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5G全连接工厂建设白皮书-35产盟.pdf

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5G全连接工厂建设白皮书-35产盟.pdf

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022年的66%,代替了现场总线长期占据的9:..2022年)8%稳步增长,无线类连接应用需求稳定。随着5G技术演进和企业数字化转型,生产制造的无线化、柔性化、智能化等需求持续加大,工业企业对5G技术充满希望。目前工业企业充分利用5G大带宽特性,将5G接入到办公网络、生产管理网络、监控预警网络,同时利用5G低时延高可靠特性,在产线上探索与工业控制网络的融合,即通过5G网络可将企业办公、生产管理、监控预警、工业控制、物联等网络进行互联互通,并形成星形的网络架构,可实现现场终端设备的扁平化接入,改变传统繁琐的有线多层级交换机分层分级,加快IT-OT网络的融合。探索5G网络与行业专网的融合组网。5G网络与工厂现有网络及设备的接入方式也有三种,包含通过5G工业网关接入、通过5GCPE接入、5G设备直接接入等。通过5G工业网关接入方式,主要针对有线网络,并且已接入现场总线或工业以太网的I/O设备、机床、生产线、仪器仪表等,不做任何改变,仍然接入现场总线或工业以太网中,只是在网关处由原有的工业网关更改为5G工业网关,从而接入5G网络。通过5GCPE接入方式,可满足有线网络和工业无线同时接入。对于当前已接入现场总线或工业以太网的I/O设备、机床、生产线、仪器仪表等,也是不做任何改变,继续接入现场总线或工业以太网中,但需将有线网络接入到5GCPE中,从而接入5G网络。对于原无线设备可通过原有工业无线网络接入5GCPE中,从而接入5G网10:..2022年)通过5G设备直接接入方式,需对原有设备进行5G网络化改造,便可直接接入5G网络中。目前主要的5G设备有5G机器人、5GAGV等。,采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放体系,就近提供智能服务,满足企业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的需求。边缘计算作为5G全连接工厂的重要组成部分,企业可根据生产现场需要,在产线、车间、工厂等不同层面按需部署边缘计算节点。在产线上可部署边缘控制器,大幅提升生产现场的数据采集与传输能力,同时承载与生产管控密切相关,具有低时延、高可靠要求的智能化应用,促进应用部署精细化,解决工业互联网平台负担“重”的问题。在车间内可部署边缘网关,充分利用边缘侧资源异构、实时响应等特点,通过在边缘侧开展工业协议转换、数据预处理,提升工业数据质量,完善数据集成体系,解决工业互联网数据价值“低”的问题。在工厂内可部署边缘云,与中心云不断联动,提升数据流通效率,发挥边缘侧分布式存储能力,有效改善了海量数据上传造成的网络拥塞问题,并结合数据分析、人工智能等技术提高决策智能化11:..2022年)与云上一致的功能和体验,解决工业互联网应用部署“难”的问题。随着5G网络在工厂内的部署应用,5GMEC已形成从接入网到核心网的层级化部署架构,并成为网络新出口、应用新入口。5GMEC可以支撑工业互联网应用调用5G网络的带宽管理、位置服务、分流等关键能力,并支持工业软件系统(如MES、SCADA等)和工业应用系统(如工业机器视觉、AGV管理平台等)的部署,推动网络智能化演进,应对异构网络协同部署与智能运维等挑战,解决工业互联网网络应用“少”的问题。4.(1)网络服务与管理系统网络服务与管理系统,是企业对工厂内网进行智能化运维和管理的综合平台。