【案例】基于5G和工业互联网的冶金尘泥循环利用绿色智能工厂

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�N����65 ���� �0 ���� 基于 5G 和工业互联网的冶金尘泥循环 利用绿色智能工厂 赵国宾 赵俊杰 祁萌 杨慧 顾银琴 (永卓控股有限公司,张家港 215600) 摘要:永卓控股旗下的永钢集团冶金尘泥循环利用绿色智能工厂使用 5G、工业互联网、大数据等技术改 善了传统的大体量、粗放式、弱研发、轻环保的管理模式,实现了生产集控化、安环可视化、作业无人化、 点检智能化、协同高效化、管理智慧化,将工厂打造成高度信息化和智能化的“黑灯工厂”。 关键词:5G;工业互联网;大数据;绿色工厂 中图分类号:F426. 32;TF08 文献标志码:A 引用格式:赵国宾,赵俊杰,祁萌,等 . 基于 5G 和工业互联网的冶金尘泥循环利用绿色智能工厂[J]. 信 息通信技术与政策, 2023,49(11):55-64. DOI:10. 12267/ j. issn. 2096-5931. 2023. 11. 008 0 引言 近年来,为积极响应国家创新发展、绿色发展等高 质量发展要求,一些公司大力推进信息化、数字化、智 能化建设,在全流程生产设备全面自动化、数字化和工 厂管理全面智慧化的基础上,加强网络化建设,充分利 用 5G、大数据、人工智能(Artificial Intelligence,AI) 等 新一代信息技术和窄带物联网、超宽带等网络通信技 术,构建自身的物联网和工业互联网平台,通过“精益 +数字化”实现数据驱动的技术、业务、组织两化融合四 要素协同创新,实现了生产管理、质量管理、设备运行、 能源管控、物流运输、环境监控等企业运营管控智慧化。 1 基于 5G 和工业互联网的绿色智能工厂的 设计意义 1. 1 建设冶金尘泥循环利用绿色智能工厂,是钢铁行 业企业落实政策、合规经营的必经之路 钢铁冶金工业的发展促进了经济的快速增长,为 经济建设提供了物质保障,但冶炼生产所产生的大量 废渣、废物等也成为了环境污染的主要来源。 钢铁厂 废渣含有多种硫化物、氧化物等有害物质和污染物,成 分复杂。 如果未经妥善处理而随意排放,其产生的粉 尘和颗粒物会随着空气流动释放到大气环境中,危害 人体健康。 随着当前环保治理力度的加大,节能减排、绿色生 产已成为钢铁企业发展的主题。 如何把钢铁生产过程 中产生的钢渣、富锌含铁除尘灰固体废物全面回收利 用,实现变废为宝,是企业建设绿色智能工厂必须面对 的问题,也是钢铁行业企业落实政策、合规经营的必然 选择。 1. 2 基于 5G 和工业互联网建厂的意义 制造业在发展期间,相关人员应不断分析和探索 “5G+工业互联网” 时代的特点,同时将制造高端装备 作为核心,持续优化和创新制造模式,提升高端装备制 造质量和效率 [1]。 冶金尘泥循环利用绿色智能工厂响 应国际智能制造与固废处理方针,应用工业互联网一 ·55· ���E�����0 系列技术,结合 5G 实现整体智能,在钢铁行业内有标 杆效应,可在其他地区钢铁企业落地进行推广。 2 基于 5G 和工业互联网的绿色智能工厂的 技术方案 2. 1 5G CPE 规划 在 厂 区, 5G 客 户 终 端 设 备 ( Customer Premise Equipment,CPE)以鼎桥的 CPE Ins2. 0 为主。 该 CPE 防护等级为 IP65,工作温度为-40 ℃ ~60 ℃,可以较好 地满足厂区的环境要求。 因为 CPE 在实际部署过程中遇到了信号干扰的 问题,通过对比站间挡板和 CPE 缩口屏蔽罩两种抗干 扰方案,最终采用缩口屏蔽罩方案,使得邻小区干扰下 降 4~ 5 dBm,本小区干扰下降 2 ~ 3 dBm,能量汇集与 干扰控制较好,可解决多终端并发带来的小区间干扰 问题。 �� �� 5G CPE MEC (CPF) ���� � �� ��� � IEF Agent �� � �� OBS IEF ����� � � � �� ModelArts Pro ��� ��� 图 1 云边协同总体架构图 2. 2 网络高可用方案 远程访问路由器(Access Router,AR)采用 1+1 热 备方案,一个设备接两个 CPE( Ins2. 0),采用负荷分 担;基站基带板 1+1 备份、主控板 1+1 备份; 多接入边 缘计 算 池 ( Multi-access Edge Computing Pool, MEC POOL)组网;利用已经建设好的微波等,实现 5G+微波 双链路,提高网络可靠性。 