行业资讯 | 电力载波技术赋能工业智造

一、工业制造领域制程趋势

1. 生产柔性化需求成为主流

上世纪，人类开创了流水线的工厂生产新模式，降低了单位产品的生产成本，使得一些昂贵的消费品向大众普及。然而，随着人们消费特点变化 ，产品的个性化正成为消费的主流，作为小批量多品类的柔性生产在制造业中扮演的角色愈来愈重要。

柔性生产满足定制化产品需要，电力载波提供更可靠的OT网络。

相比较刚性生产，柔性生产能够快速切换生产线，有着灵活满足客户定制化要求、极大缩短生产周期等优点。在核心生产环境的OT网络引入电力载波技术后，电力载波网络对比Wi-Fi的可靠性、低时延和组网的快捷方便性优势将得以充分的体现，使得电力载波技术的优势能够在规模商用的场景中兑现价值，更好的促进柔性生产发展，增强企业市场竞争。

2. 扁平化架构

当前工业控制系统以传统的五层架构为主，即企业层、管理层、操作层、控制层和现场层。工业控制系统内的各生产线之间相互独立，生产数据由控制器上传到上层的IT网络后集中处理，这种架构下会导致上层的IT网络难以触及现场层的生产系统，大量生产数据沉淀、消失在工业控制层，不能被进一步利用，此外也导致生产线之间无法进行深度协同。因此使能IT网络与OT网络之间的全域数据流通成为了工业控制网络的发展趋势之一。

3. 少人化无人化控制

自动化一直是工业发展的核心，也是未来工控领域发展的方向，云计算、AI等新技术正在加速这一趋势。随着中国老龄化率不断上涨，制造业人力成本持续攀升，生产过程中少人化的作用逐渐显现。少人化无人化的目的不旨在削减人员数量，而是通过少人化无人化途径减少可重复工种、低附加值或者从事危险性工作的人员数量，并培训被削减的人员，使其适应更高附加值的岗位来为企业创造更大价值。煤矿、钢铁水泥等流程制造行业和港口、建筑、冷库等行业的少人化无人化诉求主要体现在起重运输应用，例如钢铁厂利用远程控制行车，无人化行车实现物流分拣的全流程自动化。这类应用过去通过光纤或者Wi-Fi连接实现远程操控，但光纤的部署距离长、成本高，Wi-Fi可靠性不高且室外场景覆盖距离受限，故电力载波技术正逐渐进入这类应用场景，提供灵活可靠的有线联接。

4. 技术要求和挑战

柔性产线在重新组合的过程中应该做到对操作人员技能要求的最低化，即在重新组合过程中不需要其他技术人员的介入和投入，基于这样的要求，柔性产线的设计具有一定的技术要求和挑战，包括：

a. 灵活快速的通信配置：基于柔性产线，所有的工位都成为移动性工位，每个工位原有的基于有线网络的连接面临较大挑战，例如随着工位物理位置的变化，需要连接的有线网关是不同的，需要连接的的端口的VLAN等配置是不同的，这些配置需要IT人员在每次产线调整过程中介入进行相应的配置调整。

b. 电力载波通信的高可靠性和低时延：基于柔性化产线，PLC集中化也会被更为广泛地应用，而PLC集中化会导致PLC和IO设备的工业总线RT（Real-time）通信承载在电力载波网络上，而工业总线对可靠性、时延的要求都较高，可靠性通常需达到99.99%及以上，基于不同的应用，时延要求从50ms到低至10ms不等。

c. 气和电的便捷连接：产线柔性化设计也需要考虑电和气的连接的“无线化（电力载波技术是通过现有的电力线来传输网络）”，例如利用快插接头实现简单灵活的连接操作。

5.采用电力载波技术的驱动力

对比有线/无线组网，通过电力载波技术来支持柔性产线的多工位联接具备更高灵活性。在产线调整过程中，IT人员不需要介入进行配置调整，产线员工不需要进行网线插拔和检测工作，可以做到网络联接的完全柔性化。对比Wi-Fi网络，电力载波能提供更高的可靠性、更多终端的联接能力以及更低的时延。从而更好的承载OT网络的控制信令通信，支持更多的产线设备直接基于电力载波技术接入网络 。

