5G-A 超可靠低时延通信工业场景需求白皮书

目 录一、5G技术对新一轮工业变革的重要性 15G为工业无线带来可行性方案 15G技术推动工业现场网络升级 15G可承载工业控制的实时连接 2二、5GURLLC工业应用场景概览 35GURLLC特性的工厂应用场景 35GURLLC应用场景落地行业 65GURLLC行业场景需求参数说明 7三、汽车制造业5GURLLC应用场景 8行业数字化升级概述 8焊装车间场景描述 9车间总体情况 9传统工业通信组网 11工业现场5G应用场景及需求 13总装车间场景描述 18车间总体情况 18传统工业通信组网 20工业现场5G应用场景及需求 25四、电子/机械制造5GURLLC应用场景 30行业数字化升级概述 30电子总装场景描述1 31车间总体情况 31传统工业通信组网 32工业现场5G应用场景及需求 35电子总装场景描述2 37车间总体情况 37传统工业通信组网 39工业现场5G应用场景及需求 41重型机械焊接场景描述 43车间总体情况 43传统工业通信组网 45工业现场5G应用场景及需求 47五、精密铸造业5GURLLC应用场景 49行业数字化升级概述 49精铸车间场景描述 54车间总体情况 54传统工业通信组网 55工业现场5G应用场景及需求 59六、工业现场5G网络需求分析汇总 64工业现场5GURLLC应用场景需求 64工业现场5G网络部署需求 66工业现场5G组网需求 66工业协议与5G对接 69URLLC终端需求 745GURLLC网络性能指标 76URLLC指标及参数概述 76确定性通信 78通信时延 79单包可靠性 82用户容量 875GURLLC网络需求汇总 88七、3GPP标准及网络能力演进 89八、总结 92附录A：行业化5GURLLC应用场景说明附录B：工业以太网协议介绍一、5G技术对新一轮工业变革的重要性目前全球工业体系正处于第四次工业革命时期，产业数字化、网络化、智能化逐步成为发展主流，以5G、工业互联网为代表的新一代信息通信技术已然成为工业发展的技术底座与创新动力。工业体系变革带动了工业网络的优化升级，工业通信网络正由现场总线向工业以太网、工业无线网演进。5G技术作为支撑工业无线化升级的重要技术，其技术特性充分匹配工业实时、可靠、安全的通信要求，5G技术与工业应用的有机融合将进一步激发工业界的创新活力。5G为工业无线带来可行性方案5G技术以其低时延、超可靠、大连接的特性，解决了工业领域传统无线技术（Wi-FiIEEE802.15.4的短距离工业无线等）厂区覆盖范围有限、网络稳定性不佳、终端连接率不足等方面的问题，使得无线技术有能力承载工业现场的各类通信业务。HMS（HardwareMeetsSoftware）2021工业网络市场份额预测报告指出无线业务24%7%的市场份额。未来，5G无线业务将在工厂全面落地，从智能物流、园区监测等生产辅助环节到进入工业自动化核心生产环节，预计工厂内设备无线连接占比将会大幅增加。5G技术推动工业现场网络升级传统工业现场存在大量移动设备（如随行夹具、机器人抓手、输送设备等），现有有线组网复杂、易于磨损。同时，现场存在大量OT设备的多层级组网，无法有效兼容数据采集、AR、机器视觉等非实时IT业务，工业现场亟待引入5G技术解决当前难题，进而带动工业领域的创新变革。5G带来的改变体现在三个方面：一是去掉有线束缚，解决不便于有线连接的移动类场景，减少移动造成的通讯物理故障。二是智能融合组网，5G提供IT非实时与OT实时多业务共用一张网的能力，网络的扁平化架构可以解决业务兼容问题。三是工业控制应用创新，5G与工业的融合将加速云化机器人、云化PLC的应用落地，降低网络部署成本，而云化算力和实时网络也为工厂的智能化柔性生产夯实基础。图1-1智能化柔性工厂工业网络演进5G可承载工业控制的实时连接5G网络提出低时延与高可靠性的要求，在网5GeMBBURLLC等特性的多业务能力。当前，“5G+工业互联网”应用主要着眼于增强移动宽带（eMBB）特性，以大带宽数据传输类应用为主。3GPP20207月、202265G第二版本R16和第三版本R175G服务5G超可靠低延迟通信（URLLC）特性不断成熟，相关应用从单链路的人机远程操控，逐步开始进入工业自动化控制的人3GPP5G工控领域相关技术的逐步落地，5G/5G-A（5G-Advanced）URLLC的能力将不断增强，通信时延降低、网络可靠性提高、设备连接数增多，可满足大多数工业自动化的实时控制应用需求。5G5G-A5G5G5G、5G-A统称为5G。二、5GURLLC工业应用场景概览5GURLLC特性的工厂应用场景传统工厂网络可以划分为三种类型：工厂级网络、车间级网络和现场级网络。其中工厂级网络以IT网络为主，车间级网络和现场级网OT网络为主。目前，车间网络的常见方式为多种网络混合部署：OT网络主要用于现场实时控制，若车间现场需连接宽带实现数据采集或AGV等移动设备的控制，则需要在车间OT网络之外，再部IPWIFI。图2-1 制造工厂传统网络5层金字塔架构工业现场的5G网络为企业提供统一、扁平化的车间内网，5GURLLC下沉到OT域的主要应用场景可分为面向现场网络实时RT（RealTime）场景和运动控制同步实时IRT（IsochronousRealTime）场景。5G5G定位用于跟踪各类物料、工具、人员等。同时，5G网络的星型架构可以实现车间级和现场级网络的融合，确保现场的每个终端设备扁平化接入，避免了传统有线多级交换机分层分级的不便。图2-2工业5G现场网络架构工业自动化正走向网络化、智能化，如图2-3所示，转型过程中主要包括四方面业务的连接升级：C2IO（ControltoIO），PLCIO的实时逻辑控制，包含主PLC-IO/从站、从PLC-IO两种情况。MC（MotionControl）PLC到伺服的运动控制。HMI（HumanMachineInterface）包括各个装备及产线的人机界面控制。NRT（Non-RealTime）涵盖数字采集/机器视觉/IT类非实时业务。图2-3工业自动化控制典型业务分类其中，工业现场网络中的生产线由一系列执行生产任务的机器和一系列控制单元组成，现场网络支撑生产线的实时控制。在生产中，对于生产线的主控制器与多个现场设备进行数据交换的情况，一台机器通常有一个控制单元(从PLC或运动控制器)和几个现场设备(I/O盒)，普遍存在1:n双向通信关系。C2C（ControltoControl）PLC之间的通信，现网中比例不高，所以在本白皮书中不作为主要分类。对C2IOMCNRT的非实时C2IO/MCNRTNRTNRT业等。5GURLLC应用场景落地行业工业领域行业种类众多，各个行业在自动化领域的特点各有差异，经过前期调研和分析，汽车制造、电子设备制造/机械制造、精密铸造等行业正积极推动产业数字化转型，5GURLLC应用场景落地有较大可能性，本白皮书将重点研究上述先行行业，分章节对各行业的5GURLLC应用场景进行分析，具体如表2-1所示。表2-1 5GURLLC典型行业/场景场景汽车电子/机械精密铸造NRT：非实时类业务√√√HMI：人机控制√√√C2IO：实时逻辑控制√√√MC:运动控制O√√注释O代表Optional，无线化可选。5GURLLC行业场景需求参数说明5GURLLC的需求，本白皮2-2的形式说明行业场景需求参数，对行业场景展开分析。