文｜湖北中煙工業有限責任公司
餘寶意 胡業偉 石德倫
摘 要：本文旨在利用新一代資訊科技在菸草物流關鍵環節探索研究智慧化應用，以現代物流自動化立體倉庫中的巷道堆垛機裝置為例，構建了一套基於5G CPE （Customer Premise Equipment）技術的通訊資料鏈路，解決了堆垛機控制系統資料傳輸的穩定性、實時性等問題。應用測試結果表明，系統資料傳輸時延由30ms左右降到了10ms以內、站臺定位精度由±9mm降到了±3mm範圍。
關鍵詞：堆垛機、5G、CPE、資料鏈路
物流裝置是現代物流系統優質高效執行的硬體資源基礎，是實現物流安全運作的基本手段及有機組成。菸草企業物流的迅速發展和日益激烈的市場競爭，對自動化立體倉庫技術提出了更高的要求。巷道堆垛機作為一種常見的自動化立體倉庫系統的核心單機裝置，其穩定性直接決定了自動化立體倉庫的執行效率。傳統的堆垛機資料鏈路一般是採用漏波電纜、紅外通訊、Wi-Fi等通訊方式，漏波電纜對材質和佈線要求極高，且執行維護極為不便；紅外通訊對準安裝過程複雜，且資料傳輸的距離和可靠性較差，在惡劣的使用環境下容易出現數據傳輸終端等情況；Wi-Fi在工業現場易受同頻干擾，且在縱深過長的密集貨架巷道中訊號易被阻擋，無法保證穩定可靠的資料連線。5G技術具有大頻寬、低時延、高併發的特點，結合物流業務對通訊要求的特徵，積極探索5G技術在物流核心單機裝置中的應用場景，對物流高質量發展具有十分重要的意義[1]-[3]。
一、應用場景現狀
武漢捲菸廠物流車間共配置有23臺巷道堆垛機，分散部署在6個自動化立體倉庫中，由DEMATIC公司生產製造，堆垛機控制系統主要分為地面控制站和機載控制櫃兩個部分，地面控制站與機載控制櫃之間採用PROFIBUS方式進行通訊，之間透過紅外光通訊建立資料連線。地面控制站工控機底層採用一套WINAC控制系統，並部署SCS儲存控制系統，透過紅外光通訊傳輸指令控制位於堆垛機上的ET200S和S120驅動系統。WINAC控制系統與WCS倉儲排程系統透過工業乙太網建立資料連線。以成品自動化立體化倉庫堆垛機控制系統為例，其控制系統網路架構如圖1所示。
貨架巷道縱深長度約100m，紅外光通訊在位置產生偏差後對準安裝工作極為不便，且在巷道照度低、粉塵多等惡劣環境條件下，穩定的通訊資料連線往往得不到保證，不僅影響了整個物流系統的執行效率，而且導致了裝置維護資源的極大投入。因此，採取5G CPE WIN的終端組網形態來解決當前資料鏈路存在的諸多問題顯得尤為迫切。
二、基於5G CPE的資料鏈路改進設計
1. 硬體裝置改進設計
如圖2所示為當前的巷道堆垛機控制系統資料鏈路結構圖。其中，地面控制站透過紅外光通訊連線SRM1和SRM2兩臺巷道堆垛機。紅外光通訊為透明器件，沒有PROFIBUS地址，無需進行硬體組態。DPDP耦合器連線地面WINAC系統，在本地PROFIBUS地址為5，WINAC透過工業乙太網連線WCS。
本次改進設計的目標為建立紅外光通訊的備份通訊鏈路，以本地5G專網覆蓋地面控制站與SRM1、SRM2的連線，同時降低通訊時延。採用的改進設計資料鏈路如圖3所示。
本次改進設計保留原系統的WINAC控制單元，並在原WINAC控制單元上增加CP1616，用以透過5G CPE連線5G網路，並在SRM1和SRM2堆垛機上增加帶有CP5613和CP616的WINAC控制單元，新增WINAC系統完全複製和保留地面控制站WINAC系統控制程式和控制演算法。CP5613透過切換器接入堆垛機上PROFIBUS匯流排，CP1616透過5G CPE連線5G網路。採用PNPN耦合器連線地面WINAC控制單元和新增的SRM1、SRM2的WINAC控制單元，PNPN耦合器具有兩個IP地址，對於地面WINAC控制單元而言，透過其中一個IP接入的PNPN耦合器是一個IO站；對於新增的WINAC控制單元而言，透過另一個IP接入的PNPN耦合器也是一個IO站；兩個控制單元的資訊在PNPN耦合器上自動交換。
在地面WINAC控制單元中，不需要再建立S7連線，僅需要將WCS資訊、ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器資訊傳輸到PNPN耦合器；同樣對於新增的WINAC控制單元而言，也只需要將連線的PNPN耦合器對應的IO地址改為ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器的IO地址，即可完全採用原地面WINAC控制單元的控制程式。
