摘要：本文旨在利用新一代信息技術(shù)在煙草物流關(guān)鍵環(huán)節(jié)探索研究智能化應(yīng)用，以現(xiàn)代物流自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的巷道堆垛機(jī)設(shè)備為例，構(gòu)建了一套基于5G　CPE　（Customer　Premise　Equipment）技術(shù)的通訊數(shù)據(jù)鏈路，解決了堆垛機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等問(wèn)題。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延由30ms左右降到了10ms以內(nèi)、站臺(tái)定位精度由±9mm降到了±3mm范圍。

　　物流設(shè)備是現(xiàn)代物流系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)高效運(yùn)行的硬件資源基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)物流安全運(yùn)作的基本手段及有機(jī)組成。煙草企業(yè)物流的迅速發(fā)展和日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)提出了更高的要求。巷道堆垛機(jī)作為一種常見的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的核心單機(jī)設(shè)備，其穩(wěn)定性直接決定了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)行效率。傳統(tǒng)的堆垛機(jī)數(shù)據(jù)鏈路一般是采用漏波電纜、紅外通訊、Wi-Fi等通訊方式，漏波電纜對(duì)材質(zhì)和布線要求極高，且運(yùn)行維護(hù)極為不便；紅外通訊對(duì)準(zhǔn)安裝過(guò)程復(fù)雜，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和可靠性較差，在惡劣的使用環(huán)境下容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸終端等情況；Wi-Fi在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)易受同頻干擾，且在縱深過(guò)長(zhǎng)的密集貨架巷道中信號(hào)易被阻擋，無(wú)法保證穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)連接。5G技術(shù)具有大帶寬、低時(shí)延、高并發(fā)的特點(diǎn)，結(jié)合物流業(yè)務(wù)對(duì)通訊要求的特征，積極探索5G技術(shù)在物流核心單機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)物流高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的意義[1]-[3]。

　　一、應(yīng)用場(chǎng)景現(xiàn)狀

　　武漢卷煙廠物流車間共配置有23臺(tái)巷道堆垛機(jī)，分散部署在6個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中，由DEMATIC公司生產(chǎn)制造，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)主要分為地面控制站和機(jī)載控制柜兩個(gè)部分，地面控制站與機(jī)載控制柜之間采用PROFIBUS方式進(jìn)行通訊，之間通過(guò)紅外光通訊建立數(shù)據(jù)連接。地面控制站工控機(jī)底層采用一套WINAC控制系統(tǒng)，并部署SCS存儲(chǔ)控制系統(tǒng)，通過(guò)紅外光通訊傳輸指令控制位于堆垛機(jī)上的ET200S和S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。WINAC控制系統(tǒng)與WCS倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)建立數(shù)據(jù)連接。以成品自動(dòng)化立體化倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)為例，其控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

　　貨架巷道縱深長(zhǎng)度約100m，紅外光通訊在位置產(chǎn)生偏差后對(duì)準(zhǔn)安裝工作極為不便，且在巷道照度低、粉塵多等惡劣環(huán)境條件下，穩(wěn)定的通訊數(shù)據(jù)連接往往得不到保證，不僅影響了整個(gè)物流系統(tǒng)的運(yùn)行效率，而且導(dǎo)致了設(shè)備維護(hù)資源的極大投入。因此，采取5G　CPE　WIN的終端組網(wǎng)形態(tài)來(lái)解決當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈路存在的諸多問(wèn)題顯得尤為迫切。

　　二、基于5G　CPE的數(shù)據(jù)鏈路改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　1.　硬件設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　如圖2所示為當(dāng)前的巷道堆垛機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路結(jié)構(gòu)圖。其中，地面控制站通過(guò)紅外光通訊連接SRM1和SRM2兩臺(tái)巷道堆垛機(jī)。紅外光通訊為透明器件，沒有PROFIBUS地址，無(wú)需進(jìn)行硬件組態(tài)。DPDP耦合器連接地面WINAC系統(tǒng)，在本地PROFIBUS地址為5，WINAC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接WCS。

　　本次改進(jìn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為建立紅外光通訊的備份通訊鏈路，以本地5G專網(wǎng)覆蓋地面控制站與SRM1、SRM2的連接，同時(shí)降低通訊時(shí)延。采用的改進(jìn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路如圖3所示。

　　本次改進(jìn)設(shè)計(jì)保留原系統(tǒng)的WINAC控制單元，并在原WINAC控制單元上增加CP1616，用以通過(guò)5G　CPE連接5G網(wǎng)絡(luò)，并在SRM1和SRM2堆垛機(jī)上增加帶有CP5613和CP616的WINAC控制單元，新增WINAC系統(tǒng)完全復(fù)制和保留地面控制站W(wǎng)INAC系統(tǒng)控制程序和控制算法。CP5613通過(guò)切換器接入堆垛機(jī)上PROFIBUS總線，CP1616通過(guò)5G　CPE連接5G網(wǎng)絡(luò)。采用PNPN耦合器連接地面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(gè)IP地址，對(duì)于地面WINAC控制單元而言，通過(guò)其中一個(gè)IP接入的PNPN耦合器是一個(gè)IO站；對(duì)于新增的WINAC控制單元而言，通過(guò)另一個(gè)IP接入的PNPN耦合器也是一個(gè)IO站；兩個(gè)控制單元的信息在PNPN耦合器上自動(dòng)交換。

　　在地面WINAC控制單元中，不需要再建立S7連接，僅需要將WCS信息、ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器信息傳輸?shù)絇NPN耦合器；同樣對(duì)于新增的WINAC控制單元而言，也只需要將連接的PNPN耦合器對(duì)應(yīng)的IO地址改為ET200S子站10、ET200S子站40、DPDP耦合器的IO地址，即可完全采用原地面WINAC控制單元的控制程序。