表2-2 5GURLLC行业应用场景需求参数说明序号应用场景CT/msST/CT倍数0宕机时长移动性*NRT带宽/组态节点面积车间节点/面积1C2IO-智能从站4/821-3年3D-2-31100节点/500平400/3.3万平2C2IO-固定工艺设备4/821-3年-10-1200/3.3万平CT（CircleTime）：指PLC与设备侧IO/伺服的更新周期，例如4msPLCIO4ms5G通信时延。ST/CT倍数：ST（SurvivalTime）等于看门狗最大次数减1，例如IO3CTST=2CT。该指标用来5G单包可靠性。0宕机时长：考察0次宕机可接受的系统连续工作的观察时长，比如1年表示两次宕机事件之间的连续工作时长（不包括网络设备类故障）。该指标用来测算5G单包可靠性。移动性：包含三个指标：运动轨迹类型-移动速度/米/秒-移动范围/3D-2-332m/s3米。该指标5GURLLC终端的移动速度能力做参考。NRT带宽/连接:对于该场景的每个连接，需要预留多少非实时带宽，1Mbps1Mbps。该指标用来5GNRT5GNRT带宽。组态节点/面积：是指主/PLC的组态节点数和对应的分布地理面PLC20节点/70PLC下共组2070平的面积。该指标主要针对从站PLC和PLCIO节点的场景可被合并。该指标用来5G5G小区的容量密度。车间节点/面积：是指在典型的车间面积下，该类场景或节点的密C2IO1200个/66万平，车间内这类连接共有1200个。该指标用来识别哪类终端的比例高，对5G终端典型能力做参考，并识别主力的行业终端类型，比如汽车行业占比高的行业终端可能是阀岛、智能从站和变频器。5GURLLC行业数字化升级概述汽车制造行业是国民经济重要的支柱产业,正处在数字化转型、新能源产线创新发展的关键时期，5G与边缘计算、人工智能等新技术融合，将有效激发产业创新活力，随着5G超高可靠低时延通信（5G/5G-AURLLC）能力的不断成熟，将有效支撑汽车制造行业构建柔性化智能产线，助力转型发展。汽车的制造工艺主要有冲压、焊装、涂装、总装，也就是俗称的“四大工艺”。焊装和总装车间的各种设备连接和操作具有典型性，包括机器人、转台、滑台、柔性滑轨系统(EMS)、车型识别系统(ID)、皮80%的典型场景，可以代表汽车行业产线的典型特征。本部分主要以某自主品牌焊装车间和总装车间为例，总结典型产线自动化场景。面向多车型快速上线的柔性生产，现有工业网络存在以下四个问题：信息采集采用标准以太网，总线网络有Profibus-DP、Profinet、DeviceNet、EtherCAT等，协议接口众多。网络采用硬线铜缆，数据采集、工业控制需要独立布线，投资成本高，施工周期长。新车型导入涉及网络改造、网络重建，工程复杂，灵活性差。生产过程中由于设备长时间运行、磨损导致的网络硬线故障，处理困难、解决时间长。5G商用三年来，产业数字化成效已经初步显现，目前多家车企制造企业正在开展5G工厂创新，“5G+工业互联网”将是汽车制造领域5GURLLC特性能够打破传统工业网络结构，解决现存网络痛点。焊装车间场景描述图3-1 某汽车焊装车间平面图3-144544330002064出一辆焊装车身。整个车间包含机器人370余台，主要完成焊接、搬运、涂胶、弧焊、铆接、螺柱焊等工艺。车间内存在多种物料运送方式，车身下部线、主线、补焊线内部采用辊床滑撬输送，工位节距6米；其余各线体区域内通过机器人搬运的形式完成工件的输送；机舱前地板总成、后地板总成、侧围总成及顶盖总成通过EMS小车输送至主线进行合拼。该焊装车间生产线的控制系统采用主站+远程站的形式，主站采用PLCIOI/O模块，人1221PLC，各线体主要设备统计明细如表3-1所示：表3-1 焊装车间各线体设备数量统计辊床工位PLC电表柜内I/O交换机触摸屏驱动柜机器人切换盘转台/毂EMS下部线171721340165042400主焊线1010182293125810补焊线191921343164036200侧围线024216581884521240顶盖线0312113105210地板线02531653178253331机舱线019417722085551950前门线026212361460401202后门线026212381460401402机盖线08151852414230后背门011151953314130汇总4618821119410137541937679205(一) 传统工业通信组网架构该焊装车间的网络系统结构采用“集中管理、分散控制”的模式。依据这一原则，将整个焊装车间内生产设备的控制系统分为两层网络（标准以太网、Profinet总线），标准以太网实现了MES到PLC的数据采集与监控，ProfinetPLC到现场IO的控制，在每个层次中使用不同的网络结构和软硬件配置，以实现各自不同的功能。顶盖线体为整个焊装车间工艺最简单的线体，采用现有工业有线的组网，如图3-2所示。图3-2 顶盖线体工业有线组网图(二) 传统工业通信及业务功能描述PLCMESPLC与现场设备，PLCPLC通过工业以太MES进行非实时数据交互。现场网管型交换机组PLCPLC之间PN/PN耦合器实现，耦合器安装在主控柜内。主PLC和现场设备层设备之间通过Profinet总线，采用星型+总线型网络拓扑结构进行连接，但需要保证相邻设备间距离不能超过90米。Profinet总线使用专用线缆，接头使用专用快速连接接头，以保证网络通讯的稳定性和实时性。(三) 传统工业通信网络投资1351个主PLC25个下挂设备（PLC5OT20个），3-2所示。表3-2 顶盖焊接线体现场设备数量产线面积主PLC数量主PLC下挂OT设备/从PLC从PLC数量从PLC下挂OT设备13511758顶盖线为整个焊装车间工艺最简单的线体，其站点数量约为正常线体的1/3，如表3-3所示，顶盖线有线网络投资约为8万元，预估正常线体的网络投资约为24万元。表3-3 顶盖焊接线体有线网络投资统计顶盖线体序号减少项目数量单位单价未税合计未税备注1网管型交换机11.00个8563.728563.7216口2网管型交换机22.00个4668.149336.288口3PN耦合器1.00个3120.353120.354PN通讯接头164.00个115.047362.83柜内使用5PN通讯接头240.00个238.949557.52现场使用6PN通讯模块10.00个2076.8520768.50机器人一轴三轴各一个7PN铜缆1500.00米11.265630.00固定应用8PN铜缆2100.00米23.922392.00高柔9网络柜均摊1.00项10000.0010000.0010施工费1.00项2000.002000.0011未税总计78731.21整个车间，一般有20-100个主PLC，有线网络的投资大约500万-2000万。5G(一) 工业现场5G化改造后组网图0-3 顶盖线体5G化改造后的组网拓扑3-35GPLC与现场设备之间，以PLCIO5GURLLC进行连PLC、HMIMES5G大带宽来支持。5G一张网支持实时/PLC5GUPF接入,5G5G基站部署在车间，5GUPF下沉车间，提供实时网络交互。(二) 工业现场5G应用场景及价值5GURLLC应用于焊装车间，将为汽车制造会带来三大类价值场景：去掉有线束缚的柔性化应用：汽车多车型生产，存在很多柔性装5G无线化改造传统有线连接，可有效减少现场移动造成的通讯物理故障。目前全年累计因线缆拖拽/60小时/工厂，5G化可有效减少停机时间及相关电缆/插针/repeater等传统有线设备，预估每年可带来经济价值~7亿元/工厂。