文献标识码：B文章编号：1003-0492（2024）07-078-08中图分类号：TP29

★左志军，陈科霖，贺毅，杨猛（广州明珞装备股份有限公司，广东广州510535）

关键词：离线5G通信；自动化生产线；高可靠性；快速搭建

1　引言

随着工业4.0时代的到来，自动化生产线已经成为现代制造业的重要组成部分。而在自动化生产线中，通信网络起着至关重要的作用。传统的有线通信网络虽然稳定性较高，但部署成本高昂且灵活性较差，难以满足现代生产线的需求。相比之下，无线通信网络具有部署灵活、成本低廉等优点，但由于其易受环境干扰和信号衰减的影响，稳定性和可靠性成为了亟待解决的问题。5G可以满足工业现场网络灵活组网和无线通信的需求^[1]。例如，个性化定制要求生产线具有更高的灵活性，甚至可根据订单变化和业务需求而快速增加、移除可移动操作设备实现生产线重构，这要求现场网络也能够支持灵活可重构的组网方式^[2]。此外5G通信技术以其高速度、大容量、低时延等特点，为工业现场网络提供了全新的解决方案。然而，5G通信在实际应用中也存在一些问题，如覆盖范围有限、设备接入兼容性需要适配等。因此，如何快速高效地搭建出高可靠的离线5G通信现场网^[3]，并将其应用于自动化生产线交付过程中，是当前亟需解决的问题。基于以上背景，本文以高可靠快速搭建的离线5G通信现场网在自动化生产线交付过程中的研究与应用为主题，探索了一种适用于现代化生产线的新型通信网络解决方案。这一研究对提高自动化生产线的生产效率和质量、降低企业运营成本、推动制造业的转型升级具有重要意义。

近年来，国内外对5G通信技术的研究已经取得了显著的进展。在国外，美国、欧洲等地的电信运营商已经开始大规模部署5G网络，并在多个领域实现了商业化应用。然而，5G通信在自动化生产线的应用方面，仍处于初级阶段^[4]。目前的研究重点集中在5G通信技术的基础理论和技术实现上，而对于如何将5G通信技术应用于自动化生产线交付过程中的具体实践还较少。在国内，尽管5G通信技术的研发和推广正在加速推进，但在自动化生产线交付过程中的应用研究仍相对较弱。现有的研究多集中于单一设备或特定领域的应用，缺乏整体性、系统性的研究。同时，由于我国工业化水平的不断提高，对自动化生产线的需求也在不断增加，因此对5G通信在自动化生产线交付过程中的研究与应用有着巨大的市场需求和发展潜力^[5]。未来，随着5G通信技术的不断发展和完善，以及智能制造的不断推进，预计5G通信在自动化生产线交付过程中的应用将会得到更广泛的关注和研究。本文的研究目标是提出一种高可靠快速搭建的离线5G通信现场网在自动化生产线交付过程中的实现方案，以提高自动化生产线的通信质量和效率。为了达到这一目标，本文将围绕以下几个方面的内容展开研究：（1）对现有5G通信技术进行梳理和分析，了解其基本原理、特点以及其在自动化生产线交付过程中的应用前景。（2）基于5G通信技术，设计并实现一套适用于自动化生产线交付过程的离线5G通信现场网，以满足生产线实时监控、数据传输等需求。（3）对所提出的离线5G通信现场网进行实践验证，分析其实时性、可靠性等方面的性能指标，以确保其能够在实际生产环境中稳定运行。（4）根据实验证明的结果，对所提出的离线5G通信现场网进行优化，提升其性能表现。（5）分析离线5G通信现场网在自动化生产线交付过程中的经济效益和社会效益，为相关企业和行业提供决策支持。通过对上述内容的研究，本文希望能够为5G通信技术在自动化生产线交付过程中的应用提供一定的理论依据和技术支撑，促进制造业向更高层次的智能化、自动化发展^[4]。

2　离线5G通信技术与自动化

2.1　5G通信的基本概念

5G（Fifth Generation）是指第五代移动通信技术，是继2G、3G、4G之后的最新一代蜂窝移动通信技术。5G不仅仅是更快的移动网络速度，还通过一系列技术创新，提供了全新的功能和服务，包括增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（URLLC）。这些特性使得5G技术能够广泛应用在众多领域，例如自动驾驶、远程医疗、智慧城市、物联网等等。此外，5G网络采用了更高的频率波段，使其能够承载更多的数据流量和连接更多的设备^[6]。

