多场景突破,华菱湘钢谱写5G智慧工厂进化论

随着5G时代的车轮滚滚驶来,对于许多传统制造企业而言,如何找到5G与自身业务结合的场景,最终推动商用落地——这个过程往往充满挑战。

谈起5G,大部分人脑海中的第一印象可能是“飞快的网速”,然而5G的意义远不止于此。作为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键基础设施,5G被认为是“新基建”的重中之重。它不仅是万物广泛互联、人机深度交互的基础,在近期助力疫情防控、复工复产等方面也表现出突出作用。

通过“5G+云”,数以千万计的网民在线对火神山、雷神山医院进行了“云监工”;借助“5G+大数据”,我们可以快速的实现全球疫情通报、物资匹配;凭借“5G+工业互联网”,制造企业打破了疫情带来的地理隔离,实现了对产线的远程控制,将自身打造成“黑灯工厂”。在3月6日工业和信息化部召开的加快5G发展专题会上,工信部副部长陈肇雄明确提出要深化5G融合应用,丰富5G技术应用场景。

随着5G时代的车轮滚滚驶来,对于许多传统制造企业而言,如何找到5G与自身业务结合的场景,最终推动商用落地——这个过程往往充满挑战。特别是5G在消费端市场爆发出巨大潜能,并不断向制造端渗透后,传统企业或多或少都有着跟不上节奏,怕被时代所抛弃的担忧。

在这方面,湖南华菱湘潭钢铁集团有限公司(下文简称华菱湘钢)携手湖南移动、华为实现了5G在天车无人驾驶、天车远程控制、机械臂远程控制等诸多场景应用落地,特别是日前三方强强合作打造了国内钢铁行业首个横跨亚欧大陆的“5G+AR”远程装配协作解决方案,为制造企业应用5G技术推进智能化发展、实现数字化转型带来了新的思考与借鉴。

智慧工厂


图1 华菱湘钢全景图(图片来自于网络)

疫情突发,地理隔绝导致精密产线装配难题

华菱湘钢始建于1958年,是国内大型钢铁联合企业和宽厚板、线材、棒材重要生产企业,已形成年产钢1300万吨的综合生产能力。成立至今60余年来,华菱湘钢产品结构经历多次调整,从“江南一枝花”线材产品到拥有线、棒、板三大类400多个品种,在造船、桥梁、工程机械、海工、高建、压力容器、清洁能源、汽车用钢等领域独具优势,已成为多个钢材细分领域的“隐形冠军”。

近年来,华菱湘钢认真贯彻落实“中国制造2025”战略部署和湖南省制造强省五年规划,紧跟钢铁产业智能制造发展方向,瞄准“让设备开口说话、让机器自主运行、让职工尊严工作,让企业高效发展”目标,围绕“建设具有国际竞争力、受人尊敬的现代化钢铁企业”的企业愿景,推进5G、人工智能、工业互联网等新一代信息技术与生产现场深度融合。特别是在华菱湘钢棒材制造加工方面,相较于宽厚板等产品,线棒材的产能和品质距离行业顶尖水平仍存在一定差距。在华菱湘钢推进“黑灯工厂”、“5G智慧工厂”示范项目过程中,湘钢棒材厂加速技术升级,从德国和奥地利引进精密设备,实现对精品中小棒特钢生产线的提质改造,并计划2020年5月份完成提质改造工作。

然而,一场突如其来的疫情打乱了华菱湘钢的发展节奏。由于国外疫情的持续发酵带来的差旅限制,德国和奥地利技术人员无法赶赴湘潭现场配合设备安装,这无疑给精品中小棒特钢生产线设备的安装调试带来了影响,虽然华菱湘钢技术人员尝试了电话、微信视频等诸多方式,却始终无法实时解决装配调试过程中遇到的技术难题。

在这种情况下,华菱湘钢最终决定借助5G技术高速率、低延时、大带宽的特性,和AR应用相结合,解决装配调试过程中遇到的高速稳定数据传输和装配指导实时体验这两大难题。

5G+AR,助力国外工程师“身临其境”

早在2019年,华菱湘钢就已开始瞄准5G技术,部署5G基站。此次在全力复工复产和加速提质改造的使命要求下,华菱湘钢又与湖南移动、华为强强联手,利用前期已经部署好的5G网络,快速开通一条跨国专线,搭建了湘钢现场工程师和国外技术人员之间的高速率、低时延通信网络,通过AR技术和高清全景摄像头实现远程协作装配。