IT/OT面向大量现场设备接入，有线网络分层，投资成本高（8万平车间，1.7万个节点，投资~2千万元），且传统工ITOT共一张网。5G网络具有扁平化架构，其组网方式相较有线更为简单，并能够提供IT非实时与OT实时多业务共用一张网的能力，从而降本增效。创新应用：云化机器人(AGV)将有效降低机器人的成本，并借助云化算力和实时网络支持更柔性的一机多工艺能力(如协作搬运/线边协作)PLCPLC以及网络部署成本，同时借助云化算力和实时网络支持更柔性的工艺编排能力，应对新车型快速上线，跨厂商跨协议的设备实现组态。如表3-4所示，汽车焊接车间现场网络按照上述模式进行5G化改造后，将会匹配一批工业场景的应用需求，其中每个场景的详细描述请参考附录A.1-A.1.17。表3-4 现场网络5G化改造后5GURLLC应用场景及价值描述参考附录应用场景典型设备主要价值A.1.1C2IO-工具切换从PLC到IO，如机器人6轴和停靠站间总线设备插拔对接，远程IO/阀岛/焊枪等去掉有线束缚的柔性化应用A.1.2C2IO-智能从站机器人1、3、6轴移动总线设备，远程IO、阀岛、工艺设备控制器等组网简化降本A.1.3C2IO-回转传输、随行夹具随夹具台一起回转传输移动的总线设备/远程IO/阀岛等去掉有线束缚的柔性化应用A.1.4C2IO-转台、转鼓随转台、转鼓180度往复运动的总线设备d，交换机、远程IO、阀岛、变频器等去掉有线束缚的柔性化应用A.1.5C2IO-升降机、滑台随升降机、滑台直线往复运动的总线设备，交换机、远程IO、阀岛、变频器等去掉有线束缚的柔性化应用A.1.6C2IO-环、滑触线/漏波电缆通讯随EMS/滑板/吊具等输送线设备有轨循环运动的总线设备，远程IO、变频器等去掉有线束缚的柔性化应用A.1.7C2IO-点对点，红外通讯、激光通讯随立体库堆垛机移动的总线设备，远程IO/阀岛/变频器等去掉有线束缚的柔性化应用参考附录应用场景典型设备主要价值A.1.8C2IO-上、下料台/夹具定位台远程IO、阀岛等去掉有线束缚的柔性化应用A.1.9C2IO-安全操作安全IO、总线安全扫描仪等组网简化降本A.1.10C2IO-识别系统总线相机、总线RFID等组网简化降本A.1.11C2IO-固定输送远程IO/变频器/伺服驱动控制器等组网简化降本A.1.12C2IO-固定工艺设备从PLC到IO，如螺柱焊控制器、点焊控制器、涂胶控制器/激光控制器/远程IO等组网简化降本A.1.13C2IO-集中/云化PLCPLC进集中化处理，实现跨区域控制，直接进核心网创新应用A.1.14C2IO-AGV远程IO化AGV远程IO化，从属于线体主控PLC创新应用A.1.15NRT-数据采集数据采集，如能源监控，总线电表/水表/气表等组网简化降本实时/非实时一张网A.1.16C2C-控制器数据耦合交互总线IO复制器等组网简化降本线体间信号交互不再需要PN耦合器，降低成本A.1.17HMI-人机示教/急停有限移动的有线操作屏，触摸屏，远程IO等去掉有线束缚的柔性化应用(三) 工业现场5G应用场景需求针对汽车焊接车间的不同应用场景，基于行业典型部署，梳理各个3-5CT、业务稳定性(ST,0宕机时长)、业务场景(移动性，NRT并发)，以及业务密度(组态节点密度和车间节点密度)0。车间典型业务周期CT4ms，C2IO典型PLC100节点/500平方米,5780/3.3万平方米。表3-5 汽车焊接车间5GURLLC应用场景需求序号应用场景CT/msST/CT倍数0宕机时长移动性*组态节点数/面积车间节点/面积1C2IO-工具切换423年3D-2-31——140/3.3万平2C2IO-智能从站423年3D-2-310100节点/500平400/3.3万平3回423年3D-2-(10~200)1——500/3.3万平4C2IO-转台、转鼓423年旋转-1-(3~10)1——60/3.3万平5C2IO-升降机、滑台423年2D-1-(3~20)1——180/3.3万平6C2IO-有轨、闭环、滑触线/缆423年2D-2-(10~200)1——90/3.3万平7点激光通讯423年3D-2-(10~200)1——30/3.3万平8C2IO-上、下料台/夹具定位台423年——1——180/3.3万平9C2IO-安全操作423年——1——700/3.3万平10C2IO-识别系统423年——1——100/3.3万平11C2IO-固定输送423年——1——800/3.3万平12C2IO-固定工艺设备423年-10——1200/3.3万平13C2IO-集中/PLC423年——100——700/3.3万平14C2IO-AGV远程IO化423年——1——200/3.3万平15NRT-能源监控100-20023年——1——200/3.3万平16C2C-控制器数据耦合交互423年——10——100/3.3万平17HMI-人机示教/急停/监测100-100023年步行-1-(10~200)10——200/3.3万平总装车间场景描述图3-4 汽车制造总装车间布局图3-464512㎡，具体车间运行流程为：PBS（白车身储运线）—121线212线—完成线—检测线—淋雨线—报交线。图0-5 某汽车制造总装车间实景1图3-6 某汽车制造总装车间实景2总装车间自动化系统在非标输送线、AGV、单机设备中均有应用。非标输送线的线体类型有柔性滑轨系统（以下简称EMS）、滑橇输送线、摩擦输送线、板链、辊筒输送线，单机设备常见类型有助力机械手、玻璃涂胶机、加注机、拧紧机。该车间底盘线、车门线采用EMS输送线，内饰线采用升降滑板输送线。PBS线采用滑橇输送线，轮胎线、座椅线采用辊筒输送线，最终线、完成线、淋雨线、报交线采用板链输送线。除EMS线外、其他线体与焊装车间顶盖线形式相同，下文不再赘述。EMS常用的分散控制器配置有单轴（EMS+吊具输送系统）、双轴（EMS+升降吊具输送系统）、双轴+安全（EMS+升降吊具输送系统）、三轴+安全功能（EMS+升降旋转吊具输送系统），滑板线常用的配置有单轴（升降滑板输送线）、单轴+安全（安全型升降滑板输送线）。(一)传统工业通信组网架构图3-7 某汽车制造总装车间组网架构3-7ITOT层组成，“黑色ITC2C数据耦合交互网络C2IO实时逻辑控制网络连接关系。EMS线和滑板线属于图3-7中“ConveyorPLC”所处网络层级，为OT层的现场级网络，常用的现场总线协议为Profinet。表3-6 总装车间各线体设备数量统计辊床工位PLC电表柜内I/O交换机触摸屏驱动柜机器人切换盘转台/毂吊具/滑板PBS线250022301610600120内饰线30482230128400450底盘线0362228128400040最终线0481164420020完成线0301142220000淋雨线061132220000报交线061132220000轮胎线0011126531060座椅线0011126530060车门线028221886600060底盘分装线03433146630060汇总28023617171607658371036150EMS是最全新一代适用于底盘装配作业的输送线，通过对车身的作业高度，车身的角度进行多方位的调整，合理地解决了装配线上人机工程的问题。EMS电控系统由地面主控PLC、吊具分散控制器、通讯系统、供电系统、定位系统组成。分散控制器为“三轴+安全功能”配置，采用滑触线供电，通过PXV二维码读写进行定位，通讯系统采用以微波管道为载体的波导通讯系统。