5G 通信技術在閥門制造行業的數字化應用探索

孔令舟

中國移動通信集團江蘇有限公司鹽城分公司

0 引言

國務院于2015 年5 月公布強化高端制造業的國家十年戰略規劃——《中國制造2025》，從頂層為中國制造業轉型升級制定了第一個十年的行動綱領，以創新驅動、智能轉型為基本方針，以網絡化、數字化、智能化為主線，力爭用10 年時間，邁入制造強國行列。工業和信息化部在《“十四五”信息通信行業發展規劃》中將工業互聯網和“5G+工業互聯網”列入重要的融合基礎設施。2021 年以來江蘇省連續發布《江蘇省制造業智能化改造與數字化轉型三年行動計劃（2022-2024年）》和《江蘇省5G 應用“領航”行動計劃（2022-2024 年）》，通過一系列措施加快促進5G 在重點領域規模發展、特色領域創新引領，為實現制造強省和網絡強省的戰略保駕護航。

與傳統通信技術相比，5G從設計之初便以大帶寬、低時延、大連接為目標，并且進行了網絡架構、天線陣列等眾多技術革新，具備了切片、上下行解耦、超級上行等增強特性，成為目前工業互聯網、車聯網等領域的最佳網絡選擇。5G 不僅僅是支持多應用場景的一種信息傳輸技術，而且與人工智能、大數據、云計算等新一代信息通信技術一起構成了賦能工業數字化轉型的數字技術集群。隨著5G 的R16 與R17 標準陸續發布，產業化進程加速，5G 在工業領域的應用潛力將得到極大釋放。

1 背景

閥門是在流體系統中用來控制流體的方向、壓力、流量的裝置，是使配管和設備內的介質（液體、氣體、粉末）流動或停止并能控制其流量的裝置。隨著閥門制造技術的不斷發展，以及閥門應用領域的不斷拓寬，與之對應的閥門質量標準也越來越高，閥門制造行業進入了一個快速創新的時期，不僅產品類別需要更新換代，企業內部管理也需要跟上智能化、數字化的步伐，加速實現變革。

當前閥門制造企業仍以勞動密集型企業為主，閥門制造過程的關鍵工序如焊接和試壓操作依賴于員工的經驗和手動操作，因此居高不下的人工成本、無法避免的經驗波動是提升產品質量的瓶頸，推動閥門制造行業數字化轉型勢在必行。

探索將5G 應用于閥門制造過程，實現設備狀態、參數設置、產品質量的數據采集與互通，開發高效、透明、規范的智能焊接系統與智能試壓系統，提升關鍵工序的標準化程度，達到降本增效的目標。

2 項目方案

應用5G 通信技術打破閥門制造各產線、各環節的數據孤島。對人工經驗依賴性最強的焊接和試壓兩個關鍵工序進行數字化改造。本項目在江蘇省鹽城市的某大型閥門制造企業進行試點應用。

首先，為工廠規劃建設5G 室分，實現廠房內5G 網絡全覆蓋。為焊接臺、試壓臺進行改造，通過5G 網關進行設備關鍵參數和生產數據的實時回傳。開發5G+焊接試壓監測平臺，實現作業過程的焊接質量管控、試壓參數的統一下發和產品的試壓檢測結果統計，規避人工操作可能導致的焊接質量差、質檢不嚴格導致次品流出的問題。應用開發過程如圖1 所示。

2.1 可行性分析

（1）數據采集可行性

閥門制造企業用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）進行生產控制，其數字化程度取決于廠家的技術能力。經過調查研究，江蘇某閥門制造企業采用的PLC 提供了COM（Cluster Communication Port，串行通訊接口）接口，具備5G數據采集條件。另外，智能電表能夠采集供電電壓、電流等數據信息。PLC、智能電表提供的數據均為數字化數據，數據采集可行。

（2）5G 傳輸可行性

第一種方案是傳統數據采集方案，采用線纜直連，雖然可以提供較高的傳輸質量，但大量的線纜鋪設對制造車間內的空間、設備與物料移動性、墻面與地面的承重能力、生產安全等帶來了較大負面影響。第二種方案是通過5G 網絡進行連接，通過廠區5G 室分和部署在廠區機房內的邊緣計算，打通數據傳輸專用通道，實現數據實時回傳。并且得益于邊緣計算的優勢，保證數據不出廠區，規避企業生產信息泄露的風險。

