2018年无线应用场景白皮书——汽车制造领域.pdf

无线应用场景白皮书工业互联网产业联盟（AII）2018年10月汽车制造领域（2018年）联系我们工业互联网产业联盟 秘书处地址：北京市海淀区花园北路52号，100191电话：010-62305887邮箱：aiicaict.ac网址：aii-alliance编写说明网络是工业互联网的基础，具有重要的地位。无线网络作为工业互联网网络的重要组成部分，在移动性、建设及运维成本、提高生产效率等方面有着明显的优势。随着无线技术的发展，无线网络在工业互联网中将发挥越来越重要的作用。当前无线技术在工业领域的应用正处于发展初期，存在着工业领域对无线应用需求不明确、各类无线技术能力差异大、与工业应用深度融合不足、无线电频谱资源稀缺等问题。为促进无线技术在工业互联网的应用，工业互联网产业联盟启动了工业无线应用场景及需求研究。拟针对几个重点领域，结合具体应用场景进行深入研究，重点分析无线通信业务需求，为进一步提升无线技术能力、推进无线技术与工业应用深度融合、做好工业无线频率资源保障做好前瞻性研究。本报告重点关注汽车制造领域的无线应用场景及无线技术需求分析。在介绍现有无线通信技术的基础上，对无线技术在汽车制造领域的应用场景进行了分析，并归纳总结汽车制造领域的网络能力需求。报告根据汽车制造的主要环节和流程，提出了 17 个无线应用场景，对每个场景下无线通信需求、当前存在的问题、各无线技术与场景的适用性等内容进行了分析和总结。最后，对汽车制造领域无线联网的未来愿景做了展望。本报告旨在为业界提供汽车制造领域无线应用的场景案例和无线技术应用需求分析，为汽车制造企业、无线技术方案提供商、系统解决方案提供商、频率管理机构等提供参考，为工业互联网网络发展提供基础支撑。工业互联网网络是不断演进发展的，联盟将根据国内外工业无线应用的发展情况，持续推进工业无线应用场景和需求研究，广泛吸纳产业界的反馈意见，适时修订和发布报告新版。指导单位：工业互联网产业联盟牵头编写单位：华为 Wireless X Labs编写组成员：华为技术有限公司：黄冠琛、郭洪涛、郭朝阳、吴环宇 吉利汽车研究院（宁波）有限公司：胡峥楠、丁华、辜自强、姚军郑州宇通客车股份有限公司：蒋林森、于朝阳、韩振兴、潘新庆中国联合网络通信有限公司：韩卫平、李文杰、程军峰、李强国家无线电监测中心：许颖、杨渊中国移动通信集团有限公司：刘鹏中国信息通信研究院：刘琪、李晓帆、杜加懂、王琦中兴通讯股份有限公司：孟溪、周栋FLIR: 陆成普奥云信息科技（北京）有限公司：肖洋、冯改玲北京新能源汽车股份有限公司：丁海晶、杨军伟陕汽：邵国强，李守卿目录Content01 无线技术在汽车制造领域的应用概述1.1 工业无线通信概述1.2 无线技术在汽车制造的应用现状及前景1.3 无线技术在汽车制造领域的价值0102070909091011121314151517182002 汽车制造无线应用场景2.1 汽车制造无线应用场景分析2.1.1 焊装2.1.1.1 机器人与机器人协同控制2.1.1.2 远程维护机器人2.1.1.3 焊装过程中的视频监控 2.1.1.4 焊装群控站数据回传2.1.1.5 焊装车间工序间的物料传输2.1.1.6 焊装远程调测可视化2.2.2 涂装2.2.2.1 基于RFID的设备可追踪2.2.2.2 工艺信息交互无线化2.2.2.3 智能仪表及质检仪器无线化2.2.2.4 汽车生产工厂能耗监控应用010821212223242426262829303203 汽车制造无线联网未来展望2.2.3 总装2.2.3.1 总装车间拧紧器无线化2.2.3.2 车辆装配过程中的无线扫码2.2.3.3 