华菱湘钢


图2 华菱湘钢棒材厂5G+AR跨国远程装配

由于产线装配精密度要求较高,细到需要确定每一颗螺丝的松紧程度,进而确保生产线装配运转精准无误。因此,在远程协助装配的过程中,基于视频及AR的应用都需要实时传输高清画面,并且要求画面清晰、实时、稳定,达到“身临其境”的指导和诊断效果。

对此,华为在本次远程协作装配中首次使用了集成5G工业模组的华为5G球形摄像机,这也是该摄像机在全球范围内的首次试商用。通过5G网络与5G摄像机的协同,以及多项创新技术,有效解决视频传送峰值速率要求高,无线网络上行通道受限的问题,同时保障了视频的画质与流畅度。

利用这套“5G+AR”的远程协作装配解决方案,位于湘潭的工程师将现场环境视频和第一视角画面通过5G网络实时推送给位于德国和奥地利的工程师,国外工程师依托实时标注、冻屏标注、音视频通信、桌面共享等AR技术,远程协助现场工程师实现了产线装配。


如今,湘钢棒材厂精品中小棒特钢生产线正在有条不紊的装配调试中,且已完成了90%以上的设备安装任务,计划于2020年5月底投产使用。值得一提的是,本次在工业建设现场创新使用的5G+AR解决方案,也具有广泛的借鉴作用,这种非接触协作方式不仅可应用于远程协同装配,还可应用于远程协同设计、远程设备维护、远程医疗诊断等多种场景,让更多受到疫情影响的企业快速复工复产。

提前布局,多场景落地打造5G应用最佳实践

对于华菱湘钢而言,5G不仅仅是解决本次远程协作装配调试的应急方案,更是智慧工厂建设的核心引擎。面对“新基建”带来的战略发展机遇,华菱湘钢正着力利用5G、AI、大数据、云计算等ICT技术进行全业务、全流程的数字化升级,打造钢铁行业的智能工业互联网平台。

特别是在5G应用场景落地方面,华菱湘钢早已开始布局,这也是本次基于5G+AR的远程装备调试能够得以快速部署的原因之一。从2019年开始,华菱湘钢就携手湖南移动、华为三方战略合作,在5G工业互联网领域先行试水,实现了天车远程控制、天车无人驾驶和机械臂远程控制等诸多应用场景:

天车远程控制

在推进智能制造、实现精益生产的过程中,“以人为本”一直是华菱湘钢的核心价值观之一。而作为钢铁行业的重要装备,部分天车岗位存在高温、噪声等环境影响,还易因连续作业,引发人为操作失误,有可能导致安全或生产事故。此外,天车岗位分散且难以维护,也对组织管理带来不小的挑战。

为应对上述挑战,华菱湘钢联合湖南移动、华为打造了基于5G的天车远程控制解决方案。整个系统由远程操控系统(含视频监控、控制摇杆等)+5G网络+天车(含5G CPE、PLC、高清摄像头等)三部分组成。通过在天车端进行机电技术升级改造、部署5G CPE等设备,华菱湘钢利用5G网络打通了天车和远程操控系统之间的通信链路,让操作人员在舒适的办公室内就能完成对天车的各项操控,实现从“蓝领”工人到“白领”工人的转变。而天车上配备的多个高清摄像头为操作员提供了全方位视角,保障了远程操控的精准性和实时性。

在整个解决方案中,稳定的性能是天车远程操控系统实施成败的关键,通信网络必须具备大带宽、低时延、高可靠的特性。华菱湘钢在天车端和远程操控端通过5G网络搭建通讯系统,上行速率达到200Mbps,下行速率达到1.2Gbps,通信时延达到20毫秒,完全满足PLC控制指令实时下发、高清视频实时回传和视频实时监控的诉求。远程操控系统满足人机协同下的实时操控和定位操作的需要,同时充分考虑操作人员的视觉舒适性和操作舒适性。天车远程控制的成功应用不仅改善了员工的工作环境,还可以提高天车作业效率。


天车无人驾驶

为了进一步提升天车的工作效率,解放员工的生产力,华菱湘钢在天车远程控制的基础上,结合自身多年的实践经验,总结出天车操控的一般性规律,探索操作相对固定的天车无人驾驶模式。

与远程操控天车不同,天车无人驾驶系统需要不断实时采集天车水平方向、垂直方向的距离信息,同时获取周边物料、坑料、车辆、车斗高度及装卸位置信息和画面,以此构成无人驾驶系统自主决策的基础。因此,华菱湘钢使用了采集器(3D扫描仪、激光测距仪、高清摄像头)+5G网络+PLC控制器的模式,实现天车端数据和周边环境数据的实时采集。通过5G网络将数据传输至服务器端进行处理分析,建立现场三维数据模型,结合AI智能算法输出动作指令集,下发给天车执行,从而实现天车无人化自主生产,如自动上料、自动吊装、自动卸料等。

