5G应用创新发展白皮书-5G重点应用分析-智慧工厂

智能工厂

随着5G融合应用的不断发展和演进,应用重点行业和领域逐步聚焦,尤其是在工厂、矿山、港 口、医疗、电网、交通、安防、教育、文旅以及智慧城市等10个领域,逐步获得业界认可,并初步形 成了有望规模商用的应用场景。本文主要介绍5G在智能工厂中的典型应用分析,主要从5G典型场景及价值、未来发展空间以及面临的挑战。




推荐产品:

工业物联网:5G工业路由应用

在工业场景中,存在一种特殊的重要“关口”。 工业现场往往存在不同的网络环境,不同软件、不同系统、不同工厂之间的网络通信语言也都不尽相同,

工业网关就是从一个网络环境连接到另一个网络环境的一种面向工业应用的装置或设备。

随着5G技术的发展,其高带宽、低延时的特性也将助力工业网关向工业智能网关的升级转型。

具体实现:以太网做LAN口组成内部局域网,把5G作为WAN口,通5G上网或者通过WiFi的AP实现组网功能。

5G工业路由


 FCU2303推荐理由:

❶ 内部集成高性能 64位四核ARM处理器LS1046A,主频高达1.8GHz,CoreMark跑分45000;

❷  8路网口:提供8路千兆网口,可接入多种网口设备,如摄像头、云化机器人等;

❸  USB3.0:提供对外USB接口给客户更高的灵活性,同时支持U盘更新系统,快捷方便;

❹  8路 RS485(含4路RS485/RS232自适应接口):可接入气象监测、环境监测、烟感探测等多种监测设备;

❺  12V供电:提供2路12V供电电源,免去电源紧缺的困扰;

❻  DI/DO:可对开关量进行远程控制;

❼  WiFi:支持2.4GHz、5GHz双频WiFi;

❽ 搭载 华为5G工业模组MH5000/移远RM500Q配合LS1046A的网络加速引擎,可帮助用户快速接入互联网,实现安全可靠的数据传输;

❾ 提供 强劲数据采集、转发、处理能力, 支持MODBUS、MQTT、IPSEC、OPENSSL、OP-TEE、DPDK、ovs-DPDK、Lighttpd、Samba等协议;

➓  边缘计算能力:提供单点、多点、模型等实时控制。


FCU2303经过-40℃~+85℃高低温严格测试;铝合金型材外壳,坚固耐用。在产品细节上更是精益求精,前后挡板螺丝导电处理、橡胶套对天线缺口进行密封、天线与外壳绝缘处理同时做了防滑扣设计,

这些都将增加产品的稳定性。除了满足工业温度的要求外,EMC电磁兼容也是工业产品最为重要的内容,FCU2303智能网关外围接口全部增加静电四级防护,

通讯端口增加隔离保护芯片。RS485、RS232接口3KV隔离保护,EFT3级防护;网口、USB、RS485、RS232,静电四级防护。

点击查看5G网关详细信息 >> FCU2303嵌入式控制单元


正文开始

1. 5G典型场景及价值 

5G作为移动通信的最新一代技术,相比光纤固网,具备接入灵活的特点,更能适配新时代定制化 生产的柔性制造的需求,其低时延、高可靠等特性,对工业生产的稳定性需求能有更好的保障,5G+ 边缘计算可以解决工业互联网在异构网络融合、业务融合、数据融合、数据安全、隐私保护等方面的 需求,使得无线技术应用于工业设备实时数据采集、控制、远程维护及调度、图像智能处理等领域成 为可能。目前,5G相对于有线和Wi-Fi的关系并不是替代,而是对特殊场景的补充和增益,如应用于 AGV、AR终端、机器人、无人车等移动性场景,以及光纤不易覆盖的户外场景。 

