轉送至安全行為觀察系統。管理人員可以通過公司內網訪問系統，獲取現場畫面，調取監控錄像，方便管理人員對檢修或技改項目現場安全管控。對高危作業中存在安全隱患及時告警，提前介入確保安全生產。

4結語

本文圍繞5G技術與工業互聯網在鋼鐵行業的深度融合展開研究，系統探討了新一代信息網絡技術如何驅動傳統鋼鐵制造向智能化、綠色化方向轉型。以某鋼鐵企業為案例，通過將5G網絡的高帶寬、低時延特性與工業互聯網平臺相結合，為行業的生產流程優化、設備互聯互通及數據實時分析提供了全新路徑。特別是在煉鐵、軋制、物流等關鍵環節中，通過5G技術的應用有效解決了傳統鋼鐵制造中數據孤島、響應滯后等問題，顯著提升了生產效率和資源利用率，為行業節能減排和降本增效提供了可復制的解決方案。

本文摘自《寶鋼技術》2025年第2期