5G+工业PON在智慧工厂中的融合应用

李贤毅

（湖北邮电规划设计有限公司，湖北 武汉 430022）

0 引 言

随着我国智能制造2025的提出，加快了传统制造业向高端制造业转型升级，奠定了我国经济高质量发展的基础。同时，5G、工业PON以及人工智能等新一代信息技术的发展，以及与高端制造业的进一步融合，催生了智慧工厂的建设需求，加快5G、工业PON、大数据以及物联网在智慧工厂中的应用，可提升智慧工厂网络化、数字化以及智能化水平。

5G大容量、低时延以及超宽带的特点，将与智慧工厂解决方案核心要素契合，必将带动工业互联网的加速落地。5G+工业PON在垂直行业应用能力的提升，将使其走进越来越多的企业，同时机器视觉、无人车辆以及远程控制等尖端5G应用将助力传统制造业新一轮的转型升级。

1 智慧工厂解决方案核心要素

智能制造的核心发展趋势是大容量、低时延、超宽带、灵活、高可靠及信息安全，以支持工业场景的发展需求。智慧工厂解决方案核心要素为超级透明、超级柔性以及超级智慧。超级透明指人与人、人与设备、人与系统以及系统与系统等之间所有信息是透明的，可以随时交互通信。超级柔性包括组织柔性、物流柔性以及生产柔性。组织柔性包括定制协同、制造协同、销售与生产协同、生产计划协同、采购计划协同以及生产执行协同，物流柔性包括智慧物料供应与送达及物流全业务扫码驱动，生产柔性包括柔性产线与物料关系、柔性工艺路线、作业与技术文档以及出错与返工等。超级智慧包括智慧排程、智慧现场以及智慧物流。其中，智慧排程包括排程计算模型、订单排程、有限产能排程、柔性产线定义、网络工艺计划以及需求优先级等，智慧物流包括智慧物料供应、智慧立体仓库系统、智慧亮灯拣货系统以及物料的混用替代与组合替代，智慧现场包括智慧电子看板、现场智慧防错、技术档案管理、全程的质量与追溯管理以及生产现场异常处理[1]。

2 5G技术在智慧工厂中的应用

智慧工厂5G应用可分为IT域、OT域以及CT域。IT域系统设备包括OA系统、ERP系统、MES系统、CRM系统、WMS系统、预测性维护系统以及远程控制系统等。OT域系统设备包括现场总线和工业以太网等通信方式。CT域系统设备包括5G核心网、边缘计算MEC、基站以及工业CPE等[1]。CT域连接IT域和OT域，为工厂提供网络承载和业务质量保障。

智慧工厂网络由工厂内网和工厂外网组成。工厂内网中，通过5G基站和室内分布基站对工厂园区和车间内部进行无线信号覆盖，覆盖方案见图1。工业机器数据可通过5G数据采集模块采集后上传到后端设备，通过园区和工厂网络上传到服务器进行处理。不具备5G通信数据采集能力的工业终端，可以通过工业数据前置设备和工业融合网关接入5G网络，然后完成数据上传和处理[2,3]。工厂内可移动性终端设备，如AGV、叉车以及天车等可优先考虑采用5G网络进行接入，其他固定不动设备可以在后期进行5G接入改造，以便适应5G网络应用要求。

图1 智慧工厂5G网络覆盖架构

5G技术在智能制造业中的重要应用可体现在智慧工厂的建设上。5G网络可无缝连接工厂内的各种生产设备，可打通工业设计、采购、仓储以及物流等各种环节，满足工业设备互联互通和远程交互的应用需求[4-6]。5G的3大应用场景对应的智慧工厂应用如下。eMBB应用场景下，应用业务包括可预测性维护、动态产能监控、智慧巡检、设备点检管理以及能耗管理。uRLLC应用场景下，应用业务有VI+AI分析、边缘计算以及智能云测试等。mMTC应用场景下，应用业务有云化机器人、人机协同、AR远程控制、移动IGV以及云化PLC。

