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            多場景突破,華菱湘鋼譜寫5G智慧工廠進化論

            隨著5G時代的車輪滾滾駛來,對于許多傳統制造企業而言,如何找到5G與自身業務結合的場景,最終推動商用落地——這個過程往往充滿挑戰。

            談起5G,大部分人腦海中的第一印象可能是“飛快的網速”,然而5G的意義遠不止于此。作為支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵基礎設施,5G被認為是“新基建”的重中之重。它不僅是萬物廣泛互聯、人機深度交互的基礎,在近期助力疫情防控、復工復產等方面也表現出突出作用。

            通過“5G+云”,數以千萬計的網民在線對火神山、雷神山醫院進行了“云監工”;借助“5G+大數據”,我們可以快速的實現全球疫情通報、物資匹配;憑借“5G+工業互聯網”,制造企業打破了疫情帶來的地理隔離,實現了對產線的遠程控制,將自身打造成“黑燈工廠”。在3月6日工業和信息化部召開的加快5G發展專題會上,工信部副部長陳肇雄明確提出要深化5G融合應用,豐富5G技術應用場景。

            隨著5G時代的車輪滾滾駛來,對于許多傳統制造企業而言,如何找到5G與自身業務結合的場景,最終推動商用落地——這個過程往往充滿挑戰。特別是5G在消費端市場爆發出巨大潛能,并不斷向制造端滲透后,傳統企業或多或少都有著跟不上節奏,怕被時代所拋棄的擔憂。

            在這方面,湖南華菱湘潭鋼鐵集團有限公司(下文簡稱華菱湘鋼)攜手湖南移動、華為實現了5G在天車無人駕駛、天車遠程控制、機械臂遠程控制等諸多場景應用落地,特別是日前三方強強合作打造了國內鋼鐵行業首個橫跨亞歐大陸的“5G+AR”遠程裝配協作解決方案,為制造企業應用5G技術推進智能化發展、實現數字化轉型帶來了新的思考與借鑒。

            智慧工廠


            圖1 華菱湘鋼全景圖(圖片來自于網絡)

            疫情突發,地理隔絕導致精密產線裝配難題

            華菱湘鋼始建于1958年,是國內大型鋼鐵聯合企業和寬厚板、線材、棒材重要生產企業,已形成年產鋼1300萬噸的綜合生產能力。成立至今60余年來,華菱湘鋼產品結構經歷多次調整,從“江南一枝花”線材產品到擁有線、棒、板三大類400多個品種,在造船、橋梁、工程機械、海工、高建、壓力容器、清潔能源、汽車用鋼等領域獨具優勢,已成為多個鋼材細分領域的“隱形冠軍”。

            近年來,華菱湘鋼認真貫徹落實“中國制造2025”戰略部署和湖南省制造強省五年規劃,緊跟鋼鐵產業智能制造發展方向,瞄準“讓設備開口說話、讓機器自主運行、讓職工尊嚴工作,讓企業高效發展”目標,圍繞“建設具有國際競爭力、受人尊敬的現代化鋼鐵企業”的企業愿景,推進5G、人工智能、工業互聯網等新一代信息技術與生產現場深度融合。特別是在華菱湘鋼棒材制造加工方面,相較于寬厚板等產品,線棒材的產能和品質距離行業頂尖水平仍存在一定差距。在華菱湘鋼推進“黑燈工廠”、“5G智慧工廠”示范項目過程中,湘鋼棒材廠加速技術升級,從德國和奧地利引進精密設備,實現對精品中小棒特鋼生產線的提質改造,并計劃2020年5月份完成提質改造工作。

            然而,一場突如其來的疫情打亂了華菱湘鋼的發展節奏。由于國外疫情的持續發酵帶來的差旅限制,德國和奧地利技術人員無法趕赴湘潭現場配合設備安裝,這無疑給精品中小棒特鋼生產線設備的安裝調試帶來了影響,雖然華菱湘鋼技術人員嘗試了電話、微信視頻等諸多方式,卻始終無法實時解決裝配調試過程中遇到的技術難題。

            在這種情況下,華菱湘鋼最終決定借助5G技術高速率、低延時、大帶寬的特性,和AR應用相結合,解決裝配調試過程中遇到的高速穩定數據傳輸和裝配指導實時體驗這兩大難題。

            5G+AR,助力國外工程師“身臨其境”

            早在2019年,華菱湘鋼就已開始瞄準5G技術,部署5G基站。此次在全力復工復產和加速提質改造的使命要求下,華菱湘鋼又與湖南移動、華為強強聯手,利用前期已經部署好的5G網絡,快速開通一條跨國專線,搭建了湘鋼現場工程師和國外技術人員之間的高速率、低時延通信網絡,通過AR技術和高清全景攝像頭實現遠程協作裝配。