　　2.　5G　MEC部署設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)部署一個(gè)5G　MEC，5G技術(shù)中的低時(shí)延應(yīng)用主要依托于前端部署的MEC基站和部署于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上的5G網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)“5G無(wú)線節(jié)點(diǎn)+5G邊緣計(jì)算”組網(wǎng)模式[4]。5G網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的堆垛機(jī)控制器與地面調(diào)度系統(tǒng)等連接起來(lái)，使移動(dòng)的堆垛機(jī)與地面控制站之間可以進(jìn)行低時(shí)延通訊，實(shí)現(xiàn)更多功能和更復(fù)雜業(yè)務(wù)；同時(shí)保證數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，且具備了向廠級(jí)私有云平臺(tái)的擴(kuò)展能力，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　其中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備底層數(shù)據(jù)采集傳感器、編碼器等信號(hào)可直接進(jìn)入ET200S從站，堆垛機(jī)和地面控制站的數(shù)據(jù)交互不再需要離開庫(kù)區(qū)，僅在邊緣計(jì)算中心內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，5G　MEC具備了向其他廠級(jí)MES轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理分析的功能。

　　3.　5G數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)

　　為了進(jìn)一步降低時(shí)延，5G邊緣計(jì)算配置　CDN（Content　Delivery　Network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）功能，相較于傳統(tǒng)　CDN，MEC　更靠近無(wú)線接入網(wǎng)[5]。由于物理距離和通信層級(jí)的減少，自然移動(dòng)邊緣計(jì)算相較于傳統(tǒng)CDN　時(shí)延進(jìn)一步降低，并且　MEC　還包括了本地化的計(jì)算能力和能力開放能力，因此具備了低時(shí)延和智能化特點(diǎn)[6]。

　　5G邊緣計(jì)算通過(guò)將庫(kù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)下沉到部署于庫(kù)區(qū)的5G　邊緣數(shù)據(jù)中心，邊緣數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)的第一入口，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)決策和大量生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的短周期存儲(chǔ)，從而大大降低了通訊時(shí)延，也保證了數(shù)據(jù)不出廠，提高了數(shù)據(jù)的安全。在5G節(jié)點(diǎn)大量增加的將來(lái)，由于生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)的5G　邊緣數(shù)據(jù)中心進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，邊緣計(jì)算與5G結(jié)合使用可以在遇到突發(fā)且持續(xù)的流量激增情況下解決帶寬、速度和安全問(wèn)題，外部增加的節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的通訊壓力不會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)通訊造成影響，具有更高的效率，也能節(jié)約計(jì)算成本[7]。

　　為了減低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，保留原WCS和地面控制站對(duì)堆垛機(jī)系統(tǒng)的原有數(shù)據(jù)通訊鏈路，庫(kù)區(qū)5G可用于傳輸堆垛機(jī)移動(dòng)端的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)生產(chǎn)視頻數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)也作為WCS和地面控制站通訊的備份鏈路。如圖5所示。

　　基于5G　CPE數(shù)據(jù)鏈路，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延進(jìn)行追蹤測(cè)試，得到的時(shí)延情況與紅外光通訊方式對(duì)比如圖6所示，由圖6可以看出，紅外光通訊方式平均時(shí)延在30ms左右，而5G　CPE數(shù)據(jù)鏈路時(shí)延在5ms～10ms，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性得到了顯著提高。根據(jù)堆垛機(jī)0.3m/s的平均制動(dòng)速度，在5G　CPE數(shù)據(jù)鏈路中以10ms的延時(shí)計(jì)算，控制指令因通訊延時(shí)產(chǎn)生的停位誤差，而在紅外通訊鏈路中以30ms的延時(shí)計(jì)算停位誤差為9mm，故堆垛機(jī)停靠站臺(tái)定位精度由9mm下降到了3mm，控制精度得到了較大提升。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　本文建立了一套基于5G　CPE　WIN技術(shù)的終端組網(wǎng)形態(tài)，并于2021年9月率先在行業(yè)內(nèi)成功應(yīng)用于物流核心單機(jī)設(shè)備中，且取得了提升設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的效果，同時(shí)為將來(lái)擴(kuò)展其他智能化應(yīng)用奠定了網(wǎng)絡(luò)鏈路基礎(chǔ)，從而極大地推動(dòng)了傳統(tǒng)物流領(lǐng)域中的核心單機(jī)設(shè)備應(yīng)用升級(jí)，該應(yīng)用場(chǎng)景具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值，隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，將與新型物流裝備技術(shù)相結(jié)合，并積極應(yīng)用到智能制造以及更加廣泛的領(lǐng)域。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]　邢靈冰.5G技術(shù)在物流核心設(shè)備中的應(yīng)用[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2021，26（02）：107-109.

　　[2]　陳宇欣.5G助力智能物流發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)探索[J].中國(guó)市場(chǎng)，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(yīng)用及趨勢(shì)分析[J].中國(guó)物流與采購(gòu)，2021（09）：48-49.

　　[4]　徐亞楠，蔡超，侯迎龍，易非.物流倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)景應(yīng)用下5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的優(yōu)化方案[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2021（04）：84-87.

　　[5]　王磊.智能制造場(chǎng)景的5G應(yīng)用研究[J].中國(guó)新通信，2021，23（08）：35-36.

　　[6]　張偉健，曾世強(qiáng)，李繼游.基于5G無(wú)線通訊技術(shù)的應(yīng)用淺析[J].中國(guó)新通信，2020，22（17）：31-32.

　　[7]　葛虎，鄭琰.5G網(wǎng)絡(luò)在物流行業(yè)中的應(yīng)用研究[J].物流工程與管理，2020，42（01）：73-74，91.