5G+工業(yè)PON在智慧工廠中的融合應用

李賢毅

（湖北郵電規(guī)劃設計有限公司，湖北 武漢 430022）

0 引 言

隨著我國智能制造2025的提出，加快了傳統(tǒng)制造業(yè)向高端制造業(yè)轉型升級，奠定了我國經濟高質量發(fā)展的基礎。同時，5G、工業(yè)PON以及人工智能等新一代信息技術的發(fā)展，以及與高端制造業(yè)的進一步融合，催生了智慧工廠的建設需求，加快5G、工業(yè)PON、大數據以及物聯(lián)網在智慧工廠中的應用，可提升智慧工廠網絡化、數字化以及智能化水平。

5G大容量、低時延以及超寬帶的特點，將與智慧工廠解決方案核心要素契合，必將帶動工業(yè)互聯(lián)網的加速落地。5G+工業(yè)PON在垂直行業(yè)應用能力的提升，將使其走進越來越多的企業(yè)，同時機器視覺、無人車輛以及遠程控制等尖端5G應用將助力傳統(tǒng)制造業(yè)新一輪的轉型升級。

1 智慧工廠解決方案核心要素

智能制造的核心發(fā)展趨勢是大容量、低時延、超寬帶、靈活、高可靠及信息安全，以支持工業(yè)場景的發(fā)展需求。智慧工廠解決方案核心要素為超級透明、超級柔性以及超級智慧。超級透明指人與人、人與設備、人與系統(tǒng)以及系統(tǒng)與系統(tǒng)等之間所有信息是透明的，可以隨時交互通信。超級柔性包括組織柔性、物流柔性以及生產柔性。組織柔性包括定制協(xié)同、制造協(xié)同、銷售與生產協(xié)同、生產計劃協(xié)同、采購計劃協(xié)同以及生產執(zhí)行協(xié)同，物流柔性包括智慧物料供應與送達及物流全業(yè)務掃碼驅動，生產柔性包括柔性產線與物料關系、柔性工藝路線、作業(yè)與技術文檔以及出錯與返工等。超級智慧包括智慧排程、智慧現場以及智慧物流。其中，智慧排程包括排程計算模型、訂單排程、有限產能排程、柔性產線定義、網絡工藝計劃以及需求優(yōu)先級等，智慧物流包括智慧物料供應、智慧立體倉庫系統(tǒng)、智慧亮燈揀貨系統(tǒng)以及物料的混用替代與組合替代，智慧現場包括智慧電子看板、現場智慧防錯、技術檔案管理、全程的質量與追溯管理以及生產現場異常處理[1]。

2 5G技術在智慧工廠中的應用

智慧工廠5G應用可分為IT域、OT域以及CT域。IT域系統(tǒng)設備包括OA系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、CRM系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)、預測性維護系統(tǒng)以及遠程控制系統(tǒng)等。OT域系統(tǒng)設備包括現場總線和工業(yè)以太網等通信方式。CT域系統(tǒng)設備包括5G核心網、邊緣計算MEC、基站以及工業(yè)CPE等[1]。CT域連接IT域和OT域，為工廠提供網絡承載和業(yè)務質量保障。

智慧工廠網絡由工廠內網和工廠外網組成。工廠內網中，通過5G基站和室內分布基站對工廠園區(qū)和車間內部進行無線信號覆蓋，覆蓋方案見圖1。工業(yè)機器數據可通過5G數據采集模塊采集后上傳到后端設備，通過園區(qū)和工廠網絡上傳到服務器進行處理。不具備5G通信數據采集能力的工業(yè)終端，可以通過工業(yè)數據前置設備和工業(yè)融合網關接入5G網絡，然后完成數據上傳和處理[2,3]。工廠內可移動性終端設備，如AGV、叉車以及天車等可優(yōu)先考慮采用5G網絡進行接入，其他固定不動設備可以在后期進行5G接入改造，以便適應5G網絡應用要求。

圖1 智慧工廠5G網絡覆蓋架構

5G技術在智能制造業(yè)中的重要應用可體現在智慧工廠的建設上。5G網絡可無縫連接工廠內的各種生產設備，可打通工業(yè)設計、采購、倉儲以及物流等各種環(huán)節(jié)，滿足工業(yè)設備互聯(lián)互通和遠程交互的應用需求[4-6]。5G的3大應用場景對應的智慧工廠應用如下。eMBB應用場景下，應用業(yè)務包括可預測性維護、動態(tài)產能監(jiān)控、智慧巡檢、設備點檢管理以及能耗管理。uRLLC應用場景下，應用業(yè)務有VI+AI分析、邊緣計算以及智能云測試等。mMTC應用場景下，應用業(yè)務有云化機器人、人機協(xié)同、AR遠程控制、移動IGV以及云化PLC。