图3-8 EMS系统架构(西门子分散控制器)(二) 传统工业通信及业务功能描述3-9PLCPLC经交换APCP接入分散控制器。分散控制器的驱动单元通过现场变频器实现，在分散控制器本体内部集成有安全IO模块，可对安全保护传感器、高度信息、定位信息收集并反馈至CPU，最终实现吊具各个方向的闭环控制。图3-9 5G改造前现有方式(波导通讯)(三) 传统工业通信网络投资EMS系统为例，包含两套车载控制系统，其软硬件包含IO、现场驱动单元、遥控器，平均每套系统投入约19PLCEMS吊具之间的实时控制需要采用无线网络，目前仅有少数厂商提供定制化的解决方案（如波导管），无论是定制的无线网络，还是吊具上的分散控制器，成本都很高。以总装EMS简化系统为例，包含1个主PLC，24个下挂设备（从PLC2个、下挂OT设备22个），具体如表3-7所示。表3-7 总装EMS简化系统现场设备数量产线面积主PLC数量主PLC下挂OT设备/从PLC从PLC数量从PLC下挂OT设备300012222表3-8为简化EMS线体传统网络投资明细，含1个主站和2个从站（分散控制器）之间的网路通讯部分，波导管道总长为126米，总计12万元。表3-8 总装EMS简化系统传统工业无线网络投资序号型号中文品名数量单位单价小计1051511-015米带条码区域波导管31根779.3424159.492051511-03#带条码区域波导管1根989.02989.023051512-01#带条码区域波导管5根3335.9716679.874051512-01#带条码区域波导管1根3335.973335.975051551-03端头3个1994.865984.576051551-01接头3个1994.865984.577051541-01固定夹250个13.053262.888051552-01#转换器2个14735.2029470.4090130转换电缆1米1813.391813.3910051590-01安装包2个399.00798.0111051521-01接头10个49.38493.8112051521-03PE接头7个122.53857.6813051522-01#接头电缆7个38.75271.2314051561-01#膨胀件4个989.093956.3615051501-01#移动端碳刷天线2个11382.4822764.9616051502-01支架4个125.90503.62含税金额￥121,327.013-9所示，EMSPLC，即分散40%。表3-9 EMS吊具工控系统成本明细(含本地控制器)序号型号中文品名数量单位单价小计16ES72120AB152BJ2EMS600S控制器1件72808.7572808.7526ES7292-0AA51-0AA0显示模块1件10938.7510938.7536ES7292-0CA50-0AA0遥控器1件5183.755183.7546SL3525-0PE27-5AA1变频器功率模块2件162563251256SL3525-0PE24-0AA1变频器功率模块1件105451054566SL35250PE215AA1变频器功率模块1件5862586276SL3544-0FB20-1FA0变频器控制单元4件391715668传感器、二维码扫码装传感器、二维码8置、编码器、接头、电缆等材料扫码装置、编码器、接头、电缆等材料1套5222952229含税金额￥205747一个总装车间，现有的定制无线网络成本，总计464万元（按1200米波导槽，150个CP从站计算）。5G(一) 工业现场5G化改造后组网采用5GURLLC改造现有的EMS系统，可分为两种方式：第一种方式：将定制化的波导通讯更换为5G通讯，其他业务模式不改变；第二种方式：取消分散控制器的PLC设置，由主站PLC进行控制，该模式下可在节省通讯成本的基础上进一步减少PLC投入成本。方式1方式2图0-105G改造的两种方式（方式1：替换波导通讯；方式2：从站逻辑处理业务上移）如图3-10所示，5G化改造后，系统将打破波导通讯+分散控制器的原有模式，减少硬件购置成本，缩短交货周期，实现功能开发性和可扩15G5GURLLC实时2中分散控制器功能上移，主PLC与5GURLLC通信方式进行。同时，EMS线升降旋转吊具的吊具位置、小车振动信号、升降高度、皮带张紧力、连接销应力以及多功能升降滑板线现场环境温湿度、噪音、设备视频监控信息进行信号采集，其中关5G技术进行数据传输，为设备健康管理系统提供硬件基础。(二) 工业现场5G应用场景及价值汽车总装车间，目前以自动化输送系统+人工装配为主。对总装车间进行5G化改造，5GURLLC主要应用于各类自动化系统的智能化升级，其中主要包含：EMS吊具、滑板线、线体驱动及智能化AGV等。在成本方面，传统定制无线网络投资467万元，传统有线网络投资800万元，而5G网络的建设将有效降低车间的网络成本，此部分可节省约600万元。同时，5G网络将支持分散控制器上移的智能化应用。若分散控制器的功能上移，则每套吊具上可节约4万元，一个总装车间EMS/滑板等设备上的分散控制器约150个，大约可节省600万元。综上所述，总计每车间可节省约1200万元。5G网络将同时提供机器视觉等应用的宽带业务以及物料跟踪、车身跟踪等5G定位业务，实现一网增效。表3-10 汽车总装车间5GURLLC应用场景及价值描述参考附录应用场景典型设备主要价值A.1.18C2IO-EMS吊具带PLC的分散控制器/不带PLC的分散控制器。随吊具一起运动的分散控制器、编码器、变频器、传感器等。控制EMS吊具的升降/旋转/行走/停止等。后，其理业务上移。A.1.189C2IO-滑板线带PLC的分散控制器/不带PLC的分散控制器。随滑板一起运动的分散控制器、编码器、变频器、传感器等。控制滑板的行走/停止等。替代波导通讯并较少投入成本。同时，当从站吊具取消PLC后，其成本大幅降低，实现逻辑处理业务上移。A.1.20C2IO-线体驱动电机线体驱动电机。主PLC控制线体边的电机，驱动线体向前移动，控制速度/停止等。优化硬件设计方案，减少现场线缆敷设量，优化线槽敷设线路。A.1.21C2IO-智能AGV本地控制器。小车、AGV路线固定，控制系统全部部署在终端不利于产线的快速重构，期望上移智能径跟踪定位系统及维修等装备。化。普通WIFI网络延时较高、网络抖动频发，会出现“掉线”。(三) 工业现场5G应用场景需求针对汽车总装车间的不同应用场景，基于行业典型部署，梳理各个场景的业务需求如表3-11，其中业务需求主要包含：业务周期CT、业务稳定性(ST,0宕机时长)、业务场景(移动性，NRT并发)，以及业务密度(组态节点密度和车间节点密度)，其具体参数的含义，请参考章节2.3。4msPLC200个/2千平，车间节5000个/5万平米。