5G在智慧工厂中的应用探索成效已经初步显现。超高清视频监控、移动无人巡检等叠加赋能型 应用,在现有工厂网络应用基础上,叠加5G网络应用,在非核心生产和管理业务方面有效补充、增强 工厂管理能力。三一重工将5G+高清视频融入到园区的安防监控之中,实现采集监测视频/图像实时 回传,结合统一监控平台,实现人员违规、厂区的环境风险监控的实时分析和报警。5G+机器视觉、 AR/VR辅助装配等业务融合型应用,通过部署5G MEC(边缘计算基础设施),将5G技术与人工智能 (AI)等新技术在边缘侧进行融合,解决原来AI技术受限于终端的处理能力及成本等问题,全面提升 工业企业装备的智能化水平。5G+工业控制等产业升级型应用,涉及工业核心生产环节,将受限于5G 技术对于实时性和可靠性等指标的满足程度及与工业体系融合深度,在工业设备广泛支持5G联网能力 之前,难以形成规模。宁波爱柯迪股份有限公司在生产线上,研发集成了5G模组的MES(制造执行系 统)工业网关,相比较CPE方式性能更优,与产线融合的更紧密,提升了整体的生产效率,随着5G技 术及工业体系的不断升级,5G工业终端将越来越多的在生产中使用。 

在智慧工厂领域,5G+机器视觉正逐渐成为行业共性需求。对于制造企业而言,工业质检一直面 临人工检测质量不稳定、招工难、留人难、培训难、成本高等难以解决的痛点。5G机器视觉在智能工 厂领域有广泛的需求,技术发展成熟,商业模式初步建立。第三届“绽放杯”大赛获奖项目中,南南 铝使用5G机器视觉进行铝板检测,表面识别准确率从71%提升至99.98%,且良品率提高6个点;海尔在 家电制造中使用5G机器视觉替换传统工控机,降低投资的同时提高算法检测准确率至99%;宝钢使用 机器视觉进行车间智能巡检,自主导航监测车间内烟雾、积水等异常。5G机器视觉可广泛推广到流程 制造行业,工厂前期投资部署5G机器视觉系统,后期按照生产需求购买算法,商业模式初具雏形。未 来,这类应用将逐渐平台化,与MEC等云计算能力结合。例如中国电信基于5G MEC的分布式通用机 器视觉平台,充分利用5G网络低时延和高带宽特性,将原来的视觉检测识别算法任务调整到MEC上执 行,通过边缘云计算能力,简化检测识别现场的工控机方案和现场设备,加快视觉算法的优化,实现 工厂智能化。工业视觉依托5G网络优势,打造云化工业级机器视觉解决方案,部署便捷,升级简单。 随着基于5G+MEC分布式机器视觉平台的大规模应用,将大幅降低工业生产和检测成本,提高工业生 产效率,对全产业链产生巨大影响。同时高精度质检算法代替人工质检将改善车间工作环境、降低生 产风险,推动安全、绿色生产,具有良好的经济和社会效益。

2. 未来的发展空间

数据融通、柔性化生产是智能工厂的发展趋势。工业面临数字化转型升级,工业互联网是其必经 之路。而工业互联网的基础,在于数据的有效采集和转换融通,信息及数据的不足和孤立是面临的主 要问题。总体看来,5G将极大的满足我国工作制造的信息化改造需求。

• 我国人口红利优势逐渐丧失,通过5G实现机器换人具有巨大市场价值。2014年全国劳动力成 本是十年前的2.7倍,优衣库、耐克、富士康等世界知名企业纷纷选择在东南亚和印度开设新厂,中国 大陆地区的机器人密度(每万名工人的机器人拥有量)为187,远低于全球前两名新加坡和韩国(分别 为918和855),但中国增速领先全球,两年时间翻了一倍,通过5G结合自动化设备实现机器换人,能 有效降低企业的人员成本,促进科技提质增量。

• 中国工业场景大量设备处于离线离网状态,5G网络实现新老设备数据联网正当时。根据两化 融合服务联盟的数据,截止到2019年第二季度,调查的15万家工业企业在生产设备数字化率、关键工 序数控化率分别为47%和49.2%,而工业企业智能制造就绪率仅为7.6%,这其中绝大多数为规模以上企 业。随着5G的商用,有望成为工业互联网数据互通互联的底座,5G数据联网发展空间巨大。

• 5G促进企业数字化网联应用的蓬勃发展,市场空间极其可观。数字化、联网化率不足,也 局限了工业软件普及率,使重点工业企业应用计算机辅助设计(CAD)、制造执行系统(MES)、 产品生命周期管理系统(PLM)等工业软件配置率较低。2017年中国企业的94.4%的企业未能做好部 署智能制造的准备,生产设备数字化率只有44.8%,而数字化设备联网率仅为39.0%。制造执行系统 (MES)普及率只有18.1%,数据采集与监控系统(SCADA)只有4.7%。中国亟需大幅提升工业设备 设施网络化水平,突破企业数字化发展瓶颈,大力推动以5G为支撑的工业互联网发展,在此之上构建 的应用附属价值极其可观。