2.2　5G通信的关键技术

5G通信的关键技术主要包括：（1）多址技术：采用新的多址接入方式，比如正交频分复用（OFDM）和载波聚合（CA），能够充分利用频谱资源，提高了数据传输速率和系统容量^[3]。（2）宽带射频技术：采用毫米波、亚毫米波等高频段频谱资源，能够提供更大的带宽和更高的数据传输速率。（3）天线技术：采用多天线阵列和波束赋形技术，能够提高空间分集增益和定向性，从而提高系统的抗干扰能力和信号质量。（4）光纤传输技术：利用光纤作为物理介质，实现超高速的数据传输^[7]。（5）云计算和大数据处理技术：将大量的数据处理任务迁移到云端，减少了本地计算负载，提高了系统的响应速度和容错能力。（6）软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）：将传统硬件设备的功能抽象出来，转变为软件形式，实现网络的灵活管理和资源动态分配。（7）人工智能和机器学习技术：用于优化网络资源配置、预测网络行为，提高了网络的智能化程度。（8）网络切片技术：通过虚拟化技术将一张物理网络切割成多张逻辑网络，每张逻辑网络可以独立配置和管理，满足了不同业务场景的需求^[3]。

2.3　5G通信的特点及优势

5G通信技术相对于前几代移动通信技术，有以下特点和优势：（1）更高的传输速率：5G的最大理论峰值下载速度可以达到10Gbps，比4G快了几百倍，能够满足未来智能工厂、无人驾驶等领域的高速数据传输需求。（2）更大的连接密度：5G的连接密度可以达到每平方公里百万级别的设备，这将极大地扩展物联网的应用场景。（3）更低的时延：5G的端到端时延可达到毫秒级别，这对于需要实时反馈控制的自动化生产线来说至关重要。（4）更高的能效：5G的技术创新使网络设备的能耗大大降低，提高了能源使用效率^[8]。（5）更强的安全性：5G支持多种安全机制，如加密算法、身份认证、访问控制等，可以保证自动化生产线的数据安全。（6）更灵活的网络配置：5G引入了网络切片的概念，可以根据不同的业务需求定制专属的网络服务，满足了多样化的需求。综上所述，5G通信技术具有高速率、大连接密度、低时延、高能效、安全性强、灵活配置等特点，能满足自动化生产线交付过程中的通信需求^[9]。

2.4　自动化生产线的基本概念

自动化生产线是一种先进的智能制造模式，它通过将各种生产设备和控制系统有机结合起来，实现产品的批量生产。自动化生产线通常由输送系统、加工系统、检测系统、控制系统等多个部分组成，通过计算机进行集成控制，实现物料搬运、加工、装配、检验等全过程的自动化作业。自动化生产线的使用，可以提高生产效率、降低成本、保证产品质量和一致性，实现了生产过程的精益化和智能化^[10]。

2.5　5G通信的特点及优势

自动化生产线的关键技术包括传感器技术、机械传动技术、机器人技术、视觉识别技术、信息管理系统等。

传感器技术负责采集生产线上的各种状态信息，如温度、压力、位置、速度等，为后续的控制和管理提供基础数据；工艺生产设备是实现加工工艺的设备，如数控机床、焊机、压机、拧紧机等；机器人技术则是自动化生产线中非常重要的一环，它可以完成重复性的、繁琐的工作，如搬运、组装、检测等；数字孪生系统是一种通过构建一个物理系统的数字模型，将现实世界与数字空间相结合的技术，可以真实地显现自动化产线各种运行状态，如焊接线过程的实时监控、远程维护、工艺参数优化、故障预测等，从而提高了生产效率，降低了运营成本，并确保了焊接质量^[1]。

3　高可靠快速搭建的离线5G通信现场网设计

3.1　系统方案架构设计

随着5G通信技术被广泛应用，工控领域也迎来了新的机遇和挑战^[9]。在高实时控制系统中，5G通信网络可以部署实现数字化、智能化和柔性化产线控制网络结构，但是，面对工作环境严峻、技术要求高的工业控制领域，5G通信网络也同样面临着一些挑战：

（1）工业控制系统的高可靠性和低时延性对5G通信网络提出了更高的要求。在实时控制和远程操作中，任何网络延迟或信号丢失都可能导致生产事故或质量问题，因此需要确保5G无线网络的稳定性和可靠性。

（2）在生产过程中，随着工控设备的增加，设备间互联和数据传输量也大大增加，对5G网络带宽和服务器数据处理能力提出了挑战。如何有效管理和优化工控系统的数据流量，确保实时性和准确性，也是5G通信网络技术需要解决的问题之一。