表3-11汽车总装车间5GURLLC应用场景需求序号应用场景CT/msST/CT倍数0宕机时长移动性轨迹-速度-范围连接/Mbps组态节点数/面积车间节点数/面积1C2IO-EMS吊具421-3年3D-0.4-4001030个/1千平100个/5万平2C2IO-升降滑板421-3年2D-0.4-4001030个/1千平50个/5万平3C2IO-线体驱动421-3年无2200个/2千平2800个/5万平4C2IO-柜内IO421-3年无220个/2千平300个/5万平5C2IO-现场IO421-3年无220个/2千平400个/5万平6C2IO-RFID421-3年无220个/2千平100个/5万平7C2IO-PXV二维码421-3年1D-0.4-200230个/2千平150个/5万平8C2IO-WCS钢码带421-3年1D-2-10210个/2千平100个/5万平9C2IO-机器视觉421-3年3D-0.4-101004个/50平50个/5万平10C2IO-智能AGV421-3年1D-0.4-40010040个/2千平400个/5万平11C2IO-电能表10021-3年无101个/2千平30个/5万平12HMI10021-3年无1012个/2千平100个/5万平13C2IO-安全门421-3年无210个/2千平100个/5万平14C2IO-安全光幕421-3年无216个/2千平100个/5万平15C2IO-安全雷达421-3年无28个/2千平100个/5万平16C2IO-助力机械手421-3年无105个/10平20个/5万平16C2IO-拧紧工具421-3年无105个/50千平50个/5万平17C2IO-涂胶机421-3年无102个/10平10个/5万平18C2C-检测线设备10021-3年无101个/10平10个/5万平19C2C-工控机10021-3年无101个/2千平30个/5万平四、电子/5GURLLC行业数字化升级概述电子/机械制造业正在走向小批量/定制化的生产模式，这一改变将驱动制造企业做数字化转型，加速实现行业的柔性化生产。图4-12019年工业机器人在应用行业的分布和增长率电子/机械制造的柔性生产要求更短的产品周期和更多品类产品的混线生产，这将对自动化设备的柔性化和智能化水平提出更高的要求。图4-2不同市场产品生命周期电子/机械制造的单条产线规模小，在面向未来的柔性化和智能化升级过程中，将会面临如下三大挑战和机会：现场从站/现场设备需打通与MES/SCADA的北向业务，定制化成本高，工业协议种类多，对接复杂，且柔性化不足。5GURLLC将带动PLC走向边缘化，使得现场工业网络走向统一。同时，5G通信管道PLC边缘化的实时控制业务诉求。ERP/MES/SCADA/PLC各自功能不同，对于产线规模不大的电子机械行业，部署成本高。5GIT/OT融合，形成云边端协同的业务分层模式，从而实现工业网络IT/OT一张网。5GURLLC/eMBB一网多业务，一个终端多业务，可满足工业现场IT/OT一张网业务诉求。行业内各类协作机器人近年来使用率快速增长，但面临智能化水平不足的问题，每台机器人新工艺的上线都需要单独的校准和调试。5G网络可以带动协作机器人的控制器边缘化，与后台工艺库关联，实时下发运动轨迹坐标，并自动校准补偿运动轨迹偏差，从而实现工业实时网络无线化。电子总装场景描述1小家电制造工厂，分为钣金、电子、注塑、磁控管和总装几大车间。其中总装车间连接场景最为复杂。某厂家微波炉总装车间布局如图4-3所示。图4-3某小家电总装车间布局以某厂家微波炉总装生产线为例，该生产线整合了微波炉的所有20L平台，年产量稳定在200万以上，可以有效地保障设备稼动率。在充分考虑整线自动化的可行性基础上，结合线外组件化和预定位，线上装配和智能化AGV配送系统并搭配信息化，实现生产过程的全管控。产线基本情况：线长≤86m，线宽≤8m，自动化工位29个，机器人10台，AGV2台，不良下线点5个，返修上线点2个，生产节拍10秒。图4-4某小家电总装产线该总装车间总面积约5万平米，总装产线大约50条。(一) 传统工业通信组网架构图4-5某微波炉总装产线传统工业通信组网架构图4-5所示，该微波炉总装线自下而上依次是现场设备层、分段CC-LinkIE。总装线的控制417PLC分别控制各段设备。同时设置PLCMES系统的通信。(二) 传统工业通信及业务功能描述总装车间的整体组网情况：主PLC与MES之间采用标准以太网,主PLC与从站PLC之间采用工业以太网（CC-LinkIE），从站PLC与现场设备之间采用信号电缆。在上述微波炉总装产线中，从PLC与工位执行机构之间的现场实时控制采用信号电缆，机器人与视觉工控机之间的数据采集和控制信号采用工业以太网。传统有线网络的主要问题为布线费时费力且通信易受到来自电源、变频器等设备的电磁干扰。图4-6总装线安装控制盒工位以安装控制盒工位为例，控制盒从站接收主站的安装指令，从站与机器人、定位机构、螺钉机等机构之间主要传递数字I/O信号。主要控制动作有：定位机构完成腔体和控制盒的定位、上料并加紧，打螺钉、确认紧固好之后流向下一个工位。(三) 传统工业通信网络投资4-1，该微波炉总装产线,1PLC132个下挂设备/从PLC。如果考虑未来进一步去人工，提升自动化率，一条总装线的面积1I/O400个左右。表4-1 微波炉产线现场设备统计产线面积主PLC数量主PLC下挂从PLC/OT设备从PLC数量下挂OT设备800平方米1台17台17台115台上述产线，如采用工业有线网络需投资约80万，包括工业以太网接口设备、交换机、线缆、机柜、供电线路、布线等，具体如表4-2所示。表4-2微波炉产线传统有线网络投资统计(只包含了OT实时网络)主交换机从交换机以太网接口设备PLC机柜工控机机柜线缆和布线费用总费用2万8万10万23万2万35万80万工厂包括三个总装车间，一个总装车间中类似上述产线约20条，去除PLC等设备购置费用，按网络部分费用占比60%计算，总计网络投资约1000万。工业现场5G应用场景及需求(一) 工业现场5G化改造后组网图4-7 小家电总装产线5G化改造前后组网架构5G化改造总装产线现场设备控制系统，将原来的现场从站全部上移集中，同时能够通过集中部署的PLC实现整条线的控制功能，改变一条线需要多个PLC控制站进行分布式控制的现状，。5GI/OPLC5GURLLC连接起ModbusTCP、Ethernet/IPPLC与下挂5G承载。(二) 工业现场5G应用场景及价值5G化变革过程中，将会引入更多自动化设备和机器C2M的小批量多品种的柔性生产。5GURLLC应用将促进两方面的应用：PLCPLC100万元，50万元。智能从站，引入更多自动化设备和机器人，现场自动化设备数量PLC统一处理，不需要再PLCPLC20万元。表4-3 小家电总装产线5GURLLC应用场景及价值描述参考附录应用场景典型设备主要价值A.2.1C2IO-智能从站机器人、自动化专机、远程I/O、RFID等减少布线、减少对特定控制系统硬件（网络和网络接口卡）的依赖错误!未找到引用源。C2IO-云化AGVAGV远程IO化，5G承载产线PLC与AGV之间的通信5G+工业控制创新应用A.2.3C2IO-集中/云化PLCPLC从站、远程I/O等5G+工业控制创新应用产线控制器集中/云化部署，多工艺灵活编排，OT/IT融合智能化工艺学习/监测A.1.17HMI-示教/急停/监测有限移动的有线操作屏，触摸屏，远程I/O等柔性剪辫子(三) 工业现场5G应用场景需求针对小家电总装车间的不同应用场景，基于行业典型部署，梳理各4-4CT、业务稳定性(ST,0宕机时长)、业务场景(移动性，NRT并发)，以及业务密度(组态节点密度和车间节点密度)2.3。10msPLC200个/1千平,车间总3800个/2万平。