            華菱湘鋼


            圖2 華菱湘鋼棒材廠5G+AR跨國遠程裝配

            由于產線裝配精密度要求較高,細到需要確定每一顆螺絲的松緊程度,進而確保生產線裝配運轉精準無誤。因此,在遠程協助裝配的過程中,基于視頻及AR的應用都需要實時傳輸高清畫面,并且要求畫面清晰、實時、穩定,達到“身臨其境”的指導和診斷效果。

            對此,華為在本次遠程協作裝配中首次使用了集成5G工業模組的華為5G球形攝像機,這也是該攝像機在全球范圍內的首次試商用。通過5G網絡與5G攝像機的協同,以及多項創新技術,有效解決視頻傳送峰值速率要求高,無線網絡上行通道受限的問題,同時保障了視頻的畫質與流暢度。

            利用這套“5G+AR”的遠程協作裝配解決方案,位于湘潭的工程師將現場環境視頻和第一視角畫面通過5G網絡實時推送給位于德國和奧地利的工程師,國外工程師依托實時標注、凍屏標注、音視頻通信、桌面共享等AR技術,遠程協助現場工程師實現了產線裝配。


            如今,湘鋼棒材廠精品中小棒特鋼生產線正在有條不紊的裝配調試中,且已完成了90%以上的設備安裝任務,計劃于2020年5月底投產使用。值得一提的是,本次在工業建設現場創新使用的5G+AR解決方案,也具有廣泛的借鑒作用,這種非接觸協作方式不僅可應用于遠程協同裝配,還可應用于遠程協同設計、遠程設備維護、遠程醫療診斷等多種場景,讓更多受到疫情影響的企業快速復工復產。

            提前布局,多場景落地打造5G應用最佳實踐

            對于華菱湘鋼而言,5G不僅僅是解決本次遠程協作裝配調試的應急方案,更是智慧工廠建設的核心引擎。面對“新基建”帶來的戰略發展機遇,華菱湘鋼正著力利用5G、AI、大數據、云計算等ICT技術進行全業務、全流程的數字化升級,打造鋼鐵行業的智能工業互聯網平臺。

            特別是在5G應用場景落地方面,華菱湘鋼早已開始布局,這也是本次基于5G+AR的遠程裝備調試能夠得以快速部署的原因之一。從2019年開始,華菱湘鋼就攜手湖南移動、華為三方戰略合作,在5G工業互聯網領域先行試水,實現了天車遠程控制、天車無人駕駛和機械臂遠程控制等諸多應用場景:

            天車遠程控制

            在推進智能制造、實現精益生產的過程中,“以人為本”一直是華菱湘鋼的核心價值觀之一。而作為鋼鐵行業的重要裝備,部分天車崗位存在高溫、噪聲等環境影響,還易因連續作業,引發人為操作失誤,有可能導致安全或生產事故。此外,天車崗位分散且難以維護,也對組織管理帶來不小的挑戰。

            為應對上述挑戰,華菱湘鋼聯合湖南移動、華為打造了基于5G的天車遠程控制解決方案。整個系統由遠程操控系統(含視頻監控、控制搖桿等)+5G網絡+天車(含5G CPE、PLC、高清攝像頭等)三部分組成。通過在天車端進行機電技術升級改造、部署5G CPE等設備,華菱湘鋼利用5G網絡打通了天車和遠程操控系統之間的通信鏈路,讓操作人員在舒適的辦公室內就能完成對天車的各項操控,實現從“藍領”工人到“白領”工人的轉變。而天車上配備的多個高清攝像頭為操作員提供了全方位視角,保障了遠程操控的精準性和實時性。

            在整個解決方案中,穩定的性能是天車遠程操控系統實施成敗的關鍵,通信網絡必須具備大帶寬、低時延、高可靠的特性。華菱湘鋼在天車端和遠程操控端通過5G網絡搭建通訊系統,上行速率達到200Mbps,下行速率達到1.2Gbps,通信時延達到20毫秒,完全滿足PLC控制指令實時下發、高清視頻實時回傳和視頻實時監控的訴求。遠程操控系統滿足人機協同下的實時操控和定位操作的需要,同時充分考慮操作人員的視覺舒適性和操作舒適性。天車遠程控制的成功應用不僅改善了員工的工作環境,還可以提高天車作業效率。


            天車無人駕駛

            為了進一步提升天車的工作效率,解放員工的生產力,華菱湘鋼在天車遠程控制的基礎上,結合自身多年的實踐經驗,總結出天車操控的一般性規律,探索操作相對固定的天車無人駕駛模式。

            與遠程操控天車不同,天車無人駕駛系統需要不斷實時采集天車水平方向、垂直方向的距離信息,同時獲取周邊物料、坑料、車輛、車斗高度及裝卸位置信息和畫面,以此構成無人駕駛系統自主決策的基礎。因此,華菱湘鋼使用了采集器(3D掃描儀、激光測距儀、高清攝像頭)+5G網絡+PLC控制器的模式,實現天車端數據和周邊環境數據的實時采集。通過5G網絡將數據傳輸至服務器端進行處理分析,建立現場三維數據模型,結合AI智能算法輸出動作指令集,下發給天車執行,從而實現天車無人化自主生產,如自動上料、自動吊裝、自動卸料等。