3 工業(yè)PON在智慧工廠中的應用

工業(yè)PON屬于車間級網絡應用。工業(yè)級接入網關光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）可實現全光網絡到工廠內各設備層的連接，光分配網絡可實現各車間內工業(yè)設備數據、生產數據以及監(jiān)控數據到匯聚網關光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）的集中，最終通過匯聚網關（OLT）與企業(yè)IT網絡的互聯(lián)，實現企業(yè)OT和IT的融合組網[7,8]。

建設中小型智慧工廠可配置2臺互為備份的OLT設備放置于控制室，ONU放置于各操作工位或車床附近，建設大型智慧工廠則可根據需要配置多對互為備份的OLT設備，采用手拉手的組網方式，實現備份和保護[9]。

新建廠房、生產車間或新增生產線可同步部署工業(yè)PON設備。利用工業(yè)PON技術可搭建車間內的數據采集網絡，向上通過OLT設備連接核心交換機，向下通過工業(yè)級ONU直接連接生產機器設備或數據采集設備。點到多點結構的工業(yè)PON網絡，可以工廠提供多種業(yè)務并集成無線覆蓋。車間生產線中，有些設備已有近端工業(yè)機床信息化操作，但尚未將相關數據及控制指令遠程化，則需要通過PON網絡將數據采集到遠端進行監(jiān)控。工業(yè)PON網絡連接新的業(yè)務設備，實現對多種應用進行網絡安全隔離（物理及邏輯雙重）。此外，工業(yè)PON可適用于工廠級網絡的承載，可參考現有政企接入網的建設模式，通過PON設備進行工廠內辦公網絡和生產網絡的接入網建設。工業(yè)PON網絡最常用的組網方式是鏈型組網和星型組網，可實現全光路保護，為智慧工廠的通信可靠性提供了保障。

4 5G+工業(yè)PON在智慧工廠中的融合應用

工業(yè)PON可實現對工業(yè)設備（如數控機床）的有線網絡覆蓋，同時也可通過對無線網絡承載實現車間有線無線一體化網絡覆蓋。工業(yè)PON主要適合帶寬、可靠性以及實時性要求高且位置相對固定的設備接入。工業(yè)PON不僅是智慧車間智能化的有線承載方式，同時也提供車間5G網絡承載和無線設備POE供電等。

5G網絡應用場景廣泛，在智慧工廠應用范圍上將比工業(yè)PON更加豐富，可應用于車間、工廠以及園區(qū)等。根據5G的特點，適合廣覆蓋、移動性強、有危險性以及有線無法通達等工業(yè)應用場景，如化工園區(qū)、鋼鐵、礦山、交通、能源以及電力等行業(yè)。智能工廠建設過程中，5G可以逐步替代工業(yè)以太網，提高性價比。

企業(yè)內的5G網絡可以宏站、室分以及一體化小基站等多種組合方式進行部署。工業(yè)PON承載5G組網架構如圖2所示。對于運營商外網，可考慮將小基站的數據經由PON回傳后分流至5GC。對于宏站，可以考慮采用工業(yè)PON作為回傳，BBU如果放在運營商機房，則無需通過工業(yè)PON回傳[10]。對于企業(yè)內網，根據業(yè)務的不同，可部署MEC，將部分WiFi、5G小基站以及宏站的流量分流到工廠內部。

圖2 工業(yè)PON承載5G組網架構

5 結 論

隨著5G、工業(yè)PON以及大數據等新一代信息技術的發(fā)展，智能制造將朝網絡化、數字化以及智能化方向發(fā)展，工業(yè)PON也需要向全光網絡解決方案演進。隨著5G網絡建設步伐的加快，5G在智慧工廠創(chuàng)新應用方面取得突破，并將逐步得到廣泛應用。工業(yè)PON可以組建安全可靠的工廠內網絡，有效解決工廠和數字車間的數據通信交流，為企業(yè)上云提供基礎網絡和數據服務，并針對新型智慧工廠轉型升級需求，提供邊緣計算、低時延業(yè)務承載、開放的工業(yè)App平臺以及智能化的運維管控能力。5G和工業(yè)PON在智慧工廠建設中相互協(xié)同，互為補充，并結合各自特點開展業(yè)務。隨著5G技術與物聯(lián)網、大數據、云計算、數字孿生以及人工智能的深度融合，將助推智慧工廠等工業(yè)互聯(lián)網領域向更加智能、高效、便捷以及低成本方向發(fā)展。