热文回顾 | 5G CPE在烟草物流核心设备中的应用研究

文｜湖北中烟工业有限责任公司余宝意 胡业伟 石德伦

摘 要：本文旨在利用新一代信息技术在烟草物流关键环节探索研究智能化应用，以现代物流自动化立体仓库中的巷道堆垛机设备为例，构建了一套基于5G CPE （Customer Premise Equipment）技术的通讯数据链路，解决了堆垛机控制系统数据传输的稳定性、实时性等问题。应用测试结果表明，系统数据传输时延由30ms左右降到了10ms以内、站台定位精度由±9mm降到了±3mm范围。

关键词：堆垛机、5G、CPE、数据链路

物流设备是现代物流系统优质高效运行的硬件资源基础，是实现物流安全运作的基本手段及有机组成。烟草企业物流的迅速发展和日益激烈的市场竞争，对自动化立体仓库技术提出了更高的要求。巷道堆垛机作为一种常见的自动化立体仓库系统的核心单机设备，其稳定性直接决定了自动化立体仓库的运行效率。传统的堆垛机数据链路一般是采用漏波电缆、红外通讯、Wi-Fi等通讯方式，漏波电缆对材质和布线要求极高，且运行维护极为不便；红外通讯对准安装过程复杂，且数据传输的距离和可靠性较差，在恶劣的使用环境下容易出现数据传输终端等情况；Wi-Fi在工业现场易受同频干扰，且在纵深过长的密集货架巷道中信号易被阻挡，无法保证稳定可靠的数据连接。5G技术具有大带宽、低时延、高并发的特点，结合物流业务对通讯要求的特征，积极探索5G技术在物流核心单机设备中的应用场景，对物流高质量发展具有十分重要的意义[1]-[3]。

一、应用场景现状

武汉卷烟厂物流车间共配置有23台巷道堆垛机，分散部署在6个自动化立体仓库中，由DEMATIC公司生产制造，堆垛机控制系统主要分为地面控制站和机载控制柜两个部分，地面控制站与机载控制柜之间采用PROFIBUS方式进行通讯，之间通过红外光通讯建立数据连接。地面控制站工控机底层采用一套WINAC控制系统，并部署SCS存储控制系统，通过红外光通讯传输指令控制位于堆垛机上的ET200S和S120驱动系统。WINAC控制系统与WCS仓储调度系统通过工业以太网建立数据连接。以成品自动化立体化仓库堆垛机控制系统为例，其控制系统网络架构如图1所示。

货架巷道纵深长度约100m，红外光通讯在位置产生偏差后对准安装工作极为不便，且在巷道照度低、粉尘多等恶劣环境条件下，稳定的通讯数据连接往往得不到保证，不仅影响了整个物流系统的运行效率，而且导致了设备维护资源的极大投入。因此，采取5G CPE WIN的终端组网形态来解决当前数据链路存在的诸多问题显得尤为迫切。

二、基于5G CPE的数据链路改进设计

1. 硬件设备改进设计

如图2所示为当前的巷道堆垛机控制系统数据链路结构图。其中，地面控制站通过红外光通讯连接SRM1和SRM2两台巷道堆垛机。红外光通讯为透明器件，没有PROFIBUS地址，无需进行硬件组态。DPDP耦合器连接地面WINAC系统，在本地PROFIBUS地址为5，WINAC通过工业以太网连接WCS。

本次改进设计的目标为建立红外光通讯的备份通讯链路，以本地5G专网覆盖地面控制站与SRM1、SRM2的连接，同时降低通讯时延。采用的改进设计数据链路如图3所示。

本次改进设计保留原系统的WINAC控制单元，并在原WINAC控制单元上增加CP1616，用以通过5G CPE连接5G网络，并在SRM1和SRM2堆垛机上增加带有CP5613和CP616的WINAC控制单元，新增WINAC系统完全复制和保留地面控制站WINAC系统控制程序和控制算法。CP5613通过切换器接入堆垛机上PROFIBUS总线，CP1616通过5G CPE连接5G网络。采用PNPN耦合器连接地面WINAC控制单元和新增的SRM1、SRM2的WINAC控制单元，PNPN耦合器具有两个IP地址，对于地面WINAC控制单元而言，通过其中一个IP接入的PNPN耦合器是一个IO站；对于新增的WINAC控制单元而言，通过另一个IP接入的PNPN耦合器也是一个IO站；两个控制单元的信息在PNPN耦合器上自动交换。