5G低延时、高带宽特点能够保证海量工业数据的实时回传,网络切片技术能够有效满足不同工业 场景连接需求,赋能远程控制、机器视觉、AR/VR等多个场景。据德勤咨询估计,2020年至2035年, 5G在制造行业支持的产出将达到20万亿以上,位居所有行业之首。

大量5G工业视觉的落地场景,体现出市场对机器视觉的迫切需求,未来将是在智慧工厂中率先落地的应用之一。一方面由于5G满足了多路超高清视频灵活接入的需 求,另一方面也是由于国内机器视觉起步较晚,目前正作为智能工厂重点应用大力推进,处在行业迅 速上升期。据Markets and Markets预计,到2020年全球市场规模将达到125亿美元;到2025年底,全 球市场规模将超过192亿美元,机器视觉未来空间巨大。前瞻产业研究院2018年度企业调查结果显示, 2018年中国机器视觉行业销售总额为83.9亿元,比上年同期增长21.6%;研发投入增长至11.7亿元,同 比增长32.8%。随着全球制造中心向中国转移,中国机器视觉市场正在继北美、欧洲和日本之后,成为 国际机器视觉厂商的重要目标市场,5G+MEC作为承载工业视觉的新型技术,有助于中国机器视觉厂 家的迅速崛起,甚至实现弯道超车。

2020-2025年全球机器视觉市场规模及预测(单位:亿美元)

2020-2025年全球机器视觉市场规模及预测(单位:亿美元)

据前瞻产业研究院的预计,全球工业相机市场将在2020年达到7亿美元,2025年增长到12亿美元。 按照平均工业相机单价1万美元估算,2025年工业相机规模能达到12万台。其中,按照中国占到全球工 业相机市场的20%,其中5G网络渗透率50%估算,中国的5G工业相机需求可达1.2万台。

2020-2025年全球工业相机市场规模及预测(单位:亿美元)

2020-2025年全球工业相机市场规模及预测(单位:亿美元)

3. 面临的挑战

随着5G在工业企业落地实践的不断深入,运营商、设备商、行业解决方案供应商正加速磨合,深 入理解工业企业的痛点和需求,不断挖掘、摸索产生相应的解决方案,推动工业5G信息化升级,促进 5G网络、终端、应用、商业走向成熟。与此同时,但也存在这一些非常实际的困难,具体包括以下几 个方面:

• 产业融合难。在工业领域,自身的迭代和演进已经推进了几十年,对于产业自身的痛点,已经 形成了一个较为封闭和自洽的生态。如何通过5G网络突破工业体系内的自适应,从性能的提升转化为 效益的提升,为工业企业带来真实的价值,实现商业闭环和技术变现,道阻且长。

• 5G技术及产品有待发展和完善。对于工业比较关键的5G uRLLC标准于2020年7月刚刚冻结, 产品实现相对于标准还有一定滞后。目前企业网络覆盖主要沿袭2C覆盖的逻辑,但工厂场景大多是确 定性的场景,在固定区域下固定终端应用作业,需要保障相对稳定且定制化的网络带宽需求。与2C 领域终端用户共享带宽,随机竞争接入的原则不同,工业2B则要确定根据不同终端场景定制差异化网 络,分配最优带宽和服务,确保关键业务的连续性和稳定性。网络切片、确定性时延、网络设备主备 冗余等行业客户期望的5G功能尚不能完全到位,有待进一步技术发展。

• 产业链的整体配合道阻且长。5G终端模组的行业化改造适配存在磨合问题,例如在某装备制 造企业的AGV 5G改造项目中,需要将模组的通信控制单元放置在AGV的主体内,由于主体为金属打 造,具有非常强的电磁屏蔽效果,需要将5G天线外置、可调,且移动过程中状态不会碰撞变形;传统 的工业路由使用的棒状天线不能满足需求,而目前市场上,能用的终端天线设备屈指可数。5G工业终 端和需求的适配是一个漫长而艰难的过程。