cookieOptions = {...}; .5G 時代,智慧工廠迎來 4 大改變 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

3S MARKET

2020年8月19日 星期三

So, what's 5G exactly?

來源:戴昱乐科技

5G 技術切合了傳統製造業智慧製造轉型,對無線網路的應用需求,能滿足工業環境下,設備互聯和遠端交互應用需求。在物聯網、工業自動化控制、物流追蹤、工業 AR、雲端化機器人等工業應用領域,5G 技術起著支撐作用。

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5G 時代的到來,將大幅改善智慧工廠的勞動條件,減少生產線人工干預,提高生產過程可控性,最重要的是借助於資訊化技術,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,並在此基礎上,實現資源的整合優化,從而進一步提高企業的生產效率和產品的品質。

5G 技術場景支撐智慧製造
物聯網:隨著工廠智化轉型的推進,物聯網作為連接人、機器和設備的關鍵支撐技術,正受到企業的高度關注。這種需求在推動物聯網應用落地的同時,也極大的刺激了 5G 技術的發展。

工業自動化控制:這是製造工廠中最基礎的應用,核心是循環控制系統。5G 可提供極低時延長、高可靠,海量連接的網路,使得環控制應用,透過無線網連接成為可能。

物流追蹤:從倉庫管理到物流配送均需要廣覆蓋、深覆蓋、低功耗、大連接、低成本的連接技術。此外,虛擬工廠的端到端整合,跨越產品的整個生命週期,要連接分布廣泛的已售出的商品,也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的網,企業內部或企業之間的橫向集成也需要無所不在的網,5G 網能很好的滿足這類需求。

工業AR:在智工廠生產過程中,人發揮更重要的作用。由於未來工廠具有高度的靈活性和多功能性,這對工廠生產線工作人員有更高的要求。為快速滿足新任務,和生產活動的需求,增強現實 AR 將發揮很關鍵作用,在智製造過程中,可用於如下場景:如:監控流程和生產流程。

生產任務分步指引,例如手動裝配過程指導遠端專家業務支撐,例如遠維護。在這些應用中,輔助 AR 設施需要最大程度具備靈活性和輕便性,以便維護工作高效開展。

雲端化機器人:在智製造生產場景中,需要機器人有自組織和協同的能力,來滿足柔性生產,這就帶來了機器人對雲化的需求。5G 網是雲端化機器人理想的通信網,是使能雲端化機器人的關鍵。

5G 技術已經成為,支撐智慧製造轉型的關鍵使能技術,能將分布廣泛、零散的人、機器和設備全部連接起來,建構統一的互聯網路。5G 技術的發展可以幫助製造企業,擺脫以往無線網路技術,較為混亂的應用狀態,這對於推動工業網路的實施,以及智慧製造的深化轉型,有著積極的意義。


智慧製造的核心是智工廠
資訊化革命愈演愈烈,機器設備、人和產品等製造元素,不再是獨立的個體,它們透過工業物聯網緊密聯繫在一起,實現更協調和高效的製造系統。

當前製造業的轉型,可以看作是自動化升級,和資訊技術的融合提升,這不僅僅是自動化和機器換人,而且工廠能實現自主化決策,靈活生產出多樣化的產品,並能快速應對更多的市場變化。

人工智慧和製造系統的結合將是必然的,利用機器學習、模式辨識、認知分析等算法模型,可以提升工廠控制管理系統的能力,實現所謂的智慧製造,才能使企業在今天競爭激烈的環境獲得更好的優勢。

智慧製造過程主要圍繞著智慧工廠展開,而人工智慧在智慧工廠中發揮著重要的作用。物聯網將所有的機器設備連接在一起,例如控制器、感測器、執行器的聯網,然後,AI就可以分析感測上傳的數據,這就是智慧製造的核心。

隨著工業物聯網的應用發展,網路和實體系統,將緊密聯繫在一起,也就是物聯網將生產現場的處理器、感測器連接起來,使得機器人之間可以進行通信,可以互相溝通,而機器和人的工作將不再會嚴格分工,未來製造系統把人和機器融合在一起。

數位孿生是重要的角色,智慧製造的整個流程,都有一個數位孿生模型,系統裡包括了現實世界的任何東西,可以是應用或者操作指南手冊等。

此外,智慧製造系統裡還有人機交互,即人和機器人之間的互動。還有用人工智慧驅動、優化產品和流程等。工廠需要做一些預測性維護,或者是預測機器的能耗等等,越來越多的這些功能都可以在智慧工廠裡實現。
5G 時代智慧工廠前景展望
從 2016 年到 2018 年,5G 基礎研發測試分為三個階段。第一階段是 5G 關聯技術試驗,第二階段是 5G 技術方案驗證,第三階段是 5G 的系統驗證。

智慧工廠是 5G 技術的重要應用場景之一。利用 5G 網路將生產設備無縫連接,並進一步打通設計、採購、倉儲、物流等環節,使生產更加扁平化、客製化、智慧化,從而構造一個面向未來的智慧製造網路。在此,編者整理了業界對 5G 時代智慧工廠的前景展望,讓我們一同期待新時代的到來。