车辆质检中的无线机器视觉应用2.2.4 其他2.2.4.1 零部件智能化加工2.2.4.2 工业设计阶段的无线化手持式3D扫描仪应用2.2.4.3 生产故障排查中的无线AR应用2.2.4.4 汽车生产车间在线环境监测2.2 汽车制造无线应用场景分类2.3 网络能力需求总结无线技术在汽车制造领域的应用概述 011.1 工业无线通信概述在迈向工业 4.0 的进程中，工业通信是确保整个价值链所需数据流的基础，是现实世界与数字世界融合的关键，帮助企业在实际投入生产之前能在虚拟环境中优化、仿真和测试，在生产过程中同步优化整个企业流程，最终实现高效的柔性生产和产品的快速创新上市，锻造企业持久竞争力。无线通信技术作为工业通信中的关键技术，对加速推动工业 4.0 进程，减少生产时间，提高生产灵活性，提升企业的生产效率起到重要作用。目前，国际上工业自动化领域的研究机构和企业都正在进行工业无线通信的研发，涉及的无线通信技术包括 2G、3G、4G、4.5G（NB-IoT、eMTC、eLTE-U、eLTE-IoT）、5G 蜂窝通信技术，也包括WiFi、ZigBee、ISA 100.11a、WirelessHART、WIA、LoRa、RFID、UWB 等。一方面，蜂窝通信技术已在考虑逐步满足工业相关领域的特定需求。蜂窝通信技术经历了近 30 年的发展，产生了巨大变革，已经跨过 2G、3G、4G 时代，处于 4.5G 时代，即将走进 5G 时代。作为 4G 的延伸，4.5G 为全球用户带来了稳定服务，并通过 NB-IoT、eMTC、eLTE-U、eLTE-IoT 等技术满足工业互联网低功率、大连接应用的初步需求，随着工业互联网超低时延（1ms 及以下）实时控制及超高带宽 AR/VR 等应用的兴起，蜂窝通信亟需进行针对性的优化提升，进一步满足工业领域各类应用的特定需求。工业互联网已成为 5G 研发的一个重要目标，全球多个国家和组织已经开展了 5G 面向工业互联网技术研究及标准化工作。另一方面，WiFi、ZigBee、RFID 等各类无线通信技术具有使用成本低、易部署等优点，但存在网络覆盖低、容量受限等问题。其它无线通信技术因协议本身的限制（如发射功率、安全等级、抗干扰性能）只适用于信息采集等少量工业互联网应用。为了进一步满足低时延、高可靠、大连接、高带宽及其他应用需求更复杂的工业环境，承载更多控制类及采集类工业互联网应用，并保证设备之间互联互通，工业无线领域有必要规范技术标准。 鉴于大规模工业应用对无线通信技术提出的新要求，频谱资源的合理规划成为各类无线通信技术的重要保障。目前全球没有为工业应用规划专用频率，在用的工业无线通信技术多以免许可方式经过几十年的技术引进、合作交流和自主创新，中国主流乘用车企业在产品制造、生产管理等方面已经接近或达到国际先进水平，主要生产制造环节的工艺装备水平有了较大的提高。汽车制造包括市场调研、概念设计、工程设计、样车试制以及量产等几个主要环节。（1）市场调研阶段，确定新车型的市场定位及初步工艺、成本等信息。（2）概念设计阶段，主要任务包括总体布置草图设计和造型设计。总体布置草图主要包括：车厢及驾驶室、发动机、离合器、变速器、传动轴、车架和承载式车身底板、前后悬架、制动系统、油箱、备胎、行李箱、空调装置等部件的布置。造型设计，包括外形和内饰设计，是汽车设计的重要环节之一。（3）工程设计，是不同部门对整车进行细化设计的过程。包括总布置设计、车身造型数据生成和发动机、白车身、底盘、内外饰、电器的工程设计等。1.2 无线技术在汽车制造的应用现状及前景01 02与多种业务共享频率。