二、电力载波技术在不同行业应用

1.铝厂电力载波无人行车应用

铝加工行业作为一个劳动密集型的行业，大量的岗位依靠人工，尤其是在库区内。人员长时间疲劳作业，安全隐患高，效率低。

行车作为铝加工厂生产车间的主要搬运设备，安全性和可靠性至关重要，其作业效率将直接影响产能。复杂的现场环境（大电流，大磁场）给设备的运行带来很多安全问题，通信网络作为行车控制架构中的一部分，尤其是在无人行车库区管理系统中，起到至关重要的作用，不仅关系着系统架构的灵活性，还决定了整个项目的稳定性和安全性。基于这样的要求，铝加工厂无人行车应用的通信网络具有一定的技术要求和挑战，包括：

a. 现场的特殊性：基于传统的工业Wi-Fi的方案，因现场强磁场，对无线信号造成影响，无法保证通信的稳定性。电力载波是通过现有的电力线来传输，通过OFDM 技术能够确保信号的传输稳定，不受到空间磁场的影响。

b. 电力载波的高可靠性和低时延：行车作为特种生产设备，对网络质量的要求也较高。当行车吊运板坯移动时，不稳定的网络将造成行车急停，产生极大安全隐患。同时在地面突发安全事故前，需要在库区内或中控室快速中止行车运行，确保在事故发生前停止行车运行，避免更多事故发生。基于这样的业务诉求，中控室PLC与行车PLC之间通信时延应小于50ms，连续丢包小于3个，平均丢包率小于1%。紧急制动IO与中控室安全PLC之间时延要求10ms。

电力载波技术作为成熟技术，已经在多个无人行车项目中投入使用，也保障了项目的可靠运行。未来，电力载波技术作为一种可替代Wi-Fi的技术方案，具有可控的干扰协同能力，更容易实现无人行车系统方案的标准化以及现场快速部署。此外，电力载波网络具有更佳的可靠性和低时延能力，这些都更好的适配了无人行车应用的需求。

2.基于电力载波的立体仓储应用

智能物流与仓储自动化已被列为我国重点发展的五大核心智能制造装备之一，得到政府与制造企业高度重视，越来越多的制造企业正在或准备实施智能物流建设项目。实现智能物流系统与智能制造系统的互通互联、深度融合成为不容忽视的课题。随着自动化技术和信息技术在自动化立体仓储广泛运用，立体仓储的发展呈现以下趋势：

a. 仓储作业管理自动化水平将会逐步提高，智能、信息化技术将获得更多应用；

b. 仓储作业向柔性化方向发展；

c. 立体仓储将更加依赖于网络的安全性和快速性。

立体仓储在建设初期就应当考虑众多设备之间的互联互通、数据交换等问题。尤其是在立库建立后，仓库犹如巨大的屏障，阻止或降低Wi-Fi等无线信号的传输，因此一个可靠有效的信号传输方式就显得尤其重要。

基于有线组网的立体仓储，存在大量的线缆部署，会有较长的部署周期以及线缆成本。此外，立体仓储的堆垛机等设备常年处于较高速移动过程中，对线缆的磨损也较大，可能影响整个系统的稳定性。基于电力载波技术的通信连接方式，能节省自动化立体仓储的部署周期，且减少网络运维问题。电力载波网络的低时延和高可靠性能力也能充分满足自动化立体仓储对网络的要求，更好的支持各类移动性终端的操作。

1）电力载波技术的覆盖能力：立体仓储中所有设备均为金属设备，金属设备本身就是一个屏蔽体，影响着立体仓库中无线通信的覆盖。此外，立体仓储中的堆垛机、RGV、AGV都是一直处于移动状态的设备，确保信号在移动状态中稳定性就显得格外重要。

2）电力载波技术的低时延能力：立体仓储中的设备为全自动化设备，从仓储管理软件接受到指令，到开始执行指令，网络的时延对最终仓储设备的效率影响很大，越低的时延越能提供更高的执行效率。

