5G,通信技术在阀门制造行业的数字化应用探索
孔令舟
中国移动通信集团江苏有限公司盐城分公司
国务院于2015 年5 月公布强化高端制造业的国家十年战略规划——《中国制造2025》，从顶层为中国制造业转型升级制定了第一个十年的行动纲领，以创新驱动、智能转型为基本方针，以网络化、数字化、智能化为主线，力争用10 年时间，迈入制造强国行列。工业和信息化部在《“十四五”信息通信行业发展规划》中将工业互联网和“5G+工业互联网”列入重要的融合基础设施。2021 年以来江苏省连续发布《江苏省制造业智能化改造与数字化转型三年行动计划（2022-2024年）》和《江苏省5G 应用“领航”行动计划（2022-2024 年）》，通过一系列措施加快促进5G 在重点领域规模发展、特色领域创新引领，为实现制造强省和网络强省的战略保驾护航。
与传统通信技术相比，5G从设计之初便以大带宽、低时延、大连接为目标，并且进行了网络架构、天线阵列等众多技术革新，具备了切片、上下行解耦、超级上行等增强特性，成为目前工业互联网、车联网等领域的最佳网络选择。5G 不仅仅是支持多应用场景的一种信息传输技术，而且与人工智能、大数据、云计算等新一代信息通信技术一起构成了赋能工业数字化转型的数字技术集群。随着5G 的R16 与R17 标准陆续发布，产业化进程加速，5G 在工业领域的应用潜力将得到极大释放。
阀门是在流体系统中用来控制流体的方向、压力、流量的装置，是使配管和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止并能控制其流量的装置。随着阀门制造技术的不断发展，以及阀门应用领域的不断拓宽，与之对应的阀门质量标准也越来越高，阀门制造行业进入了一个快速创新的时期，不仅产品类别需要更新换代，企业内部管理也需要跟上智能化、数字化的步伐，加速实现变革。
当前阀门制造企业仍以劳动密集型企业为主，阀门制造过程的关键工序如焊接和试压操作依赖于员工的经验和手动操作，因此居高不下的人工成本、无法避免的经验波动是提升产品质量的瓶颈，推动阀门制造行业数字化转型势在必行。
探索将5G 应用于阀门制造过程，实现设备状态、参数设置、产品质量的数据采集与互通，开发高效、透明、规范的智能焊接系统与智能试压系统，提升关键工序的标准化程度，达到降本增效的目标。
应用5G 通信技术打破阀门制造各产线、各环节的数据孤岛。对人工经验依赖性最强的焊接和试压两个关键工序进行数字化改造。本项目在江苏省盐城市的某大型阀门制造企业进行试点应用。
首先，为工厂规划建设5G 室分，实现厂房内5G 网络全覆盖。为焊接台、试压台进行改造，通过5G 网关进行设备关键参数和生产数据的实时回传。开发5G+焊接试压监测平台，实现作业过程的焊接质量管控、试压参数的统一下发和产品的试压检测结果统计，规避人工操作可能导致的焊接质量差、质检不严格导致次品流出的问题。应用开发过程如图1 所示。
2.1 可行性分析
（1）数据采集可行性
阀门制造企业用PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）进行生产控制，其数字化程度取决于厂家的技术能力。经过调查研究，江苏某阀门制造企业采用的PLC 提供了COM（Cluster Communication Port，串行通讯接口）接口，具备5G数据采集条件。另外，智能电表能够采集供电电压、电流等数据信息。PLC、智能电表提供的数据均为数字化数据，数据采集可行。
（2）5G 传输可行性
第一种方案是传统数据采集方案，采用线缆直连，虽然可以提供较高的传输质量，但大量的线缆铺设对制造车间内的空间、设备与物料移动性、墙面与地面的承重能力、生产安全等带来了较大负面影响。第二种方案是通过5G 网络进行连接，通过厂区5G 室分和部署在厂区机房内的边缘计算，打通数据传输专用通道，实现数据实时回传。并且得益于边缘计算的优势，保证数据不出厂区，规避企业生产信息泄露的风险。
经过比对分析，确认采用第二种数据传输方案，即使用5G 网络技术作为数据传输方案。
（3）数据处理可行性
根据企业现有的ERP（Enterprise Resource Plan，企业资源计划）平台，对接相关的API 接口，即可搭建C/S 架构的智能监控Web 平台，在数据处理的可行性方面不存在相关阻碍，方案可行。
2.2 方案设计
（1）5G 网络部署方案
工厂厂房较为空旷，部署RRU+馈线+板状天线的模式部署室分，实现厂房内5G 无线覆盖。在厂区机房部署边缘计算UPF，并安装防火墙进行链路防护，5G网络架构如图2所示。
图2 5G 专网架构图
（2）数据采集方案
阀门试压台由继电器控制，通过机械指针查看实时压力，无法进行数据采集。在不改变设备原有可靠性的基础上，增加带有RS485 通讯模块的压力变送器，并通过网络模块将RS485有线转换为无线通讯，实现阀门试压台数据采集，试压台设备如图3 所示。焊接设备运行时由PLC 控制，通过串口服务器直连PLC 采集PLC 加工参数，再通过网络模块实现数据采集；
焊接设备的电流电压由传统机械式指针表显示，需要加装支持RS485 通讯电子式电度表，与PLC 使用同一模块实现数据采集，焊接设备如图4 所示。
图3 阀门试压台
图4 阀门焊接台
采用联网模块+智能网关盒子方案。使用5G 智能网关盒子连接设备联网模块，智能网关通过5G 直接将数据发送至应用服务器。
（3）数据处理方案
标准化制造企业生产过程执行系统包括资源管理、生产计划、作业管理、质量管理等，可覆盖制造类企业生产的全部业务，但是因阀门试压、阀门焊接属于阀门试验的关键工序，与标准MES 产品对比存在匹配度不高的情况，并且标准化MES 系统无法实现作业过程中与设备联动，自动判断作业是否合格。因此根据阀门焊接过程需关注的参数，进行系统功能定制化开发，开发涉及关键工序与参数如图5 所示。
图5 试压和焊接工序关键参数
（1）系统实施
在阀门制造企业进行5G 专网建设、设备5G 改造、软件部署、联网调测、现场培训，改造后的焊接设备如图6 所示。
图6 焊接设备改造加智能电表
（2）效果评估
通过本次项目建设，阀门生产车间实现可视化、透明化、标准化管理，解决了传统车间生产中对人力的高度依赖。车间管理层可以实时查看生产情况、设备运行情况，提升生产效率和管理水平。
方案试点试压员每件产品试压时间平均在15-20 分钟，通过本次系统实施，试压台参数集中下发、质检参数实时上传，每件产品试压时间平均下降至8-12 分钟，单件试压效率提升60%以上。
此外5G 将生产全流程参数打通，实现作业过程100%监测焊接、试压作业100%记录，可供随时查看、调用。
5G+焊接试压监测系统可降低因工人错误操作引起的虚焊和误检、漏检、错检问题，提升产品合格率和焊接、质检效率。监测系统输出结果如表1 所示。
表1 试压系统输出结果示例
基于阀门制造业的生产特点，针对焊接、试压等关键工序过于依赖人工经验的痛点，发挥5G 网络低时延的优势，打造基于企业5G 专网的焊接试压监测平台。5G 网络打破了生产设备的数据孤岛问题，并结合数字化手段实现生产过程的规范化管理，帮助阀门制造企业节约人工、提高效率、优化管理，成为5G+工业互联网的有效探索与尝试。
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