根据 ITU-R M.2083 建议书5G 系统愿景，工业互联网将是 5G 系统应用的主要领域之一，因此，在对 5G 进行频率规划时，充分考虑工业互联网无线技术对于高可靠、低时延以及海量连接等需求 , 规划 5G 频率时考虑了高、中、低频段的搭配。此外，国家无线电管理机构也在积极完善短距离（微功率）等免频率许可技术的频率规划，推动相关频段的全球协调一致。 钢板模具冲压件夹具白车身 油漆车身整车入库车身附件、电器件焊接总成 分总成冲压焊装涂装总装（4）样车试制阶段和试验阶段包括性能试验和可靠性试验。性能试验是为了验证设计阶段中各个总成以及零部件经过装配后的整体性能能否达到设计要求，并根据发现的问题及时做出设计修改。可靠性试验是为了验证汽车的强度及耐久性，试验形式主要有风洞试验、试验场测试、道路测试、碰撞试验等。（5）量产阶段，生产流程链、各种生产设备及生产线铺设等均已准备完毕。汽车在量产制造过程中主要分为四大工艺：冲压工艺、焊装工艺、涂装工艺、总装工艺。汽车制造是典型的多工种、多工艺、多物料的大规模生产过程，各环节都面临着挑战。目前，汽车制造领域所应用的无线技术包含传统的无线通信技术及新兴无线通信技术两类。传统无线通信技术包括2G/3G/4G等移动通信技术及WiFi、RFID、ZigBee、UWB等技术；新兴无线通信技术主要包括5G移动通信技术、NB-IoT、eMTC、eLTE-U、eLTE-IoT、LoRa、WirelessHART、ISA100.11a 、WIA等。 图 1-1 汽车量产阶段四大工艺表 1-1 汽车量产阶段四大工艺介绍工艺 描述冲压焊装涂装总装表 1-2 传统无线技术应用现状传统无线技术 应用现状WiFiRFIDZigbeeUWB是一种使金属板料在冲模中承受压力而被切离或成形的加工方法；冲压好的车身板件局部加热或同时加热、加压而接合在一起形成车身总成。为解决生产车间设备移动作业难、有线部署复杂、有线线路难以部署等问题，目前主要应用于工厂车间无线扫码系统、MES应用、ERP系统、手持应用等，解决无线仓储及扫描枪、PLC等生产控制设备的数据采集及网络接入。主要用于汽车焊接、涂装、总装生产线，实现对生产过程中各类现场数据的统计、状态监控及质量检测信息的实时采集、零部件与固定资产跟踪管理、车体识别与跟踪管理、整车物流管理等功能，解决生产线中零部件众多、工序繁多、人工易出错等问题。目前主要的应用如：超高频RFID TAG，主要用于整车制造；高频RFID TAG，主要用于发动机/变速器装配；螺钉RFID TAG，主要用于发动机/变速器机加。通过使用覆盖距离不同、功能不同的ZigBee网络节点，以及其它非ZigBee系统的低成本的无线收发模块，建立ZigBee局部自动化控制网，通过互联网或移动网与远端计算机相连，实现低成本，高效率的工业自动化遥测遥控。在汽车制造过程中，采用ZigBee搭建生产信息化管理网络，实现生产数据的采集及管理。一种使用1GHz以上带宽且无需载波的无线通信技术。通信速度可以达到几百Mbit/s以上。具有保密性强、功耗低、多径分辨力强、穿透能力强等特点。无需中频设备，系统发射的功率谱密度非常低，在雷达跟踪、精确定位方面有广阔应用场景。在汽车制造领域，目前主要应用于物资运输工具信息管理、重点危险区域管理、无线传输系统、装配工具自动控制、质量检测流程优化等场景。负责把冲压好的工件焊接到一起，在汽车车身焊装中应用最广的是点焊，焊接的好坏直接影响了车身的强度。 涂装有两个重要作用，防腐蚀和增加美观度，主要分为漆前预处理和底漆、喷漆工艺、烘干工艺等，整个过程需要大量的化学试剂处理和精细的工艺参数控制，对油漆材料以及各项加工设备的要求都很高。按照一定的要求，通过联接零件（螺栓、螺母、销或卡扣等）把各种零件相互联接组合成部件，再把各种部件组合成整车。