（3）5G网络的开放性同时增加了安全方面的风险，工控领域对网络安全和隐私保护有着高要求，需要采取高安全级别的措施，来防止网络被恶意攻击或数据泄露。

综上所述，5G通信在工控领域的应用虽然带来了许多机遇，但也面临着诸多挑战，需要在技术、管理和安全等方面持续进行创新和优化，以实现工业生产的数字化和智能化落地^[10]。

3.2　5G网络拓扑在毫秒级高实时控制系统中的应用场景分析

针对离线5G通信现场网在自动化生产线交付过程中的应用，我们考虑构建以下系统架构：

物理层（如图1所示）：包括5G基站双频双发选收、传输链路、电源系统等基础设施，负责提供稳定的网络连接和供电保障。

图1 离线5G核心网络架构

网络控制层：uRLLC场景的业务对PLC控制时延要求极为严格，西门子默认时延2ms，看门狗3次重连联，单次最大时延6ms，安全I/O型模组对通信可靠性要求不低于99.999%，端到端切片、网络安全要求和办公业务完全隔离。因此，如图2所示进行频谱规划设计、工业应用部署规划、业务流量隔离规划、网络覆盖规划等，实现网络的管理与控制、数据的路由交换与转发^[12]。

图2 离线5G网络设计

数据管理层（如图3所示）包括数据库服务器、存储设备等，负责存储和管理自动化生产线的各种数据和信息。

图3 服务器资源DockerCompose管理分配

应用层（如图4所示）：包括各种应用程序和客户端，如监控系统、数据分析系统、生产调度系统等，用于实现自动化生产线的监控、控制和管理^[12]。该系统架构采用了模块化的设计思路，各个层级之间相互独立而又协同工作，能够有效地提高系统的可靠性和可用性，同时便于后期的维护和升级。

图4 应用综合管理平台架构

4　离线5G现场网在自动化生产线的应用

4.1　应用场景搭建

自动化生产线交付过程中的5G应用场景可以分为产线内部物流、生产过程控制、质量检测和远程监控等几个方面^[13]如图5所示。

内部物流：在自动化生产线的交付过程中，物流的实时跟踪和管理是至关重要的。离线5G通信现场网可以帮助实现物流信息的实时传输和处理，从而实现物流的可视化和追踪，提高了物流效率。

生产过程控制：在自动化生产线的交付过程中，生产过程的控制是非常重要的。离线5G通信现场网，可以实现实时的远程生产调度，在交付过程中可减少现场铺设通讯网络线路的工期，提高了生产效率和质量^[14]。

图5 离线5G产线网络拓扑案例

数字化系统：在设备交付验证阶段，产线集成生产方可以利用离线5G现场网和数字孪生系统相结合^[14]（如图6所示），为客户提供更加全面、高效的服务。通过远程监控和数据分析，集成商能够实时了解设备的运行状态和性能表现，为客户提供更加精准的调试和优化建议。这不仅可以提高客户满意度，还能够缩短设备交付周期，降低维护成本。

图6 焊接工作站数字孪生系统

4.2　实施与测试

实施离线5G通信现场网在自动化生产线交付过程中的应用，首先需要确定适合的网络设备和部署方案。在实际操作中，应考虑到生产线环境和设备特性的差异，以及通信设备和自动化设备之间的接口标准和协议要求，选择合适的生产设备和组件。接下来，还需要进行定期的检查和维护，以确保通信系统的正常运行和网络安全。通过实时监控和数据分析系统，生产企业的维保人员可以及时发现问题并采取有效措施加以解决，确保生产线的持续稳定运行^[15]。总的来说，离线5G通信现场网在自动化生产线交付过程中的应用，需要综合考虑多个因素，通过科学合理的规划和实施方案，才能验证出高效可靠的通信配置参数。

内部物流：一些如移动AGV小车（如图7所示）、无人叉车或其他自动化移动设备，5G网关接入5GCPE，可以实现原4G、Wi-Fi通讯无法比拟的高效、迅速、低延迟的通信，提升了运行效率。

图7 移动设备（AGV小车）5G网络连接数据传输

控制+机器人（如图8所示）：原机器的接入组态扫描默认时延2ms通过5G无线网关，接入离线的5G专网通信网络进行替换有线以太网，机器人能接收实时的指令，执行高精度的操作，改善了效率；同时，机器人也可以实时反馈操作信息，提供数据支持。