3 工业PON在智慧工厂中的应用

工业PON属于车间级网络应用。工业级接入网关光网络单元（Optical Network Unit，ONU）可实现全光网络到工厂内各设备层的连接，光分配网络可实现各车间内工业设备数据、生产数据以及监控数据到汇聚网关光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）的集中，最终通过汇聚网关（OLT）与企业IT网络的互联，实现企业OT和IT的融合组网[7,8]。

建设中小型智慧工厂可配置2台互为备份的OLT设备放置于控制室，ONU放置于各操作工位或车床附近，建设大型智慧工厂则可根据需要配置多对互为备份的OLT设备，采用手拉手的组网方式，实现备份和保护[9]。

新建厂房、生产车间或新增生产线可同步部署工业PON设备。利用工业PON技术可搭建车间内的数据采集网络，向上通过OLT设备连接核心交换机，向下通过工业级ONU直接连接生产机器设备或数据采集设备。点到多点结构的工业PON网络，可以工厂提供多种业务并集成无线覆盖。车间生产线中，有些设备已有近端工业机床信息化操作，但尚未将相关数据及控制指令远程化，则需要通过PON网络将数据采集到远端进行监控。工业PON网络连接新的业务设备，实现对多种应用进行网络安全隔离（物理及逻辑双重）。此外，工业PON可适用于工厂级网络的承载，可参考现有政企接入网的建设模式，通过PON设备进行工厂内办公网络和生产网络的接入网建设。工业PON网络最常用的组网方式是链型组网和星型组网，可实现全光路保护，为智慧工厂的通信可靠性提供了保障。

4 5G+工业PON在智慧工厂中的融合应用

工业PON可实现对工业设备（如数控机床）的有线网络覆盖，同时也可通过对无线网络承载实现车间有线无线一体化网络覆盖。工业PON主要适合带宽、可靠性以及实时性要求高且位置相对固定的设备接入。工业PON不仅是智慧车间智能化的有线承载方式，同时也提供车间5G网络承载和无线设备POE供电等。

5G网络应用场景广泛，在智慧工厂应用范围上将比工业PON更加丰富，可应用于车间、工厂以及园区等。根据5G的特点，适合广覆盖、移动性强、有危险性以及有线无法通达等工业应用场景，如化工园区、钢铁、矿山、交通、能源以及电力等行业。智能工厂建设过程中，5G可以逐步替代工业以太网，提高性价比。

企业内的5G网络可以宏站、室分以及一体化小基站等多种组合方式进行部署。工业PON承载5G组网架构如图2所示。对于运营商外网，可考虑将小基站的数据经由PON回传后分流至5GC。对于宏站，可以考虑采用工业PON作为回传，BBU如果放在运营商机房，则无需通过工业PON回传[10]。对于企业内网，根据业务的不同，可部署MEC，将部分WiFi、5G小基站以及宏站的流量分流到工厂内部。

图2 工业PON承载5G组网架构

5 结 论

随着5G、工业PON以及大数据等新一代信息技术的发展，智能制造将朝网络化、数字化以及智能化方向发展，工业PON也需要向全光网络解决方案演进。随着5G网络建设步伐的加快，5G在智慧工厂创新应用方面取得突破，并将逐步得到广泛应用。工业PON可以组建安全可靠的工厂内网络，有效解决工厂和数字车间的数据通信交流，为企业上云提供基础网络和数据服务，并针对新型智慧工厂转型升级需求，提供边缘计算、低时延业务承载、开放的工业App平台以及智能化的运维管控能力。5G和工业PON在智慧工厂建设中相互协同，互为补充，并结合各自特点开展业务。随着5G技术与物联网、大数据、云计算、数字孪生以及人工智能的深度融合，将助推智慧工厂等工业互联网领域向更加智能、高效、便捷以及低成本方向发展。