助推柔性製造 實現個性化生產
全球人口正在接近 80 億,中產階層消費群不斷擴大,有望形成巨大市場,進而對消費佈局產生影響。帶有客戶需求和產品「資訊」功能的系統,成為硬體產品銷售新的核心,個性化客製成為潮流。

為了滿足全球各地不同市場對產品的多樣化、個性化需求,生產企業內部需要更新現有的生產模式,基於柔性技術的生產模式成為趨勢。

國際生產工廠研究協會的定義為:柔性製造系統是一個自動化的生產製造系統,在最少人的干預下,能夠生產任何範圍的產品族,系統的柔性通常受到系統設計時,所考慮的產品品類的限制。柔性生產的到來,催生了對新技術的需求。

一方面,在企業工廠內,柔性生產對工業機器人的靈活移動性,和差異化業務處理能力有很高要求。5G 利用其自身無可比擬的獨特優勢,助力柔性化生產的大規模普及。

5G 網路進入工廠,在減少機器與機器之間,線纜成本的同時,利用高可靠性網路的連續覆蓋,使機器人在移動過程中,活動區域不受限,按需到達各個地點,在各種場景中,進行不間斷工作,以及工作內容的平滑切換。

5G 網路也可使能各種,具有差異化特徵的業務需求。大型工廠中,不同生產場景對網路的服務品質要求不同。精度要求高的工序環節,關鍵在於時延,關鍵性任務需要保證網路可靠性、大流量數據,即時分析和處理的高速率。

5G 網路以其端到端的切片技術,同一個核心網中,具有不同的服務品質,按需靈活調整。如設備狀態資訊的上報,被設為最高的業務等級等。

另一方面,5G 可建構連接工廠內外的人和機器,為中心的全方位資訊生態系統,最終使任何人和物在任何時間、任何地點,都能實現彼此資訊共享。

消費者在要求個性化商品和服務的同時,企業和消費者的關係發生變化,消費者將參與到企業的生產過程中,消費者可以跨地域透過 5G 網路,參與產品的設計,並即時查詢產品狀態資訊。


工廠維護模式全面升級
大型企業的生產場景中,經常涉及到跨工廠、跨地域設備維護,遠端問題定位等場景。5G 技術在這些方面的應用,可以提升運行、維護效率,降低成本。5G 帶來的不僅是萬物互聯,還有萬物資訊交互,使得未來智慧工廠的維護工作突破工廠邊界。

工廠維護工作按照複雜程度,可根據實際情況由工業機器人,或者人與工業機器人協作完成。在未來,工廠中每個物體,都是一個有唯一IP的終端,使生產環節的原材料都具有「資訊」屬性。原材料會根據「資訊」自動生產和維護。

人也變成了具有自己 IP 的終端,人和工業機器人進入整個生產環節中,和帶有唯一 IP 的原料、設備、產品進行資訊交互。工業機器人在管理工廠的同時,人在千里之外也可以第一時間,接收到即時資訊跟進,並進行交互操作。

設想在未來有 5G 網路覆蓋的一家智慧工廠裡,當某一物體故障發生時,故障被以最高優先級「零」時延,上報到工業機器人。一般情況下,工業機器人可以根據,自主學習的經驗數據庫,在不經過人的干涉下完成修復工作。另一種情況,由工業機器人判斷該故障,必須由人來進行操作修復。

此時,人即使遠在地球的另一端,也可透過一台簡單的 VR,和遠端觸覺感知技術的設備,遠端控制工廠內的工業機器人,到達故障現場進行修復,工業機器人在萬里之外,即時同步模擬人的動作,人在此時如同親臨現場進行施工。

5G 技術使得人和工業機器人,在處理更複雜場景時,也能游刃有餘。如在需要多人協作修復的情況下,即使相隔了幾大洲的不同專家,也可以各自透過VR,和遠端觸覺感知設備,第一時間「聚集」在故障現場。

5G 網路的大流量,能夠滿足 VR 中,高清圖像的海量數據交互要求,極低時延使得觸覺感知網路中,人在地球另一端,也能把自己的動作,無誤差地傳遞給工廠機器人,多人控制工廠中,不同機器人進行下一步修復動作。

同時,借助萬物互聯,人和工業機器人、產品和原料,全都被直接連接到,各類相關的知識和經驗數據庫,在故障診斷時,人和工業機器人,可參考海量的經驗和專業知識,提高問題定位精準度。


工業機器人加入「管理層」
在未來智慧工廠生產的環節中,涉及到物流、上料、倉儲等方案判斷和決策,5G 技術能夠為智慧工廠,提供全雲端化網路平台。精密感測技術,作用於不計其數的感測器,在極短時間內,進行資訊狀態上報。