            對于華菱湘鋼而言,天車無人駕駛除了將員工徹底從天車操控室中解脫出來外,無人天車還與華菱湘鋼MES系統集成起來,天車依據訂單需求自主實現鋼板調運、按需出庫,效率及出庫準確率明顯提升。無人天車真正實現了“讓設備自主運行”的目標,在減人增效方面也帶來了新進展,為“5G智慧工廠”建設奠定了扎實的技術基礎。

            機械臂遠程控制

            隨著連鑄技術的迅速發展,加渣環節在鋼鐵生產過程中越來越受到重視。然而加渣作業是一項相對枯燥而又繁重的工作,且伴有高溫及熱輻射,對員工及連貫性作業有著一定影響。

            對此,華菱湘鋼在運用機械臂加渣的基礎上,通過5G網絡實現加渣機械臂和控制系統的互聯互通。通過5G手機,操作人員可隨時隨地一鍵啟動加渣程序,控制高溫轉爐旁邊的機械臂實現加渣、吹渣動作的自動運行,高溫轉爐現場不再需要工人,降低工人車間高危作業的風險。此外,減少人為干預后,加渣機械臂能更均勻的噴灑到煉鋼轉爐,大幅提升鋼鐵生產質量。


            目前,華菱湘鋼廠內已部署了76個5G基站,這些新的應用場景徹底改變了鋼鐵行業過去“傻大黑粗”的刻板印象,在提高生產效率、提升產品質量、改善員工工作環境、防范安全事故等方面發揮了積極作用。值得一提的是,“5G+智慧天車”應用場景的成功實踐,被GSMA和信通院聯合發布的《中國5G垂直行業應用案例2020》選入,作為深化5G融合應用的典型場景之一。在5G等數字化手段賦能下,2019年湘鋼的鋼、材產量分別提高了1.92%、3.58%,勞動生產率提高了8.79%,資產負債率降低了3.14%,噸鋼綜合能耗降低了3.61%,產品質量損失降低了16.07%。

            持續創新,譜寫5G智能工廠進化論

            作為“十三五”規劃的收官之年,2020年初的疫情給鋼鐵行業帶來了不小的影響,主要體現在建筑、汽車等下游行業對鋼材的需求延遲。然而在華菱湘鋼看來,以推進智能制造為主線,提高鋼鐵行業綠色化、智能化水平,提質增效,推動鋼鐵行業高質量發展的基調不會改變。

            在具體推進5G智能工廠的建設過程中,人員、機器、物料、工藝、環境(人、機、料、法、環)的實時數據采集是企業智能化發展的基礎。在構建數據驅動的企業過程中,從數據中分析、挖掘價值,建立廣泛的數據連接成為了華菱湘鋼轉型升級的關鍵,而5G成為了滿足數據互聯需求的重要手段。

            因此,除了現有基于5G的高清視頻采集、AR遠程維護和設備遠程控制之外,華菱湘鋼將繼續攜手湖南移動和華為搭建一套專有網絡、建設三個管理中心、覆蓋十大應用場景,實現從設計、生產到銷售各個環節的數據互聯互通和資源整合優化。在目前已經取得的成果和經驗基礎上,2020年華菱湘鋼將與湖南移動、華為三方一起擴大天車遠程控制、天車無人駕駛、高清視頻監控的應用范圍,加速工廠數字化、智慧化進程,實現無人庫房、空車識別、電子圍欄、鋼材表面質量檢測、鐵水運輸車無人駕駛等重要應用場景。

            當這一個個應用場景落地后,還需要由點及面,實現5G智慧工廠的全局智能優化。這時候,僅僅依靠5G技術是不夠的,作為使能技術而言,5G還需要與相關的技術實現深度融合,包括云計算、邊緣計算、人工智能、物聯網、大數據等,通過“5G+云”、“5G+AI”等才能帶來裂變式發展。

            對此,華菱湘鋼將和湖南移動、華為合作利用云端的超強計算能力和人工智能技術對海量數據進行分析和學習,打造云端的工業大腦。工業大腦掌握整個企業的歷史運行狀況、實時生產狀態、設備健康狀況、原材料狀況、產品狀況和人員狀況,據此進行生產排程、工藝優化、預測性設備維護和智能決策等,使得各種各樣的設備和產品變得更加智能,帶來華菱湘鋼整體智能化水平的躍遷。

            小結

            隨著國家“新基建”政策以及各種扶持政策的出臺,一定會為當前經濟增長和制造業發展提供新的動力。同時,本次疫情也會倒逼制造企業轉型升級,利用5G、人工智能、工業互聯網等新技術進行更深入的數字化轉型而獲得未來競爭優勢。面對“新基建”帶來的戰略發展機遇,華菱湘鋼也將在湖南移動、華為等合作伙伴的支持下,一步一個腳印,在推進智能化轉型升級的道路上堅定不移的走下去。

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