2. 3 终端组网 IP 摄 像 头 和 天 车 控 制 可 编 程 逻 辑 控 制 器 (Programmable Logic Controller,PLC) 等都采用私网 IP 地址通信,为了局域网二层通讯能承载 5G 网络,需 要在 5G 网络上叠加一条隧道。 关于隧道技术的选 择,根据实际情况的分析评估,通用路由封装(Generic Routing Encapsulation,GRE) 处理器开销较小,可支持 L2 及 L3 的隧道,因此,推荐采用 GRE 隧道技术。 以 5G 远控天车场景为例,5G CPE 工作在桥接模 式(二层透传),天车和中控室的 AR 分别从 5G 核心网 获取运营商 IP 地址, 可以通过动态主机配 置 协 议 (Dynamic Host Configuration Protocol,DHCP) 每次都 获取相同的 IP(需要核心网设置相应策略),也可以由 运营商分配好后,配置静态 IP 地址。 这样就可以在两 台 AR 之间建立起 GRE 隧道。 由于本方案中还采用 了微波备份,可以在微波链路上也同时建立一条 GRE 隧 道, 并 在 GRE 隧 道 上 配 置 双 向 转 发 检 查 (Bidirectional Forwarding Detection,BFD) 连通性检测 功能。 这样,当一条隧道连接断开,可以快速切换到备 用隧道。 由于 GRE 隧道的引入,增加了报文的开销, 为了保障 IP 摄像头这类大数据包的传输,摄像头的最 大传输单元( Maximum Transmission Unit,MTU) 可设 置为 1 400。 2. 4 边缘云方案 该技术方案的云边协同总体架构如图 1 所示。 5G 全连接工厂建设场景主要基于机器视觉 AI 的 分析应用、AR 辅助装配等,针对工厂目前的设备、机 器、仓储、物流调度等业务需求及后续产业智能化升级 规划目标,采用边云协同的解决方案,边缘云采用信息 交换模式(Message Exchange Pattern,MEP)方案。 ·56· �N����65 ���� �0 ���� 边缘云部署 AI 推理应用,中心云用于模型训练。 中心云和边缘云之间通过智能边缘平台( Intelligent EdgeFabric,IEF)解决方案(见图 2)实现边云协同。 通过边缘云、中心云的协同,实现 5G 定制网络的 稳定时延接入能力、可靠性保障能力以及差异化隔离 能力,中心云资源将基于 5G 切片/ 负极-正极-负极晶 体管(Negative-Positive-Negative,NPN) 实现多种颗粒 度接入控制,避免工厂专属资源被强占(见图 3)。 基于工业互联网技术,对各排放点、环保设备、固 废计量器、气象参数等采用在线自动监控、自动检测、 自动报警等智能化控制手段,通过超低排改造,建设更 加绿色、安全、可靠的工厂环境。 ������ �� � ���/� � ���� ���� � � � Mesh� � Mesh� QoS�� � �� � to B ������ � to B ������ �� �� � � � ��� ���� ���� � � ��� 5GC � 图 2 IET 解决方案 �� � ��� ����� CRM ERP ERP APS PLM MES ��Portal MEO 4 � /� 1 � /� N �� �� �� �� CCD��� � �� AGV�� PLC SCADA ���� � �� � ��� � Profinet/Profibus 5G ��OS O P F M E P 3 2 1 5 MEC ���� � PLC AI � AGV 图 3 多种颗粒度接入控制示意图 ·57· ���E�����0 (1)建立全流程自动化流水生产线。 全流程提升 智能制造应用比率,实施“信息化、智能化替代人工” 策略。 鼓励从钢铁材料生产工艺设计,到钢铁材料组 织性能预测与控制,到钢铁生产智能制造等方面向全 流程多层次技术组合的一体化控制方向发展,以便更 好地满足客户需求,降低生产成本,提高生产效率和能 源效率。 (2)通过新增表面质量检测仪和在线技监诊断自 动分析系统,让操作工在生产过程中能实时观察到产 品表面缺陷,以便及时采取针对性措施规避产品缺陷, 降低不良率;同时,实现产品档案的建立和追溯,有效 提高售后服务水平。 (3)新增在线设备状态监测系统,通过建立信号 分析方法库、设备诊断规则库、趋势预警、远程通讯等 功能模块,实现设备状态综合评价与故障预警、故障诊 断分析、远程技术支持,使所有重要设备的运行状态在 系统画面上一目了然,实现对设备运行状态的实时监 控,做到精准高效的管控设备,使得设备运转率大幅提升。 (4)安全管理系统通过采用 . NET 技术,搭建浏览 器/ 服务器(Browser/ Server,BS) 三层安全系统管理平 台,建立安全检查及隐患排查治理、风险管理、安全教 育培训、特种设备设施管理、外协单位管理、安全预测 预警、安全数据统计分析、安全知识库等九大功能模 块,实现网络化的现场管理、安全人管理、安全物管理 的三级管理制度。 (5)基于工业物联网、数据平台技术,并采用钢铁 流程能量流网络信息描述模型实施能源监控智能优化 平台,实现所有能源介质的在线实时监控,杜绝了浪费 现象,工序能耗稳步下降至设计水平的 70. 7%。 3 基于 5G 和工业互联网的绿色智能工厂的 设计与实施 3. 1 工业互联网平台整体规划 通过研究 5G 在工业领域中的典型应用场景,对 5G 在工业应用中的适用性进行分析,给出在典型行业 的 5G 应用解决方案,对于指导和推动 5G 在工业应用 落地具有重要意义 [2]。 采用工业互联网技术,构建“平 台+应用” 模式输出数字化和智能化服务。 底层借助 5G、窄带物联网( Narrow Band Internet of Things,NB- IoT)等物联技术,使智能设备、仪表及工业控制系统互 联,建立企业级私有云基础设施服务( Infrastructure as a Service,IaaS)和光纤网络;平台通过统一接口企业服 务总线(Enterprise Service Bus,ESB) 与企业原有的企 业资源计划 (Enterprise Resource Planning,ERP)系统、 制 造 执 行 系 统 ( Manufacturing Execution System, MES)、 L2 系 统 对 接, 在 平 台 即 服 务 ( Platform as a Service,PaaS)层实现工业数据采集并集成各类工业模 型 组 件, 重 点 打 造 出 智 慧 运 营 类 应 用 程 序 (Application,APP)和智能制造类 APP(见图 4)。 在生产制造现场,通过不同场景化应用的智能装 备与平台建立连接,制定上层运管的质量标准、工艺标 准及检修管理活动和作业计划。 通过平台任务调度指 令实时下达给现场各类智能测温、自动喷印机器人等 设备,形成信息流、物质流和控制流三流同步合一,保 障产品制造全过程质量稳定和生产高效。 3. 2 基于 5G 和工业互联网的绿色智能工厂技术 架构 5G 全连接工厂从系统层级、智能功能、生命周期 3 个维度出发,考虑基础、安全、管理、监测评价、可靠性 能共性要求,使用先进自动化、智能化设备及系统,在 搭建数据平台的基础上引入建筑信息模型( Building Information Modeling, BIM )、 虚 拟 现 实 ( Virtual Reality,VR)、5G 等新兴技术,开发各类应用来提高生 产效率、降低生产成本、提升安全生产水平,并为工厂 的下一步发展化夯实数据基础。 工厂数据平台主要集成三方面数据,即基础数据、 生产运行数据和管理数据。 在集成数据平台的基础 上,开发了生产工艺、设备与点巡检、安全环保、智能物 流、视频监控、厂区导览、成本管理等八大功能模块,具 体功能如表 1 所示。 3. 3 基于 5G 和工业互联网的绿色智能工厂的核心 场景应用 基于 5G 通信技术的工业互联网的应用,极大地 满足了一些场景的应用需求,如高速移动、旋转和网络 部署维护,在强化信息传输效率的同时还可以降低运 行成本投入 [3]。 3. 3. 1 虚拟现场服务 5G 全连接工厂使用 BIM 技术构建全厂的三维模 型。 传统的三维建模,往往使用 3DMax 等纯图形软 件,建成的模型仅包含几何性质,仅能做展示用,无法 ·58· �N����65 ���� �0 ���� � �� APP ��K �� �� GCA GC�> (#� H=� � F � AA�� Q4A �0 FE0DD � � ��� �K��M" � EVI0. AC��C � �+DD H=� � ��� #0� �C��� 44 � �C� �0AA C�+ �1* �� � ��N# ���� APP � �� �� ������ � +�1� �� �7B� ���* 7$1� 7$5 -? 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