序号应用场景CT/msST/CT倍数0宕机时长移动性*（补充）NRT带宽/连接/Mbps组态节点数/面积车间节点/面积1C2IO-智能从站1021-3年无10序号应用场景CT/msST/CT倍数0宕机时长移动性*（补充）NRT带宽/连接/Mbps组态节点数/面积车间节点/面积1C2IO-智能从站1021-3年无10130个/1千平2600个/2万平2C2IO-集中/云化PLC1021-3年无1020/1千平400个/2万平3C2IO-云化AGV1021-3年有1020/1千平400个/2万平4HMI-示教/急停/监测1021-3年无1020/1千平400个/2万平电子总装场景描述2图4-8 某家电企业的空调压缩机总装和物流车间布局图4-8为某家电企业的空调压缩机总装和物流（原材料、半成品、成品）车间布局情况。总装流水线内采用了工业以太网、WiFi等融合网络实现了总装车间的数字化生产，其中包括内装、外装、注油、检测、包装、码垛等自动化控制业务。总装车间总面积约6000平方米,各条产线的现场工控设备数量585台。图4-9 智能工厂业务架构图压缩机研发设计定型后，不同型号的同类产品主要通过组装不同型号的原材料和半成品组件形成。该制造过程是由不同零部件的加工子过程并联或串连组成的复杂的过程，所以其组合的方式中包含有更多的不确定性因素，需要通过工厂的全流程管理（工厂大脑）来解决这个问题，5GURLLC将在OT层运营中扮演关键角色。图4-10 车间5G无线覆盖以智能化工业园区为例，5G技术通过工业数据采集和传输体系，借助高带宽、大连接的网络特性，对工业园区各环节实现数据采集点的进一步细化和补全。通过在边缘端、云端构建海量数据机器自学习的质5G的机器视觉质量检测。同时，5GAGV位、人员签到、电子围栏预警等功能，使物流管理数字化、智能化。但在面向生产制造从自动化到柔性化/智能化的升级过程中，现有的工业网络还存在时延过高、网络不稳定、网络布线改造成本偏高等问题和挑5GURLLC的应用将为这些问题的解决带来可能。(一) 传统工业通信组网架构某空调压缩机车间按照传统的“集中控制、分散管理”的模式，从PLC利用工业交换机接入。现场多网络并行，采用ModbusTCP、OPC、MELSEL、Ethernet/IP、PROFINET等工业以太网通信，以集中数据上传采集专有网络，实现对生产设备的数据采集。网络设计架构从成本与稳定性的角度出发，实现了激光打码、机芯入壳、码垛工序环节的数据采集，满足生产对车间设备的数采需求。该生产线现有的工业有线网络架构如图4-11所示。图4-11 某空调压缩机生产线有线网架构图(二) 传统工业通信及业务功能描述PLCPLCPLC接收到指令后，驱动点焊机器人、水槽捡漏机器人、激光加工机器人等进行有序工作，压力传感器、磁通量传感器等将数据通过从PLC上传到主PLC用于控制决断，通过自动化的流程，把各种半成品相关部件组装成一个完整的压缩机产品，再进行检测、包装并完成运输或入库。其中激光打码、机芯入壳、码垛等主要工序涉及的工控设备包括焊接机器人、活塞选配、冷压机、机芯高度检测装置、水槽捡漏机器等设备，由于工业设备的品牌、类型较多，而PLC的可选品牌也比较多，导致涉及的有线协议较为复杂，整个传统工业通信存在较为复杂的组网。(三) 传统工业通信网络投资以压缩机生产线为例，包含11个主PLC139个下挂设备（从PLC22OT117个）4-5所示。表4-5 压缩机生产线在现场工控系统设备统计产线面积主PLC数量主PLC下挂从PLC/OT设备从PLC数量从PLC下挂OT设备1200平方米112222117上述产线总面积约1200平米，车间内共有5条产线。采用现有工业有线网络投资42.2万，包括工业交换机、线缆、供电线路、布线等。表4-6 压缩机生产线传统工业网络投资统计序号支出科目单位数量支出金额（单位：万元）1工业交换机个112.22综合布线套140合计42.25G(一) 工业现场5G化改造后组网图4-12 压缩机产线5G化改造组网架构方法一：园区接入5G网络后，结合原有标准以太网、NB-IoT、WIFI等网络连接方式形成融合网络。方法二：园区接入5G网络后，通过5GURLLC改造现场设备控制系统，通过5G连接实现从站上移，主PLC与电焊机器人、水槽检漏机器人、传感器等工控设备之间通过5GURLLC进行实时通信，不仅提高工业控制数据传输效率，还可以进一步减少投入成本。根据厂家发展策略，可选择以上两种方法来解决自身的5G化需求。(二) 工业现场5G应用场景该压缩机总装车间对激光打码机、注油设备、码垛机、电焊机器人、5G5GURLLC为柔性化生产实现无线化剪辫子，在提高设备智能化、设备数据采集范围的同时，其低时延特性为工业应用升级提供助力。工厂内设备管理、数MES、WMS等运营效率将进一步提升，实现数据驱动生产决策的经营管理方式，从而提升工厂生产效率、提高生产良品率。曲轴、曲轴箱、壳体等主物料通过软硬件升级，采用工位库直配后，车间每单生产领料时间减少至少30分钟。通过对物料齐套的升级，生15%以上，降低品质风险10%70%以上，实物库存正确性100%，库存数据实时性精确到每分钟，排产准确率提30%MES、WMS、数据中台、数据应用等系统的升级，全面实现原材料、半成品、成品的条码化管理，具备通过压缩机钢印码、物料批次号等信息追溯箱号批次、总装排产批次、零部件生产批次、原材料批次及供应商、生产过程质量数据、物料交接信息等，产品全流程溯50%5%，预2亿。表4-7 家电总装车间5GURLLC应用场景及价值描述参考附录应用场景典型设备主要价值A.2.4C2IO-云化PLC智能从站PLC、流水线过站设备、点焊机器人、激光加工机器人、水槽捡漏机器人、称重机、码垛、检测仪设备等5G+工业控制创新应用产线控制器集中/云化部署，多工艺灵活编排，OT/IT融合智能化工艺学习/监测A.2.5C2IO-云化智能定位AGV智能从站PLC、AGV小车、高清摄像头、路径跟踪定位系统等生产的流程不用再依赖固定流水线流程，新生产流程的启用，不需要涉及到流水线的改造，只需要重新规划AGV小车的运行路线即可，大大节省流水线升级改造成本(三) 工业现场5G应用场景需求针对家电总装车间的不同应用场景，基于行业典型部署，梳理各个场景的业务需求。如表4-8，其中业务需求主要包含：业务周期CT、业务稳定性(ST,0宕机时长)、业务场景(移动性，NRT并发)，以及业务密度(组态节点密度和车间节点密度)2.3。5GURLLCPLCAGV应用场景，两个场景的更新周期均为10ms。其中，一条产线的云化PLC117个/1200585个/6000平方米，云化智能AGV10120050个/6000平方米。表4-8 压缩机总装车间5GURLLC应用场景及需求描述序号应用场景CT/msST/CT倍数0宕机时长移动性轨迹-速度-范围NRT带宽/Mbps组态节点数/面积车间节点/面积1C2IO-云化PLC1021/1年无2117/1200平米585/6000平米2云化1021/1年2D-2m/s-100m*2m3010个/1200平米50个/6000平米30%的自动化设备，175台。园区有三个厂区且分布较广，其中三厂区包含总装、冲焊、电机、机加四个车间，共计工厂内总节点数约1400个。重型机械焊接场景描述重型机械制造工厂，分为备料、结构件焊接、机加、涂装、装配、调试、热处理和仓储物流,共八大工艺车间。其中备料车间，细分为下料、成型两个工艺，是生产制造的首道工序，这一过程涉及零件种类繁多、工序复杂多样，对产品质量起到决定性作用。如图4-13所示，是某厂家备料车间的布局图。图4-13 重型机械备料车间布局图图4-14 重型机械备料车间工艺业务流程图如图4-14所示，备料生产线包括：钢板预处理、钢板上料、转运、切割、分拣、坡口、折弯、配盘、AGV转运、零件立体库入库等工序。