5G网络在工厂内部署后,企业基于生产和安全的考虑,在使用5G网络服务时,网络服务提供商人员不能及时到现场等问题,企业希望能够对网络进行状态监测和维护管理。同时企业基于5G技术能力考虑,企业还希望对于比较专业的网络运维工作,由网络服务提供商来提供服务。建议在企业内部搭建网络服务与管理系统,对工厂内网进行智能化运维和综合管理,实现网络运维管理的可视化、网络与业务协同的智能化、告警处理的及时化、网络升级的联动化。同时建议该12:..2022年)“傻瓜式”的网络运维管理能力,使得企业网络管理人员可以根据企业需要对业务、网络进行端到端监控,管理接入网络的用户,动态调配网络资源,及时发现并跟踪网络故障等,做好日常网络运维工作。网络服务提供商人员可根据使用权限,通过系统进行网络远程维护、升级、故障处理等,降低企业网络运维管理成本及复杂度。(2)数据存储节点数据存储节点是一个存储原始数据的系统或存储库,其中的数据可供存取、处理、分析及传输。存储的数据类型包括来自关系数据库(行和列)的结构化数据,半结构化数据(CSV,日志,XML,JSON),非结构化数据(电子邮件,文档,PDF)和二进制数据(图像,音频,视频)等。工厂内原有采集到的数据,存储在不同的设备、系统或软件中,且由于使用的数据协议不一致,导致形成了数据“孤岛”,企业在使用中不方便查找和调用。同时,工厂内人、机、物、系统等广泛联网后,可产生海量的数据,如果这些数据仍然汇聚到工业互联网平台上进行存储,将会占用平台大部分的存储资源,大大降低平台的运行能力。建议在工厂内部搭建数据存储节点,支持海量数据的集中存储与分析,便于工厂各方对于数据的使用,也可以根据生产规律及数据分析需要,长周期性存储历史数据。数据存储节点可使用数据湖13:..2022年)当前有基于云平台的数据湖和基于Hadoop生态体系的数据湖等两种建设方式。其中基于云平台的数据湖包括数据湖管理、数据存储、计算引擎等能力,该建设方式可打通异构数据源与各类计算引擎的上下游关系。基于Hadoop生态体系的数据湖是将数据湖作为存储层存储各类的原始数据,使用Spark、SparkSQL、MapReduce等计算框架作为分析引擎,对海量的原始数据进行数据分析,使用Flume、Kafka等持续不断衍生出新数据,使用Flink、Storm等将实时分析出的新数据以及相关结果存储在数据湖中。对于数据存储节点中存储的多源异构数据,可通过工业互联网信息模型进行规范,即通过语义标准化描述实现海量多源异构数据的互认互通,及跨设备、跨系统互操作。在5G全连接工厂建设中,可在数据感知层、数据处理层、应用服务层分别部署信息模型,使用数据中间件实现信息模型的即插即用,实现工厂内各功能层级数据的统一表示和融合存储。(3)企业标识服务节点工业互联网标识解析体系已应用于国内多家工厂,对于工厂内的关键设备、重要工装夹具、设备备件、产品、部件、重保件、物料、在制品、制成品、库存等统一标识化,统一管理企业资产。企业标识服务节点是工业互联网标识解析体系接入和输出服务,以及标识应用实施部署的重要节点。它能够面向供应链企业、物流中心等企业提供标识注册、标识解析、标识数据管理等功能,既可14:..5G全连接工厂建设白皮书(2022年)以独立部署,也可以作为企业信息系统的组成要素。企业标识服务节点向上对接二级节点,向下对接企业实际数据或设备,主要功能包括企业内的人、机、料、法、环等对象的标识注册、标识解析、标识数据管理等。截至2022年上半年,企业标识服务节点建设在我国已初具规模,已覆盖全国30个省,已有141509个节点接入并上线运行,标识注册量达1482亿个,覆盖30个行业,。(4)企业级工业互联网平台企业级工业互联网平台建设,参考工业互联网产业联盟发布的《工业互联网平台白皮书》。