在地面WINAC控制单元中，不需要再建立S7连接，仅需要将WCS信息、ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器信息传输到PNPN耦合器；同样对于新增的WINAC控制单元而言，也只需要将连接的PNPN耦合器对应的IO地址改为ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器的IO地址，即可完全采用原地面WINAC控制单元的控制程序。

2. 5G MEC部署设计

设计部署一个5G MEC，5G技术中的低时延应用主要依托于前端部署的MEC基站和部署于移动节点上的5G网关，实现“5G无线节点+5G边缘计算”组网模式[4]。5G网络将自动化立体仓库现场的堆垛机控制器与地面调度系统等连接起来，使移动的堆垛机与地面控制站之间可以进行低时延通讯，实现更多功能和更复杂业务；同时保证数据不出厂区，且具备了向厂级私有云平台的扩展能力，网络结构如图4所示。

其中，现场设备底层数据采集传感器、编码器等信号可直接进入ET200S从站，堆垛机和地面控制站的数据交互不再需要离开库区，仅在边缘计算中心内部进行转发。同时，5G MEC具备了向其他厂级MES转发数据和对数据进行初步处理分析的功能。

3. 5G数据链路设计

为了进一步降低时延，5G边缘计算配置 CDN（Content Delivery Network，内容分发网络）功能，相较于传统 CDN，MEC 更靠近无线接入网[5]。由于物理距离和通信层级的减少，自然移动边缘计算相较于传统CDN 时延进一步降低，并且 MEC 还包括了本地化的计算能力和能力开放能力，因此具备了低时延和智能化特点[6]。

5G边缘计算通过将库区内的数据转发下沉到部署于库区的5G 边缘数据中心，边缘数据中心是数据的第一入口，负责实时性业务决策和大量生产设备数据的短周期存储，从而大大降低了通讯时延，也保证了数据不出厂，提高了数据的安全。在5G节点大量增加的将来，由于生产数据和设备数据已经在现场的5G 边缘数据中心进行转发，边缘计算与5G结合使用可以在遇到突发且持续的流量激增情况下解决带宽、速度和安全问题，外部增加的节点带来的通讯压力不会对库区内通讯造成影响，具有更高的效率，也能节约计算成本[7]。

为了减低项目风险，保留原WCS和地面控制站对堆垛机系统的原有数据通讯链路，库区5G可用于传输堆垛机移动端的大量生产数据和设备数据，如实时生产视频数据和实时设备状态数据，同时也作为WCS和地面控制站通讯的备份链路。如图5所示。

基于5G CPE数据链路，对网络数据传输时延进行追踪测试，得到的时延情况与红外光通讯方式对比如图6所示，由图6可以看出，红外光通讯方式平均时延在30ms左右，而5G CPE数据链路时延在5ms～10ms，数据传输实时性得到了显著提高。根据堆垛机0.3m/s的平均制动速度，在5G CPE数据链路中以10ms的延时计算，控制指令因通讯延时产生的停位误差，而在红外通讯链路中以30ms的延时计算停位误差为9mm，故堆垛机停靠站台定位精度由9mm下降到了3mm，控制精度得到了较大提升。

三、结束语

本文建立了一套基于5G CPE WIN技术的终端组网形态，并于2021年9月率先在行业内成功应用于物流核心单机设备中，且取得了提升设备运行稳定性的效果，同时为将来扩展其他智能化应用奠定了网络链路基础，从而极大地推动了传统物流领域中的核心单机设备应用升级，该应用场景具有较强的推广价值，随着5G技术的快速发展，将与新型物流装备技术相结合，并积极应用到智能制造以及更加广泛的领域。

参考文献：

[1] 邢灵冰.5G技术在物流核心设备中的应用[J].物流技术与应用,2021,26(02):107-109.

[2] 陈宇欣.5G助力智能物流发展现状及未来探索[J].中国市场,2021(08):149-150,188.

[3] 刘然,张龙,夏雄伟,杨盛,舒欣宇,汪孝森.“5G+智慧物流装备”应用及趋势分析[J].中国物流与采购,2021(09):48-49.

[4] 徐亚楠,蔡超,侯迎龙,易非.物流仓储场景应用下5G网络切片技术的优化方案[J].邮电设计技术,2021(04):84-87.

[5] 王磊.智能制造场景的5G应用研究[J].中国新通信,2021,23(08):35-36.

[6] 张伟健,曾世强,李继游.基于5G无线通讯技术的应用浅析[J].中国新通信,2020,22(17):31-32.

[7] 葛虎,郑琰.5G网络在物流行业中的应用研究[J].物流工程与管理,2020,42(01):73-74,91.

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