经过各模块装配和各零部件的安装后再经过车轮定位、车灯视野检测等检验调整后，整车可以下线。03 04连接数：百万级别应用场景：资产跟踪、智慧农业、公用事业监控等网络时延：1ms应用场景：自动驾驶、工业控制、信息采集、人机交互、工厂自动化等海量机器通信mMTC超高可靠低时延通信uRLLC增强移动带宽eMBB5G万物互联时代提高传输效率提高传输速率：100Mbps-20Gbps应用场景：增强现实和虚拟现实，增强型室内无线宽带覆盖，远程视频监控、视频会议等高带宽的应用场景表 1-3 新兴无线技术应用前景新兴无线技术 应用前景eLTE-IoTeLTE-UNB-IoTeMTCLoRaWirelessHARTeLTE-IoT 具有低功耗、广覆盖、海量连接特点，工作在免授权频谱，可以为工厂建设物联专用网络，具有更好的数据安全性，可以用于车间能耗管理，车间温度、震动等传感信息采集等功能。 eLTE-U 基于 LTE TDD 的宽带接入技术，工作在免授权频谱，具有高速率、广覆盖、高可靠、高安全性，支持高速移动性。该技术可以解决车间生产安全监控、无线仓储 AGV 及扫码枪、生产设备的数据采集及办公网络的接入。 在车间能耗管理方面，为了提高车间智能排产调度能力、加强异常报警和节能减排水平，已有企业开展基于 NB-IoT 的车间能耗管理平台测试床建设。试验验证平台可以对车间内的电表、蒸汽表的信息进行采集和汇总，在云平台对所有数据进行存储、分析，为车间用户提供报表、曲线、能耗统计、指标监控、异常报警等功能，更进一步在数据统计与分析的基础上进行辅助排产和降低单位产品能耗。eMTC 具有超高可靠低时延特点，更加适合物与物之间的通信。eMTC 基于蜂窝网络进行部署，其用户设备通过支持的 1.4MHz 射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE 网络。eMTC 支持上下行最大 1Mbps 的峰值速率，可以应用于车辆移动性管理。应用于工厂生产车间智能计件管理和产线设备监控，可实现对多个生产车间的智能管理。将LoRa模块嵌入到计件传感器，可实现产量产能的实时监控及科学管理。ISA100.11a基于 IEEE 802.15.4，使用 2.4GHz 的 ISM 频段。可解决与其他短距离无线网络共存性问题以及无线通信的可靠性和确定性问题，具有数据传输可靠、准确、实时、低功耗等特点。ISA100.11a 被不少欧美企业所采用和部署，在工业无线市场上取得了广泛的认可，横河电机 (Yokogawa) 和霍尼韦尔 (Honeywell) 两大巨头已经开发出了 ISA100.11a 中等规模的系统解决方案，单一系统中最大可以接入 500 个终端设备节点。WIAWIA 能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。分为 WIA-PA 和 WIA-FA。现场开通调试及维护方面，主要有 WIA-PA 手持器；在现场仪表以及 RTU 的管理及资源分配方面，有 WIA-PA 智能无线网关；在自动控制和远程控制领域；有 WIA-PA 无线通信模块，并可嵌入各种设备；在无线远程访问及资产管理方面有 WIA-PA 无线适配器。WIA-FA 技术主要应用于离散制造业装备的智能化升级。5G5G 技术可以利用三大场景（eMBB 增强移动宽带、mMTC 海量机器类通信、URLLC 超可靠低时延）将分布广泛、零散的人、机器和设备全部连接起来，构建统一的互联网络。此外，5G 网络切片技术能够为工业应用分配专属的低时延高可靠切片，并通过切片内部参数控制，满足垂直行业需求。