2. 5G MEC部署設計
設計部署一個5G MEC，5G技術中的低時延應用主要依託於前端部署的MEC基站和部署於移動節點上的5G閘道器，實現“5G無線節點+5G邊緣計算”組網模式[4]。5G網路將自動化立體倉庫現場的堆垛機控制器與地面排程系統等連線起來，使移動的堆垛機與地面控制站之間可以進行低時延通訊，實現更多功能和更復雜業務；同時保證資料不出廠區，且具備了向廠級私有云平臺的擴充套件能力，網路結構如圖4所示。
其中，現場裝置底層資料採集感測器、編碼器等訊號可直接進入ET200S從站，堆垛機和地面控制站的資料互動不再需要離開庫區，僅在邊緣計算中心內部進行轉發。同時，5G MEC具備了向其他廠級MES轉發資料和對資料進行初步處理分析的功能。
3. 5G資料鏈路設計
為了進一步降低時延，5G邊緣計算配置 CDN（Content Delivery Network，內容分發網路）功能，相較於傳統 CDN，MEC 更靠近無線接入網[5]。由於物理距離和通訊層級的減少，自然移動邊緣計算相較於傳統CDN 時延進一步降低，並且 MEC 還包括了本地化的計算能力和能力開放能力，因此具備了低時延和智慧化特點[6]。
5G邊緣計算透過將庫區內的資料轉發下沉到部署於庫區的5G 邊緣資料中心，邊緣資料中心是資料的第一入口，負責實時性業務決策和大量生產裝置資料的短週期儲存，從而大大降低了通訊時延，也保證了資料不出廠，提高了資料的安全。在5G節點大量增加的將來，由於生產資料和裝置資料已經在現場的5G 邊緣資料中心進行轉發，邊緣計算與5G結合使用可以在遇到突發且持續的流量激增情況下解決頻寬、速度和安全問題，外部增加的節點帶來的通訊壓力不會對庫區內通訊造成影響，具有更高的效率，也能節約計算成本[7]。
為了減低專案風險，保留原WCS和地面控制站對堆垛機系統的原有資料通訊鏈路，庫區5G可用於傳輸堆垛機移動端的大量生產資料和裝置資料，如實時生產影片資料和實時裝置狀態資料，同時也作為WCS和地面控制站通訊的備份鏈路。如圖5所示。
基於5G CPE資料鏈路，對網路資料傳輸時延進行追蹤測試，得到的時延情況與紅外光通訊方式對比如圖6所示，由圖6可以看出，紅外光通訊方式平均時延在30ms左右，而5G CPE資料鏈路時延在5ms～10ms，資料傳輸實時性得到了顯著提高。根據堆垛機0.3m/s的平均制動速度，在5G CPE資料鏈路中以10ms的延時計算，控制指令因通訊延時產生的停位誤差，而在紅外通訊鏈路中以30ms的延時計算停位誤差為9mm，故堆垛機停靠站臺定位精度由9mm下降到了3mm，控制精度得到了較大提升。
三、結束語
本文建立了一套基於5G CPE WIN技術的終端組網形態，並於2021年9月率先在行業內成功應用於物流核心單機裝置中，且取得了提升裝置執行穩定性的效果，同時為將來擴充套件其他智慧化應用奠定了網路鏈路基礎，從而極大地推動了傳統物流領域中的核心單機裝置應用升級，該應用場景具有較強的推廣價值，隨著5G技術的快速發展，將與新型物流裝備技術相結合，並積極應用到智慧製造以及更加廣泛的領域。
參考文獻：
[1] 邢靈冰.5G技術在物流核心裝置中的應用[J].物流技術與應用,2021,26(02):107-109.
[2] 陳宇欣.5G助力智慧物流發展現狀及未來探索[J].中國市場,2021(08):149-150,188.
[3] 劉然,張龍,夏雄偉,楊盛,舒欣宇,汪孝森.“5G+智慧物流裝備”應用及趨勢分析[J].中國物流與採購,2021(09):48-49.
[4] 徐亞楠,蔡超,侯迎龍,易非.物流倉儲場景應用下5G網路切片技術的最佳化方案[J].郵電設計技術,2021(04):84-87.
[5] 王磊.智慧製造場景的5G應用研究[J].中國新通訊,2021,23(08):35-36.
[6] 張偉健,曾世強,李繼遊.基於5G無線通訊技術的應用淺析[J].中國新通訊,2020,22(17):31-32.
[7] 葛虎,鄭琰.5G網路在物流行業中的應用研究[J].物流工程與管理,2020,42(01):73-74,91.