对于华菱湘钢而言,天车无人驾驶除了将员工彻底从天车操控室中解脱出来外,无人天车还与华菱湘钢MES系统集成起来,天车依据订单需求自主实现钢板调运、按需出库,效率及出库准确率明显提升。无人天车真正实现了“让设备自主运行”的目标,在减人增效方面也带来了新进展,为“5G智慧工厂”建设奠定了扎实的技术基础。

机械臂远程控制

随着连铸技术的迅速发展,加渣环节在钢铁生产过程中越来越受到重视。然而加渣作业是一项相对枯燥而又繁重的工作,且伴有高温及热辐射,对员工及连贯性作业有着一定影响。

对此,华菱湘钢在运用机械臂加渣的基础上,通过5G网络实现加渣机械臂和控制系统的互联互通。通过5G手机,操作人员可随时随地一键启动加渣程序,控制高温转炉旁边的机械臂实现加渣、吹渣动作的自动运行,高温转炉现场不再需要工人,降低工人车间高危作业的风险。此外,减少人为干预后,加渣机械臂能更均匀的喷洒到炼钢转炉,大幅提升钢铁生产质量。


目前,华菱湘钢厂内已部署了76个5G基站,这些新的应用场景彻底改变了钢铁行业过去“傻大黑粗”的刻板印象,在提高生产效率、提升产品质量、改善员工工作环境、防范安全事故等方面发挥了积极作用。值得一提的是,“5G+智慧天车”应用场景的成功实践,被GSMA和信通院联合发布的《中国5G垂直行业应用案例2020》选入,作为深化5G融合应用的典型场景之一。在5G等数字化手段赋能下,2019年湘钢的钢、材产量分别提高了1.92%、3.58%,劳动生产率提高了8.79%,资产负债率降低了3.14%,吨钢综合能耗降低了3.61%,产品质量损失降低了16.07%。

持续创新,谱写5G智能工厂进化论

作为“十三五”规划的收官之年,2020年初的疫情给钢铁行业带来了不小的影响,主要体现在建筑、汽车等下游行业对钢材的需求延迟。然而在华菱湘钢看来,以推进智能制造为主线,提高钢铁行业绿色化、智能化水平,提质增效,推动钢铁行业高质量发展的基调不会改变。

在具体推进5G智能工厂的建设过程中,人员、机器、物料、工艺、环境(人、机、料、法、环)的实时数据采集是企业智能化发展的基础。在构建数据驱动的企业过程中,从数据中分析、挖掘价值,建立广泛的数据连接成为了华菱湘钢转型升级的关键,而5G成为了满足数据互联需求的重要手段。

因此,除了现有基于5G的高清视频采集、AR远程维护和设备远程控制之外,华菱湘钢将继续携手湖南移动和华为搭建一套专有网络、建设三个管理中心、覆盖十大应用场景,实现从设计、生产到销售各个环节的数据互联互通和资源整合优化。在目前已经取得的成果和经验基础上,2020年华菱湘钢将与湖南移动、华为三方一起扩大天车远程控制、天车无人驾驶、高清视频监控的应用范围,加速工厂数字化、智慧化进程,实现无人库房、空车识别、电子围栏、钢材表面质量检测、铁水运输车无人驾驶等重要应用场景。

当这一个个应用场景落地后,还需要由点及面,实现5G智慧工厂的全局智能优化。这时候,仅仅依靠5G技术是不够的,作为使能技术而言,5G还需要与相关的技术实现深度融合,包括云计算、边缘计算、人工智能、物联网、大数据等,通过“5G+云”、“5G+AI”等才能带来裂变式发展。

对此,华菱湘钢将和湖南移动、华为合作利用云端的超强计算能力和人工智能技术对海量数据进行分析和学习,打造云端的工业大脑。工业大脑掌握整个企业的历史运行状况、实时生产状态、设备健康状况、原材料状况、产品状况和人员状况,据此进行生产排程、工艺优化、预测性设备维护和智能决策等,使得各种各样的设备和产品变得更加智能,带来华菱湘钢整体智能化水平的跃迁。

小结

随着国家“新基建”政策以及各种扶持政策的出台,一定会为当前经济增长和制造业发展提供新的动力。同时,本次疫情也会倒逼制造企业转型升级,利用5G、人工智能、工业互联网等新技术进行更深入的数字化转型而获得未来竞争优势。面对“新基建”带来的战略发展机遇,华菱湘钢也将在湖南移动、华为等合作伙伴的支持下,一步一个脚印,在推进智能化转型升级的道路上坚定不移的走下去。

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