經過比對分析，確認采用第二種數據傳輸方案，即使用5G 網絡技術作為數據傳輸方案。

（3）數據處理可行性

根據企業現有的ERP（Enterprise Resource Plan，企業資源計劃）平臺，對接相關的API 接口，即可搭建C/S 架構的智能監控Web 平臺，在數據處理的可行性方面不存在相關阻礙，方案可行。

2.2 方案設計

（1）5G 網絡部署方案

工廠廠房較為空曠，部署RRU+饋線+板狀天線的模式部署室分，實現廠房內5G 無線覆蓋。在廠區機房部署邊緣計算UPF，并安裝防火墻進行鏈路防護，5G網絡架構如圖2所示。

圖2 5G 專網架構圖

（2）數據采集方案

閥門試壓臺由繼電器控制，通過機械指針查看實時壓力，無法進行數據采集。在不改變設備原有可靠性的基礎上，增加帶有RS485 通訊模塊的壓力變送器，并通過網絡模塊將RS485有線轉換為無線通訊，實現閥門試壓臺數據采集，試壓臺設備如圖3 所示。焊接設備運行時由PLC 控制，通過串口服務器直連PLC 采集PLC 加工參數，再通過網絡模塊實現數據采集；焊接設備的電流電壓由傳統機械式指針表顯示，需要加裝支持RS485 通訊電子式電度表，與PLC 使用同一模塊實現數據采集，焊接設備如圖4 所示。

圖3 閥門試壓臺

圖4 閥門焊接臺

采用聯網模塊+智能網關盒子方案。使用5G 智能網關盒子連接設備聯網模塊，智能網關通過5G 直接將數據發送至應用服務器。

（3）數據處理方案

標準化制造企業生產過程執行系統包括資源管理、生產計劃、作業管理、質量管理等，可覆蓋制造類企業生產的全部業務，但是因閥門試壓、閥門焊接屬于閥門試驗的關鍵工序，與標準MES 產品對比存在匹配度不高的情況，并且標準化MES 系統無法實現作業過程中與設備聯動，自動判斷作業是否合格。因此根據閥門焊接過程需關注的參數，進行系統功能定制化開發，開發涉及關鍵工序與參數如圖5 所示。

圖5 試壓和焊接工序關鍵參數

3 實施與結果

（1）系統實施

在閥門制造企業進行5G 專網建設、設備5G 改造、軟件部署、聯網調測、現場培訓，改造后的焊接設備如圖6 所示。

圖6 焊接設備改造加智能電表

（2）效果評估

通過本次項目建設，閥門生產車間實現可視化、透明化、標準化管理，解決了傳統車間生產中對人力的高度依賴。車間管理層可以實時查看生產情況、設備運行情況，提升生產效率和管理水平。

方案試點試壓員每件產品試壓時間平均在15-20 分鐘，通過本次系統實施，試壓臺參數集中下發、質檢參數實時上傳，每件產品試壓時間平均下降至8-12 分鐘，單件試壓效率提升60%以上。

此外5G 將生產全流程參數打通，實現作業過程100%監測焊接、試壓作業100%記錄，可供隨時查看、調用。

5G+焊接試壓監測系統可降低因工人錯誤操作引起的虛焊和誤檢、漏檢、錯檢問題，提升產品合格率和焊接、質檢效率。監測系統輸出結果如表1 所示。

表1 試壓系統輸出結果示例

4 結束語

基于閥門制造業的生產特點，針對焊接、試壓等關鍵工序過于依賴人工經驗的痛點，發揮5G 網絡低時延的優勢，打造基于企業5G 專網的焊接試壓監測平臺。5G 網絡打破了生產設備的數據孤島問題，并結合數字化手段實現生產過程的規范化管理，幫助閥門制造企業節約人工、提高效率、優化管理，成為5G+工業互聯網的有效探索與嘗試。