通过 5G 提供的极低时延、高可靠，海量连接的网络，使得闭环控制应用通过无线网络连接成为可能。随着 5G 时代的到来，5G 网络凭借优越的网络性能将为工业互联网的发展奠定重要的网络基础，成为工业互联网的“助燃剂”。5G 技术正好切合了传统制造企业智能制造转型对无线网络的应用需求，5G 技术三大应用场景如下图所示。有线 HART 协议的无线应用形式。满足了制造工厂对于可靠、强劲、安全的无线通讯方式的迫切需求。WirelessHART 标准协议主要应用于工厂制造自动化领域和过程自动化领域。05 061.3 无线技术在汽车制造领域的价值由于汽车量产制造过程如零件制造、装配、涂装、加工等具有工种、工艺、物料多种多样及规模大的特性，传统的人工生产已经难以满足要求，引入自动化制造及全过程监控技术是非常必要的。一方面，汽车生产车间面积巨大，约可达到 10000 平方米的范围，若采用 AGV 小车协助生产，有线技术无法满足大面积车间内的行走覆盖需求；另一方面，由于线缆错综复杂，难以进行梳理和维护。所以，无线接入凭借免于部署物理线缆将成为汽车制造领域的优先选择。其次，无线技术可以提升效率。无线技术可以快速的建立网络，不需要耗费时间在线缆的部署和维护上，提升了网络运行的效率。另外，在将来柔性制造的生产模式下，工厂可能会根据实际的生产制造调整变更组网结构。相比有线技术，无线技术可以更快速的变更并构建需要的网络结构。对于自动化制造来说，网络的快速部署和重构一定程度上也就意味着生产效率的提升。最后，无线技术可以保障安全。在较高温度的汽车生产现场，无线技术可以避免因环境而产生的损耗问题；另一方面如今产线上的生产机器人越来越多，无线技术也可以避免因为有线线缆的老化导致的机器人非正常运动，从而对设备或者人员造成损害或伤亡。综合来看，在汽车制造领域应用无线技术，可以提高生产组网的灵活性，更好的适应将来生产制造的需求，也可以降低成本和提升效率，并保障生产环境的安全。首先，无线技术易于部署，节省了线路布设及维护的投入，降低网络部署及运维成本。在生产过程中，一些夹具转动，以及金属切屑和切削液等可能会磨损电缆，这将导致部分器件如传感器、开关等的失效。在一些自动化的装配线上，可能会连接着几十上百的站点，一旦线缆失效，很难进行故障定位。使用无线技术，则不会存在线缆破损的问题，且无线组网结构灵活多样，发生故障时也易于定位。图 1-2 汽车制造有线缠绕机破损随着无线技术在汽车制造领域的应用快速发展，汽车从零部件的制造、运输、生产、仓储分发到最后汽车的产品入库整个过程都需要涉及到无线连接，AII 联合合作伙伴开展了无线应用场景 - 汽车制造领域的分析，本报告主要聚焦量产生产过程 ( 冲压、焊装、涂装、总装 )，涵盖 17 个无线应用场景。汽车制造无线应用场景冲压 焊装 涂装 总装图 2-1 汽车量产阶段四大工艺0207 08表 2-1 机器人与机器人协同控制对无线网络的需求图 2-2 机器人与机器人协同控制示意图2.1 汽车制造无线应用场景分析2.1.1 焊装2.1.1.1 机器人与机器人协同控制2.1.1.2 远程维护机器人焊装是自动化程度最高、机器人使用数量最多的车间。在焊装生产过程中，存在各种机器人与机器人协同工作的情况，如：两台机器人共用一把焊枪、两台机器人协同涂胶、两台机器人协同搬运、两台机器人协同焊接等。通过无线化，减少机器人间的线缆部署，使产线部署更灵活。机器人协同控制系统一般由 4 大部分组成：PLC、机器人控制器、无线网络、机器人，主要有两大类信号：机械手臂任务信号：PLC 通过无线网络下发任务命令（如抓举车身、焊接车身）给多个控制器，控制器按照下发的任务命令控制机械手臂进行作业。