图8 机器人5G网络连接数据传输

传感器和检测设备（如图9所示）：异构复合数据传输传感器及检测设备通过不同传输介质，其进行协议转换后接入5G网络，生产线上的传感器和检测设备可以在极短的时间内将搜集到的信息传回，支持对生产过程的周边环境设备进行实时监控和调整。

图9 传感设备5G网络连接数据传输

生产设备：生产设备如加工机床、装配设备等，也可以通过连接5G网关，接入5GCPE，接入5G核心网，进行任务派送排程调达等。

5G设备参数：pRRU皮基站通讯频率等选定，如表1所示；核心网IP设定如表2所示；设备数据需求划分如表3所示。

表1 离线5G实践基站参数配置

表2 离线5G专网IP设定

表3 自动化产线各类设备数据传输质量需求划分

4.3　关键技术实现

离线5G通讯在自动化生产线中离不开以下关键的技术：

（1）双发选收：5G+实时控制，在自动化产线中对低延迟的需求极高，达毫秒级以上。故使用双发选收技术，可以通过增加发射和接收的数量，提高数据传输速率，减小通信延迟，保证数据的可靠性。

（2）动态自组网：离线5G通信现场网具备动态自组网的能力，即在网络拓扑发生变化时，节点能够自动进行重新组织和链接，以保持网络的有效运行。

（3）异构网络融合：离线5G通信现场网具备异构网络融合的能力，即能够将不同类型的无线网络（如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等）无缝地融合在一起，以实现高效的通信。

（4）动态资源调度：离线5G通信现场网具备动态资源调度的能力，即根据用户的实时需求，动态地分配网络资源，以满足用户的服务质量要求。

（5）MEC边缘计算：离线5G一体机具有丰富的存储资源和强大的运算能力，能提供给用户部署自动化产线的各种交付过程监控的业务App等^[16]。

4.4　应用性能效果分析与优化

自动化生产线中其网络通讯质量是非常高，故对5G的通讯质量及速率的优化是非常重要的。下面是一些性能指标要求和网络优化：

（1）数据传输速率：数据传输速率是衡量网络性能的一个重要因素。如果速率过慢，可能会导致生产线的连接设备掉线、设备故障，因此可以通过增加信道带宽、提高发射功率、双发选收等方法来提高数据传输速率，其次再在设备端进行网络参数配置设定（如图10所示）。

参数优化：PLC配置修改，PLC设备组态update time →set update time manualiy: 8.000ms；accepted update cycles without io data: 3；watchdog time: 24ms。

图10 机器人修改扫描周期为8ms

在离线5G通信现场网性能测试：

对特定端进行PING包长时测试双发选收5G网络时延≤20ms的比例达100%，基本满足工业设备需求（更新周期8×3），可用于工业生产场景。

5G网络运行约11天，期间非安全类I/O和机器人设备一直在线，未发现掉线如表4所示。

表4 5G现场网数据质量时延、丢包率、稳定性

（2）网络覆盖范围：网络覆盖范围是指离线5G通信现场网能够覆盖的地理区域。如果覆盖范围不够广，会导致某些区域无法接收到信号，因此可以通过增加基站数量、优化天线布局、调整发射功率等方法来扩大网络覆盖范围。如图11所示，广州明珞黄埔CPS创新中心的5G信号强度、上下行速率均符合应用场景要求。

图11 自动化产线区域离线5G网络覆盖测试

（3）数据传输质量：数据传输质量是指网络能够提供的服务水平，包括延迟、抖动、丢包率等因素。为满足现场的设备网络通讯需求，通过设置优先级、预留带宽、使用QoS策略等方法来提高5G数据传输服务质量，网络通讯质量测试验证如图12所示。

图12 离线5G网络测试验证

（4）数据业务应用：我们成功实现了基于离线5G通信的一体机MEC，部署了自动化产线的效能管理平台如图13所示。该系统可缩短生产线部署调试交付周期，可精准快速定位生产线在交付前存在的问题，并给出相应的建议解决方案；在数字孪生系统如图14所示，也基于5G现场网进行验证，数据的传输也达成使用标准。

图13 效能平台自动化产线的监控

图14 焊接工作站数字孪生系统

综上所述，离线5G通信现场网在自动化生产线交付过程中的实践验证结果表明，离线5G的现场网应用是可行的，通过增加覆盖范围、设备参数匹配修改适配等手段，5G的工业应用可为生产线的现场网提供基础，简化了现场网络线路，减少了现场网络线路铺着的时间周期。此外，5G算网一体机MEC可以为现场提供极速的边缘云应用，例如工业物联网设备的接入、全连接工厂的打造、内容缓存、超高带宽内容交付、本地业务分流、任务迁移等。这些应用可以大大提高现场业务处理的效率和实时性、推动数字化转型和工业智能化的发展，达成快速交付的能力。