3.基于电力载波的环形穿梭车应用

多层、环形穿梭车可作为立体仓库的周边设备，与其他物流系统实现自动连接，如出入库站台、各种缓冲站、输送机、升降机和机器人等；也可作为独立系统，按照计划进行物料的搬运，环形穿梭车（或称环形物流车、环形传送车）在自动化仓储和物流系统中扮演着越来越重要的角色。

环行穿梭车系统在建设初期就应当考虑众多小车的高速运行、数据量大，延时等问题。在大型仓库等复杂环境中，信号的覆盖和稳定性，以及延时和时效性是保证多层、环形穿梭车系统的安全、高效和可靠通信的必要条件。

环形穿梭车处于较高速移动过程中，对线缆的磨损也较大，可能影响整个系统的稳定性。基于电力载波技术的通信连接方式，能配合节省自动化立体仓储周边设备的部署周期，且减少网络运维问题。电力载波网络的低时延和高可靠性能力也能充分满足自动化立体环穿对网络通信的要求，更好的支持移动性终端的操作。

4.基于电力载波的智能物流分拣

近些年来线上消费的持续提升带动了电商、快递等行业快速扩张，伴随着电商和快递的井喷式发展，消费者对大件物流需求也不断升级，快运市场需求快速增长。随着消费者的需求不断升级将促使快递、快运产业发生变革，这对应用于大型转运中心的自动分拣系统的运行效率、准确率、稳定性、柔性分拣等能力提出了更高的要求。

物流分拣系统在分拣过程中为了防止包裹丢失或延误，确保分拣的准确性对于客户满意度来说极为重要，同时高效的分拣系统通常需要大量的初期投资和持续的运营成本，如何在保证效率的同时控制成本也是一个关键问题，而分拣现场大多环境复杂，阻止或影响无线信号的传输，因此一个可靠有效的信号传输方式就显得尤其重要。

电力载波技术利用分拣现场现有的电力线（滑触线）进行数据传输，无需额外布线，节省了基础设施建设成本。使得电力载波技术在物流分拣系统中的应用具有多项优势，具体如下：

1）快速部署：无需新建通信网络，利用现有电力线（滑触线）可以快速部署通信系统，减少了安装和调试时间。

2）灵活性高：可以灵活地扩展和调整网络布局，适应不同分拣中心的需求。

3）降低成本：避免了布设专用通信线缆的高昂费用，降低了后期分拣设备的总体的维护成本

4）维护简单：利用现有电力网络进行维护，相对简单且成本较低。

5）抗干扰能力：电力载波技术具有较强的抗干扰能力，能够在电力线中存在电噪声的情况下稳定可靠。

6）延迟：电力载波PLC可以实现低延迟的数据传输，适用于实时性要求高的分拣过程。

5.基于电力载波的智能车库应用

特点：采用电力载波技术，利用动力滑触线来实现网络通信，控制平移小车、提升机等终端侧设备。

6.基于电力载波的巡检机器人应用

运动控制(Motion Control)一直是电力载波技术关键目标应用场景之一，也是电力载波低时延高可靠性(URLLC Ultra-Reliable Low-Latency Communication)的需求驱动场景。

运动控制对网络的可靠性和时延性要求极高：

1）通信的时延要求高；

2）终端授时和同步：多轴电机需要同步协同，基于无线组网也需要保证各个终端的同步性，故终端授时功能成为必需。

运动控制(Motion Control)一直是电力载波技术关键目标应用场景之一，也是电力载波低时延高可靠性(URLLC Ultra-Reliable Low-Latency Communication)的需求驱动场景。

三、工业现场环境应用拓扑图

昆山网电的工业级电力载波以太网数据传输系统由PEB(Powerline Ethernet Bridge)、电力线或导轨及终端控制设备组成 ，支持Profinet、EtherNet/IP、Modbus TCP等工业协议栈，PEB可设置为主（DM) /从(RD)模式。

1.现场电力环境为直流:

2.现场电力环境为单相: 1火线(L)+1零线(N)+1地线(PE)

3.现场电力环境为三相: 3火 L1 L2 L3

四.应用领域

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