在5G全连接工厂的建设中,建议企业级工业互联网平台重点聚焦PssS层和SaaS层,强化工业知识沉淀、数据模型训练、应用开发和部署等,提升企业生产管理的快速响应和运营管理的精准决策的支撑能力建设。(二)厂区现场升级5G全连接工厂相对传统工厂而言,重点从现场装备、IT/OT融合应用、生产服务等三方面进行升级。,工厂内仍然存在大量的设备、系统、物料等不具备联网能力,这将导致设备使用情况、系统使用情况、物料信息等不能及时获取,导致生产资源的浪费、生产效率的低下、运营管理的粗放15:..5G全连接工厂建设白皮书(2022年)等问题。企业可通过有线网络或无线网络,将人、机、料、法、环、测等接入到网络中,以便及时发现或获取相关信息。工厂内的数控机床、压缩机、电动机、精密检测、离心泵等没有移动需求的设备可采用有线方式。而AGV、叉车、机器人、码垛机、工业相机、挖掘机等有移动需求的设备可采用无线联网方式。图65G全连接工厂人、机、料、法、环、测等联网内容示例5G作为无线网络技术的一种,在工业生产中可替代原有七国八制的多种工业无线网络技术。5G对其他工业无线网络技术可替代性分析如表1所示。表15G对其他工业无线网络技术可替代性分析无线类型应用场景无线性能要求优缺点5G可替代性物流配送、生产准备优点:丰富生态WIFI5的RF、笔记本、部分缺点:不安全、接入5G可满足设备等办公设备数量企业网车间智能感优点:定位精度高、定位精度稳定5G支持高精度UWB知、精准配送场景(载稳定在30cm内定位具车)缺点:建网成本高16:..5G全连接工厂建设白皮书(2022年)公司推广的资产盘点优点:私有协议解决方案、、NB-:与wifi串频干RFID射频模块、各满足扰,不兼容类无线安灯等蓝牙打印机、优点:低功耗5G、NB-IoT可Bluetooth/BLE可交互、低功耗fingerscan等缺点:连接数小满足厂区各类传感器、低速、低功耗、优点:自组网缺点:5G、NB-IoT可ZigBeeESD等低成本距离近,速率低满足设备或系统可进行5G化改造的特征有以下三种:(1)部署需求:具有可移动、灵活化等部署需求的设备.(2)作业需求:具有摆动、旋转等作业需求的设备。(3)性能需求:数据流量大、高可靠、低时延等性能需求的设备或系统。设备的5G化改造方式有以下两种:(1)可以采用外接5G终端/网关的方式,完成设备的5G化改造。现阶段主要是通过连接5GCPE或5G工业网关进行改造。其中5GCPE适用于现场有移动和旋转摆动设备,有无线连接需求的工业场景;5G工业网关适用于在工厂边缘侧对于数据有汇聚、处理需求,作为边缘网关的应用场景。(2)内置带有5G功能的芯片、模组、传感器等,完成设备的5G化改造。伴随着5GURLLC技术的发展,5G模组将提供类似于传统工业模组的功能,工业现场设备(如IO/变频器/PLC等)可内置集成5GURLLC模组,实现从传统工业模组向5G模组平滑过度。17:..5G全连接工厂建设白皮书(2022年)在人、机、料、环、环、测等全面联网后,便可通过人工输入、系统导入、自动感知、设备读取、视频采集、系统生成等方式,对研发数据、生产数据、运维数据、管理数据、外部数据等各类生产运营管理所需的数据进行采集。采集到的数据应包含但不限于海量的关键价值数据、接口数据、信息化数据以及文档、图片、音频、视频等类型数据。图75G全连接工厂人、机、料、法、环、测等数据采集内容示例其中可通过5G网络传输的数据特征如下:?视频?声音?质量较高的图片?海量的文字数据?时延、可靠性要求较高得指令信息18:..5G全连接工厂建设白皮书(2022年),IT系统应用和OT系统应用是由不同的团队进行建设和管理,其中IT系统应用一般由具有计算机、软件等背景知识的人员组成团队进行研发,主要是实现企业的信息化,提高生产管理运营能力。OT系统应用一般由工业控制等背景知识的人员组成团队进行研发,主要是实现生产制造的自动化。