车间采用备料FMS系统，打通全工序信息流，实现各工序间协调生产。备料车间总面积4000余平米,包括11道工序，各条产线的现场工控设备数量29台。车间的具体业务控制流程：接到钢板配送信息后，提前一天准备好钢板（必要时先预处理），按生产进度及时把钢材送到现场。现场从SAP接收下料需求，通过下料平台集中套料，设计套料图及套料程序；优先保证本工厂短期下料需求，将各工厂中长期需求零件根据利用率情况进行跨工厂交换；自动完成套料生成套料图以及程序号,套料图生成后，DIP通过接口将程序号以及套料清单（含零件所有工序）传递到MES，同时通过接口触发ERP进行钢板预定及转储。备料中心MES接收来自SAP的订单信息，通过对订单信息的解析，自动生成调用对应的钢板原材料库位信息、加工工艺信息、物流调度指令、数控切割代码、机器人坡口加工程序和成品库信息。使原材料在经过切割、分拣、坡口、校平等多道工序后自动收货入库。(一) 传统工业通信组网架构备料车间的整体组网情况：主PLC与MES之间采用工业以太网（OPCUA）,PLCProfinet、DEVICENET、MODBUSTCP。以坡口产线为例，现有的工业有线网络架构如图4-15所示。其中包含火焰割枪、等离子电源、机器人等设备。图4-15 坡口产线传统工业网络组网图技术方式：3D视觉+激光寻位。零件自动识别、抓取，自动寻位开坡口。适用场景：1000mm*1200mm以下中、小零件自动开坡口。(二) 传统工业通信及业务功能描述PLCProfinet网络，视觉相机与服务器之间的智能数据(视觉/数据采集等)采用有线网络。传统有线网络的主要问题是：传输物理接口易松动，设备不能灵活运动。(三) 传统工业通信网络投资4000平方米，8PLC19PLC，所有PLC25OT4-9所示。表4-9 产线工业控制系统设备数量产线面积主PLC数量主PLC下挂OT设备/从PLC从PLC数量从PLC下挂OT设备4000m28191925350万，包括网络工业以4-10所示。表4-10 产线传统工业网络OT控制投资（按Profinet估计）序号支出科目支出金额（单位：万元）1网络费用（太网接口设备、交换机、线缆、机柜、供电线路等）300（约）2人员实施费用50（约）5G(一) 工业现场5G化改造后组网图4-16 5G化改造后组网架构MEC服务器中包含了云化PLC5G网络完成设备5GPLC与从站（PLC下挂设备，包括从PLC和机器人等OT设备）PLC（PLC）之间，以及机器PLCIO5GURLLC进行连接。主PLC、从站、辅控PLC与MES5G大带宽来支持。5G一张网支持实时/PLC5GUPF接入现场设备通过5G终端星型扁平化接入。其中5G基站部署在车间，5GUPF下沉车间，提供实时网络交互。(二) 工业现场5G应用场景及价值备料产线5G化改造后，5GURLLC主要应用于各类自动化系统的智能化升级，其中主要包含主PLC、从站、辅控PLC等。车间搭建5G网络后，摒弃了原有的工业有线网络架构的原有模式，减少硬件购置成本，缩短交货周期，实现功能开发性和可扩展。5GURLLC有效降低车间的网络成本，并支持分散PLC上移的智能化应用，每车间可节省约1300万元。同时5G网络提供机器视觉三现（现场、现物、现实）管理的上行大带宽需求，以及物料跟踪、人员定位等5G定位业务，实现一张网多种效用。5G+云+AI应用场景的应用，实现智能上下料作40%50%；坡口机器人对零件进行坡口加工，按不同零件、不同坡口位置自动切坡30%。表4-11 重型机械备料车间5GURLLC应用场景及价值描述参考附录应用场景典型设备主要价值A.2.6C2IO-智能上下料下料/分拣机器人下料：人工远程智能下料分拣：人工机器智能分拣IT/OT融合一网增效，人工降低40%A.2.7C2IO-智能坡口焊接机器人融合一网增效，生产效率提升30%(三) 工业现场5G应用场景需求针对重型机械备料车间的不同应用场景，基于行业典型部署，梳理4-12CT、业务稳定性(ST,0宕机时长)、业务场景(移动性，NRT并发)，以及业务密度(组态节点密度和车间节点密度)，其具体参数的含义，请参考章节2.3。10ms400050个。4-1248/1500125/4000平米。表4-12 重型机械备料车间5GURLLC应用场景及需求描述序号应用场景CT/msT倍数0宕机时长移动性轨迹-速度-范围NRT带连接/Mbps组态节点数/面积车间节点/面积1C2IO-智能下料分拣1025年3D-25m/min-19*13m10048个/1500平48个/4000平2C2IO-智能坡口1025年3D-10m/min-2.7*9.2m10077个/2500平77个/4000平5GURLLC行业数字化升级概述(一) 精密铸造业转型升级的重要性39个工业大类、191个中类、525个小类，制造业由大做强的道路上仍需提升关键技术能力，并强化产业链的供应能力。这一过程中不仅需要高端制造业的数字化转型，也需要精密铸造等传统制造业企业的系统性升级，进而保障我国制造业产业链完整性及原料、工件的供应质量水平。(二) 精密铸造现状精密铸造是传统制造业的代表之一。精密铸造属于铸造领域的一种工艺，其特点是形成的铸件尺寸精度较高，是生产精密机械零部件的一种重要工艺。“铸造是工业之母，铸件是工业的粮食”。铸造行业是制造业的重要基础产业，决定了下游工件的质量，是众多产品和高端技术装备创新发展的基础保障，其发展状况影响制造业的基础水平。目前，以精铸为代表的传统工业，企业面临劳动力严重短缺，工艺人才断层，自动化程度低等问题，因此转型迫在眉睫。精密铸造生产流程一般由8个生产工序组成，分别为蜡模、组树、沾浆、脱蜡、焙烧、浇铸、去壳、切割，工艺具体情况如表5-1所示。表5-1 精铸工艺现状编号工艺自动化程度工作环境用人成本1蜡模人工为主蜡的气味大中2组树人工蜡的气味大中3沾浆低，有自动化方案粉尘大，劳动强度高高4脱蜡低可接受低5焙烧低高温低6浇铸低高温，劳动强度高高7去壳低可接受低8切割低危险，劳动强度高高5-1所示，包括航空航天，汽车，医疗以及重型机械设备。在航空领域，铸造技术的进步对加速航空产品的更新换代，提高新机种的性能，缩短产品的制造周期，大幅度减轻重量，以及减少能源消耗和降低成本上，都具有非常重要的作用。特别是在航空发动机的制造上，铸造技术更具有重要的意义。在汽车行业也同样如此，汽车发动机缸体、缸盖、变速箱壳体、进气歧管、排气歧管、曲轴、凸轮轴、活塞、车轮轮毂等等，都属于铸件产品。图5-1国内精密铸件行业供给结构(三) 转型升级的思路本章为精密铸造行业企业的改造升级建立样板车间，探索一套适用于传统行业5G化改造的可行性方案，从而提升精铸行业的整体生产工艺水平，同时也为传统行业的数字化升级改造提供参考思路。传统制造行业自动化和信息化水平都比较落后，这种情况对于升级改造来说，既是挑战也是机遇。企业面对的挑战在于整体基础较差，因此存在改造的问题较多，需要全方面的考虑和设计；而机遇在于企业对于新技术的应用没有束缚，可以不在现有技术的基础上做改良，直接做顶层设计，按照合理的模式来实现整厂的规划。针对精密铸造企业，解决方案提出了整体的顶层规划，为现场改造实施提供路线。如图5-2所示，总体技术方案包括双云网边端架构和企业算力分层部署的思路。图5-2 基于5G的双云网边端和业务分层算力上移的架构体系解决方案结合制造业场景的需求定义了双云网边端的架构体系。