5　总结与展望

从本次的研究和实践中，我们得出了一些关于离线5G通信现场网在自动化生产线交付过程中的主要研究成果：（1）成功实现了基于离线5G通信的自动化产线现场网的快速搭建快速落地的解决方案，缩短了生产线交付周期，达成了快速交付的能力。（2）基于离线5G通信技术实现了自动化生产线的远程监控和实时调度，提升了生产线的智能化水平。（3）提出了一种基于深度学习的故障诊断方法，可以准确快速地判断生产线在交付前设备存在的问题，并给出相应的解决方案。

虽然通过本次课题的实践研究，我们得到了一定的收获，但实验测试的数据从时间维度看还是有限，还需要更长时间的运行来验证离线5G网络的稳定性，以及实践的案例过少，需要进行更多的场景来运行测试。另外，第一点，离线5G通信现场网目前的设备成本较高，限制其在自动化生产线交付的普及应用。我们需要研发出低成本的离线5G通信现场网的设备，降低部署设备成本，促进其在自动化生产线交付的应用普及。第二点，离线5G通信现场网的数据传输速率受限，离线5G传输速率基本为10～20ms，最大时延达18ms甚至更高，而本方案的博途设备组态默认扫描周期为2ms×3次，需要我们修改设备扫描周期，方可避免设备因网络掉线而引发的设备故障，因此我们需要研发出更高数据传输速率的设备，以适配更多的使用场景。

★广州市产业领军人才集聚工程项目支持：广州市创新领军团队（编号：201909010005）。

作者简介：

左志军（1985-），男，河北石家庄人，高级工程师，现就职于广州明珞装备股份有限公司，主要从事计算机系统结构、数字化与智能制造方面的研究。

参考文献：

[1] 5G工业应用联合创新实验室. 5G工业应用白皮书[R/OL].

[2] 徐楠楠, 孙明, 孙贺, 等. 5G技术在工业制造中的应用研究[J]. 电信网技术, 2020, 000 (11) : 79 - 85.

[3] 陈锋, 谭津, 王洁, 等. 5G低时延高可靠场景传输可靠性性能评估[J]. 电子技术应用, 2023, 49 (12) : 70 - 74.

[4] 中国信息通信研究院. 中国 "5G+工业互联网" 发展报告[R/OL].

[5] 丁哲, 于佳. 电力5G低时延技术在电力系统中研究与应用[J]. 山东电力技术, 2023, 50 (12) : 45 - 51.

[6] 赵睿. 面向5G的低时延高可靠通信关键技术研究[D]. 西安电子科技大学 [2024-07-11].

[7] 辛冰. 5G新技术在工业制造的应用场景分析及探索实践[J]. 数字通信世界, 2022 (6) : 138 - 140.

[8] 徐勇, 李晓东. 大上行 低时延 高稳定 中国联通下好 "'5G+工业互联网' 先手棋"[R/OL].

[9] 高欣, 杨征, 秦越. 基于内容中心网络的5G高速移动通信网络架构研究[J]. 科技资讯, 2019, 17 (14) : 2.DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2019.14.025.

[10] 冯毅雄, 杨晨, 胡炳涛, 等. 基于5G多接入边缘计算的云化PLC系统架构设计与应用[R/OL].

[11] 施耐德电气.《5G和5G演进: 工业控制应用扬景白皮书》发布[J]. 数据中心建设+, 2021, (008) : P.79 - 79.

[12] 肖韩凤. 5G在工业制造领域的应用探索[J]. 信息与电脑, 2020.DOI:10.3969/j.issn.1003-9767.2020.22.073.

[13] 2021年第四届 "绽放杯" 5G应用征集大赛洞察. 5G应用创新发展白皮书[R/OL].

[14] 刘燕. 面向超可靠低时延通信的随机接入技术研究[R/OL].

[15] 工业互联网产品联盟. 5G/5G-A 超可靠低时延通信工业场景需求白皮书[R/OL].

[16] 常振元, 高勇, 井德强, 等. 5G通信网络在高速电梯领域的运用展望[J]. 中国电梯, 2019, 30 (11) : 2.DOI:CNKI:SUN:ZGDT.0.2019 - 11 - 011.

摘自《自动化博览》2024年7月刊