IT与OT之间存在一个物理或虚拟的“墙”进行隔离,相对独立。近年来,企业在推动数字化转型过程中,亟需实现设计、研发、生产、销售、服务、管理等全环节的数据共享与快速流转,以满足提高产品质量、提升企业生产效率、降低企业运营成本、快速响应市场需求等。在5G全连接工厂建设中,建议改变原有工厂内IT-OT系统应用建设运营方式,组织IT-OT融合团队,对IT-OT进行一体化部署,通过应用软件或系统功能的云化部署,研发面向工厂生产、运营、管理等需要的各类移动端应用程序(APP),建立起扁平化、灵活化“云-边”协同架构,形成IT-OT应用的统筹建设、统一运维、统一管理,并促进形成工厂内同时要加快推进云网融合,实现网络资源、计算资源、平台资源等横向打通,提升工厂生产运营管理效率。19:..5G全连接工厂建设白皮书(2022年)图85G全连接工厂IT/OT应用“云-边”协同架构将应用软件或系统功能的云化部署,可实现本地设备、系统的轻量化。云化部署的对象包含设备功能、生产控制系统、工业软件、企业信息化管理系统及软件等。云化功能的特征包含具有远程调用、资源共享、高算力性能等需求的功能,如云化AGV、云化机器人、云化PLC、云化SCADA、云化MES、云化机器视觉检测平台、云化企业资产管理系统等。企业可根据生产现场需要将应用部署在边缘计算节点和企业级工业互联网平台上。建议对高实时性、高可靠性、高安全性的应用按需部署在边缘计算节点上,通过边缘计算、人工智能等技术,为生产的端侧就近提供智能化服务,提升企业的生产效率。对需要海量数据支持、高算力的应用及相关管理系统功能等部署在企业级工业互联网平台上,可通过云计算、大数据、人工智能等技术,对设备、产品、生产工艺、企业管理等模型进行训练,持续优化生产工艺,实现工厂各生产环节的数字化转型升级。20:..5G全连接工厂建设白皮书(2022年)、网络化、智能化发展的过程中,对生产服务提出了新要求,如平台化设计、智能化制造、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、数字化管理等,这些新型的生产应用模式,需要基于海量工业数据,通过端到端的数据深度集成与建模分析,实现数据驱动的智能应用。工业数据建模是工业经验与数据科学的有机结合,通过工业问题定义、工业数据选择、数据预处理、特征工程、算法选择、模型训练、模型评估、模型应用、模型迭代优化、模型变更等环节,循序渐进的逐步建立起数据模型,并随着技术演进和生产运营管理所需,形成螺旋式上升的方式持续优化模型。其中工业问题定义,是将工业问题转化为清晰的数据问题。特征工程与算法选择,是将复杂工业场景抽象化并与恰当算法进行匹配。模型化迭代优化,是基于现场应用效果和海量数据,不断优化模型,提升应用能力。在工业数据建模与分析中,建议不断积累和沉淀专业领域知识、工业生产实践经验、已知工业机理等,构建工业机理模型,以实现数据分析应用,并综合利用数据统计、机器学****人工智能算法等,实现面向历史数据、实时数据、时序数据的聚类、关联和预测分析。当前工业数据高级分析算法主要以机器学****为主,可基于回归算法、贝叶斯算法、关联规则算法、聚类算法、决策树算法、深度学****算法等。数据分析工具主要以集成算法包的开源数据工具为主,如21:..5G全连接工厂建设白皮书(2022年)Python、R或两者的结合等。(三)关键环节应用2021年工业和信息化部发布了“5G+工业互联网”20个典型应用场景,涵盖到工业研发设计、生产运行、检测监测、仓储物流、运营管理等关键环节。各环节中的典型应用场景归类如下:研发设计类包括协同研发设计(包含远程研发实验环节、异地协同设计环节)、生产单元模拟等2个应用场景,可提升企业网络协同研发设计及与现场作业交互能力。生产运行类包括远程设备操控、