从纵向来看，一侧是管理侧，另一侧是工艺侧，而从横向来看，自上而下分别是云、边、端以及执行层。5G和边缘计算的引入，实现了云边端三层算力的划分，可以根据业务需求，进行算力的合理部署。端侧是工厂最底层的算力，负责设备级实时控制，要求非常高的实时性，但对于算力要求不大。边缘侧属于中间层，可以提供较大的算力，结合5G技术的实时性，传统端侧算力可通过上移至边缘侧完成生产现场设备调度指挥等系统的算力支撑。云侧提供超大算力但实时性有限，可以提供大数据的存储和分析，形成训练模型，指导现场生产。制造业对于算力的要求依然是分层，业务越接近底层实时性和可靠性要求越高，同时算力成本也越高。因此算力上移是一个必然的趋势。另外，相比于在设备端的调试和升级，在上层边缘平台和云平台构建开发平台，可以降低开发、升级和维护的难度。因此，改造方案划分了企业的分层算力，根据网络性现状实现分阶段分步上移。(四) 转型升级的计划此次精铸车间改造规划，如表5-2所示，第一阶段已经初步完成，目前正在实施第二阶段改造内容。表5-2 精制造型升计划项目内容第一阶段第二阶段基础建设1.工厂改造完成2.5G网络覆盖完成1.5G虚拟切片专网的建设和调试自动化及车间信息化5G业务系统5.精铸信息化系统开发5.基于数据中台技术的业务系统数据打通以上改造方案，是通过多方充分调研整体行业需求，了解多家企业的共性需求，从而完成顶层设计，并以此为指导，进行示范车间改造实施。因此此套方案具有一定的行业可复制能力。从推广可行性角度来说，通过以下几个方面来体现：双云网边端的整体架构，传统行业的改造都具有可借鉴性。精密铸造行业的样板车间，从技术上和企业投入产出来说具有可复制性。5G技术方案。精铸车间场景描述图5-3 精铸生产车间精铸生产车间布局如图5-3，共两层，面积约为4000平米(100m*20m*25-3展示为第二层布局)3大车间8个工艺，一期项目实施为包含模具仓库和三大车间（蜡模车间，组树车间，模壳车间）在内的二层部分。AGV叉车进行模具的转AGV5G连接接入，AGV调度软件部署在移动边缘服务器中。蜡模车间：生产精铸所需要的蜡模，通过机械臂将模具放入注蜡机，注蜡完成后生成蜡模，其中注蜡机通过WIFI接入网络，并由边缘服务器注蜡机管理软件将参数发送到注蜡机。组树车间：将蜡模通过机械臂焊接在“蜡模树”上，组焊机械臂通过WIFI接入边缘服务器，机械臂通过物料编号识别机器人应当执行的程序，并通过WIFI下发指令到机械臂启动组焊。模壳车间：对蜡模树通过粘浆粘沙、干燥、形成模壳，其中机械臂通过5G接入边缘服务器，由边缘服务器根据物料编码选择机械臂程序执行，并通过5G连接干燥箱，控制干燥箱的动作。8个生产工序组成：蜡模－组树－沾浆－脱蜡－加热－浇铸－去壳－切割。改造前整体的自动化程度相对较低，其中蜡模、组树、脱蜡、加热、去壳五大工艺环境一般，而剩余的沾浆、浇铸和切割工艺，工作环境相对比较恶劣、劳动强度大、用工成本也较高，具体情况如图5-4所示。图5-4 改造前精铸车间环境(一) 传统工业通信组网架构在行业发展初期，工厂内所有设备都工作在单机模式，人工搬运物料到各加工中心进行加工，再人工搬运到仓库。注塑机一般由PLC控制，PLCHMI的界面上输入待加工的参数，粘浆粘沙工艺均人工完成，干燥箱为变频器控制的电热炉。引入自动化设备后，现场部署熔蜡炉、热水循环机、注蜡机、工业机器人、干燥箱、AGV搬运小车、脱蜡机、焙烧炉、熔炼炉、工业看板等设备，大部分设备使用PLC控制，有线部署下MES与PLC和设备之间通过以太网或wifi进行通讯，通讯协议为modbustcp或http，组网情况如图5-5所示。图5-5 传统工业设备组网（北向）以工业机械臂为代表的运动控制设备，其控制系统主要包含控制器和伺服电机，控制器和伺服电机之间一般可使用EtherCAT、CANopen或各伺服厂商的自有协议。如图5-6所示，在本精铸项目中的工业机械臂使用EtherCAT，一般情形下由控制器做EtherCAT主站，伺服系统做EtherCAT从站。图5-6 传统工业机械臂组网（南向）如图5-7所示，厂内的部分IO设备的控制系统主要由PLC和IO模块组成，PLC与IO模块的通讯方式主要有PROFIBUS、PROFINET或各PLC厂商的自有协议，目前厂内IO设备都比较老旧，通常使用PROFIBUS，但是有改造为EtherCAT的可能性，干燥箱、注蜡机、熔蜡机都属于此类。图5-7 传统IO设备组网（南向）(二) 传统工业通信及业务功能描述传统工作流程为人工从模具库搬运模具到注蜡机，注蜡后生成蜡模，由人工对蜡模进行组树后手持蜡模树去进行粘浆粘沙操作，最后搬运到干燥箱内进行干燥。整个加工流程基本都是人工操作，几乎没有自动化流程。引入自动化设备后，现场采用有线部署，MES和PLC之间采用标准以太网连接，或者MES通过有线网络连接到转接口DTU，DTU再通过RS232串口连接到PLC。业务流程调整为：由云端业务系统发送生产任务到边缘服务器（MES），再由MES调度AGV从模具仓库搬运指定的模具到蜡模车间，然后调度机械臂将模具从AGV上抓取到注蜡机，MES调度注蜡机加工蜡模，蜡模加工完成后由MES下发指令到电子看板，人工将蜡模放入料箱，完成后发送完成指令到MES，再由MES呼叫AGV将料箱搬运到模壳车间，最后由MES协调机械臂从料箱中抓取蜡模进行粘浆粘沙。(三) 传统工业通信网络投资业务分层上云通过有线实施的痛点：HMI（人机界面）层上云：所有与用户交互的UI，软件界面都部署在服务器上，如果要展示所有设备工作状态并对设备进行操作，需要为每一个设备部署标准以太网，并连接到HMI服务器，除了一笔前期厂房网络线路改造的费用，还需增加后期网络线路维护的费用。逻辑层/10-20ms的实时性，如果使用标准以太网络协议，无法满足实时性要求，如果使用运控行业的实时以太网（EtherCAT），又需要对服务器和从站进行实时通讯改造，方案的复杂度和成本都会大幅上升，同时依然存在类似上述HMI层上移时，厂房网络线路前期改造的费用和后期维护的费用。运动控制层上云：目前运动控制层主要是工作在设备内部的控制器PLCIO模块和电机，由于设IO模块和电机数量庞大，假如依然采用有线部署模式，其成本会大幅上升，同时运动控制层的线缆大多暴露在外，容易受到现场恶劣环境影响（如粉尘、油污的影响），可能导致线缆腐蚀，产生信号干扰。精铸生产3大车间，共包含3大工艺流程，产线上1个主PLC下挂50个从PLC，所有从PLC共下挂80个OT设备，具体如表5-3所示。表5-3 精铸车间现场设备统计产线面积主PLC数量主PLC下挂从PLC/OT设备从PLC数量从PLC下挂OT设备4000平米1505080910万（OT网络投资），包括网络工业以太网接口设备、交换机、线缆、机柜、供5-4：表5-4 精铸车间传统有线网络投资统计交换机设备以太网接口设备PLC机柜工控机机柜线缆和布线费用总费用6台约48000100个DTU设备约3000001台约2000约80000加上其他费用约16万表5-5精铸车间传统有线OT投资统计网络费用总费用包括Ethercat，Profibus布线，及其相关接口部件在内的费用估计200万一个2万平规模的精铸工厂，类似上述产线大约5条，总计网络投资1000万。5G(一) 工业现场5G化改造后组网精铸车间智能化改造分为如下两部分：车间工业自动化系统智能化改造采用双云网边端技术架构，实现管理侧和现场工艺侧的智能化改造：1）软件平台-管理侧：针