互锁信号：控制器反馈机器人预定义作业信号至 PLC， PLC 实时同步互锁命令给多个控制器，保障机械手臂在运动过程中不会碰撞；在焊接过程中，一个机械手臂通过 PLC 下发的任务命令抓举车身，另一个机械臂举起焊枪进行焊接操作。同时，PLC 实时下发互锁命令保障机器手臂间不会产生异常的碰撞。机器人本身自带控制系统及系统软件，需要专业化的维护，设备一旦出现异常，无法及时排除故障，将会造成整条生产线停机，严重影响生产并造成大量的经济损失。另外，多车型混线生产、以及产品尺寸稳定性等因素，导致机器人程序频繁改动，需要实时备份。通过无线方式设备可以灵活接入网络，大大提高混线生产灵活性。机器人远程维护系统一般由 4 大部分组成：远端维护工控机、机器人控制器 、无线网络、机器人。控制器通过采集并回传机器人状态数据给远端维护工控机，工控机软件对数据进行分析，如各轴电机能源消耗，根据能耗变化，对机器人故障进行预判，提前维护，减少机器人突发故障。此外，机器人通过控制器无线化还可以实现日常程序上载、下载以及备份。5G AP5G5G UEcontrollerSlave 11Slave 2PLCcontroller5G UESwitchSwitch典型应用 通信速率 通信时延 应用范围控制器间互锁信号交互PLC 任务下发控制器状态上报100Kbps100Kbps100Kbps100Kbps100Kbps/1Mbps(720p 及以上清晰度 ) 100Kbps100Kbps 100Kbps 100Kbps 100Kbps100Kbps 10ms10ms焊装车间工序间物料输送、冲压车间钣金件输送、总装车间装配件及线边料架等2.1.1.5 焊装车间工序间的物料传输高柔性化制造已经成为汽车制造行业发展的趋势，AGV 在物流柔性方面起到重要作用。AGV 系统一般由三大部分组成：AGV 中控室、无线网络、AGV 小车。AGV 中控室与 AGV 小车之间存在着大量的交互信息均通过无线网络，主要有两大类信号：AGV 小车本体控制信号：运动控制信号（AGV 状态、异常信息、速度、电压、卡号、方向、管制、能派车、任务点、有无带滑撬、在等待点、吊点放行、前往站点等）、控制信号（举升装置升降等）；与线体 PLC 对接信号：到位信号、允许进出工作站信号等；自动化线工作站根据站内生产情况，提前生成物料派送任务信息（物料名称，需求工位等），并将任务信息传递给 AGV 派送系统，AGV 派送系统根据需求工位、工艺流程以及 AGV 小车位置、状态，生成派送任务，并通知适合的 AGV 小车到达需求工位，按照工艺流程将物料送到目标工位。由于整2.1.1.6 焊装远程调测可视化随着工厂制造执行系统 MES、智能监控系统 SCADA、质量监控系统 QCS 等系统的推广，PAD 作为移动终端，逐渐广泛应用于车间生产，既能实时显示设备状态信息、也能通过 PAD 录入信息，实时了解现场设备质量问题 ，还可以参与控制，如 AGV 调度系统客户端安装在 PAD 上，进行 AGV 调度的时候，能够实时监控 AGV 小车状态，了解 AGV 的实时状态信息、告警信息、配置信息，便于调试同时增加操作安全性。 通过无线化 PAD，使操作员工操作 PAD 时摆脱线缆束缚，扩大工作范围，提高工作效率。AGV 调度系统 仓储管理系统重型物料搬运 大型物料搬运 小火车头搬运 无人叉车搬运个过程均为自动化，AGV 派送系统需要实时与需求工位、目标工位进行信息交互，包括请求开门、到位、RFID 读写成功、允许出门等信息。由于车间区域内有人员移动，以及其它移动车辆，要求 AGV移动过程中路径可控，运行安全可靠，防止碰撞到设备及人员、发生事故。13 14