大量工業級數據,透過 5G 網路收集起來,龐大的數據庫開始形成,工業機器人結合雲端計算的超級計算能力,進行自主學習和精確判斷,給出最佳解決方案。

在一些特定場景下,借助 5G 下的 D2D(Device-to-Device,意為:設備到設備)技術,物體與物體之間直接通信,進一步降低了業務端到端的時延,在網路負荷實現分流的同時,反應更為敏捷。生產製造各環節的時間變得更短,解決方案更快更優,生產製造效率得以大幅度提高。

我們可以想像未來 10 年內,5G 網路覆蓋到工廠各個角落。5G 技術控制的工業機器人,已經從玻璃櫃裡走到了玻璃櫃外,不分日夜地在車間中自由穿梭,進行設備的巡檢和修理,送料、質檢或者高難度的生產動作。

機器人成為中、基層管理人員,透過資訊計算和精確判斷,進行生產協調和生產決策。這裡只需要少數人,承擔工廠的運行監測和高級管理工作。機器人成為人的高級助手,替代人完成人難以完成的工作,人和機器人在工廠中得以共生。


按需分配資源
5G 網路透過網路切片,提供適用於各種製造場景的解決方案,實現即時高效和低能耗,並簡化佈署,為智慧工廠的未來發展奠定堅實基礎。

首先,利用網路切片技術,保證按需分配網路資源,以滿足不同製造場景下,對網路的要求。不同應用對時延、移動性、網路覆蓋、連接密度,和連接成本有不同需求,對 5G 網路的靈活配置,尤其是對網路資源的合理快速分配及再分配,提出了更嚴苛的要求。

作為 5G 網路最重要的特性,基於多種新技術組合的端到端的網路切片能力,可以將所需的網路資源靈活動態地在全網中,面向不同的需求,進行分配及能力釋放根據服務管理提供的藍圖和輸入參數,創建網切片,使其提供特定的網特性。

比如極低的時延、極高的可靠性、極大的頻寬等,以滿足不同應用場景對網的要求。例如在智工廠原型中,為滿足工廠內的關鍵事務處理要求,創建了關鍵事務切片,以提供低時延,高可靠的網

在創建網路切片的過程中,需要調度基礎設施中的資源。包括接入資源、傳輸資源和雲端資源等。而各個基礎設施資源,也都有各自的管理功能。

透過網路切片管理,根據客戶不同的需求,為客戶提供共享的或者隔離的基礎設施資源。由於各種資源的相互獨立性,網路切片管理,也在不同資源之間進行協同管理。

在智慧工廠原型中,展示了採用多層級的、模組化的管理模式,使整個網慧切片的管理和協同,更加通用、更加靈活,並且易於擴展。

除了關鍵事務切片,5G 智慧工廠還將額外創建移動寬頻切片和大連接切片。不同切片在網路切片管理系統的調度下,共享同一基礎設施,但又互不干擾,保持各自業務的獨立性。

其次,5G 能夠優化網路連接,採取本地流量分流,以滿足低延遲的要求。每個切片針對業務需求的優化,不僅體現在網路功能特性的不同,還體現在靈活的部署方案上。

切片內部的網路功能模組部署非常靈活,可按照業務需求,分別部署在多個分布式數據中心。原型中的關鍵事務切片,為保證事務處理的即時性,對時延要求很高,將用戶數據面功能模組,佈署在靠近終端用戶的本地數據中心,盡可能地降低時延,保證對生產的即時控制和響應。

此外,採用分布式雲計算技術,以靈活的方式在本地數據中心,或集中數據中心部署基於 NFV(Network Function Virtualization,意為:網路功能虛擬化)技術的工業應用,和關鍵網路功能。5G 網路的高頻寬和低時延特性,使智慧處理能力,透過遷移到雲端而大幅提升,為提升智慧化水準,鋪平了道路。

在 5G 網路的連接下,智慧工廠成為了各項智慧技術的應用平台。除了上述四類技術的運用,智慧工廠有望與未來多項先進科技相結合,實現資源利用、生產效率和經濟收益的最大化。

例如借助 5G 高速網路,採集關鍵裝備製造、生產過程、能源供給等環節的能效相關數據,使用能源管理系統,對能效相關數據進行管理和分析,即時發現能效的波動和異常,在保證正常生產的前提下,相應地對生產過程、設備、能源供給,及人員等進行調整,實現生產過程的能效提高使用 ERP (Enterprise Resource Planning,意為:企業資源計劃)進行原材料庫存管理,包括各種原材料及供應商資訊。



當客戶訂單下達時,ERP 自動計算所需的原材料,並且根據供應商資訊,即時計算原材料的採購時間,確保在滿足交貨時間的同時,做到庫存成本最低甚至為零。

因此,5G 時代的智慧工廠將大幅改善勞動條件,減少生產線人工干預,提高生產過程可控性,最重要的是借助於資訊化技術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,並在此基礎上實現資源的整合優化,從而進一步提高企業的生產效率和產品的品質。

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