王長江：5G時代工程機械發(fā)展趨勢

【第一工程機械網(wǎng) 現(xiàn)場報道】2019年4月2日，由中國工程機械工業(yè)協(xié)會、國家工程機械質量監(jiān)督檢驗中心指導，《工程機械與維修》雜志主辦，匠客工程機械傳媒承辦的“2019工程機械產品發(fā)展（北京）論壇暨中國工程機械年度產品TOP50頒獎典禮”在京隆重舉行。

本次活動的重磅環(huán)節(jié)“工程機械產品發(fā)展（北京）論壇“聚各方資源和思維，圍繞“工程機械智能互聯(lián)及環(huán)?！?，結合理論和行業(yè)實踐，做出深刻而理性的探討，以期為行業(yè)的發(fā)展和產業(yè)的升級提供智力支持。

中國液壓氣動密封工業(yè)協(xié)會專家委副主任王長江

第四位帶來分享的嘉賓是中國液壓氣動密封工業(yè)協(xié)會專家委副主任王長江。他的演講主題是“5G時代工程機械發(fā)展趨勢”，以下為演講全文：

王長江：我是一個工程機械行業(yè)的老兵，非常想借此機會跟大家談談我們下一步該怎么辦。今天我分享的是《5G時代工程機械發(fā)展的趨勢》。

能否達到節(jié)能、精準、高效？要有量化標準

節(jié)能、精準、高效是永恒的發(fā)展課題，這些目標是否能夠達到，有一些具體的指標。比如各類工程機械節(jié)能上能不能再做15%的節(jié)能？作業(yè)精準、位置精準、行走機械的軌跡需要什么樣的新高度、用智能化實現(xiàn)機械如何效率。

以挖掘機為例，通過對國際上工程機械行業(yè)發(fā)展水平的了解，我們知道挖掘機有很大的節(jié)能空間。比如全球比較領先的公司，卡特彼勒在2013年提出可以在原有基礎上節(jié)能33%，當時國內是持懷疑態(tài)度的，原因是我們沒有找到可以解決節(jié)能的手段。

工程機械特別是挖掘機節(jié)能15%是相對容易的。例如從液壓系統(tǒng)的角度，中國的挖掘機大部分工程機械用的閥是6分閥，這種閥本身會浪費很大的能量。六通閥，世界的液壓行走機械上提出了要用閉芯系統(tǒng)，這是有歷史原因的，20世紀70年代把工業(yè)液壓拿到行走機械中來發(fā)現(xiàn)很大的問題，發(fā)現(xiàn)挖掘機無法工作，非常不穩(wěn)定，后來采用了一個辦法，用了一個六通的閥中間開了兩微兩通，工作的時間油料就通過油箱了，這樣的功能等于在液壓系統(tǒng)中增加了一個阻尼，有了這個阻尼之后工程機械液壓系統(tǒng)兩個泵控制一個多路閥、再控制整個工作機構就可以很穩(wěn)定了，但是這同樣也帶來了很大的能量損失。

從液壓系統(tǒng)角度解決節(jié)能問題

現(xiàn)在的發(fā)展趨勢則發(fā)生了變化，比如卡特的挖掘機的液壓系統(tǒng)開始取消兩微兩通，系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題怎么解決呢？工業(yè)界解決的方法是恒壓變量泵，液壓泵要維持自身的瀉流量，有了這樣的辦法，未來的行走機械從開芯進入閉芯，節(jié)省能量15%是可以實現(xiàn)的，整個油泵是電機進行控制的，可以控制流量、壓力、功率。

高效率的液壓元件

未來的傳感系統(tǒng)已經(jīng)用上了閉芯系統(tǒng)，泵是按壓差進行控制的，有了這樣的恒壓變量泵是很接近的，未來的要解決節(jié)能問題，流量構想系統(tǒng)是不節(jié)能的系統(tǒng)，比如有了泵最低的要14 bar的壓差，假如說通過閥口流量是100升，符合傳感器并不是節(jié)能系統(tǒng)，但是可以進行改造。未來可以在系統(tǒng)中增加一個壓力傳感器或者是壓差傳感器，可以智能的確定壓差是多少。因此工程機械從20世紀70年代至2020年的這個階段可能是液壓系統(tǒng)發(fā)展的過程，最重要的過程到2020年會使用電子控制的恒壓變量泵。

恒壓變量泵起到了系統(tǒng)阻尼的作用

從VBO到VBO2，把中間的兩微兩通徹底關閉了，變成了完全的恒壓變量泵。未來的新的挖掘機一定會向閉芯系統(tǒng)發(fā)展，這樣需要有高頻的電子變量泵。工業(yè)恒壓變量泵用電子控制很容易，因為恒壓點基本上不變，未來挖掘機控制的壓力永遠固定在320、350 bar，還會浪費能量，未來一定是智能的恒壓變量泵，所以軟件控制系統(tǒng)也會變得非常的復雜。最新的挖掘機，是用自身的液壓控制，壓力流量功率完全都可以進行控制。

取消了先導泵

去年卡特彼勒公司打出的廣告，有一個非常不起眼的話，但是大家需要動腦筋了，我的節(jié)能可以得到15%，渠道先導系統(tǒng)，這是重大的變化，因為先導系統(tǒng)是定量泵，要給一定的流量，現(xiàn)在根本不需要先導系統(tǒng)了，能量就來了、節(jié)能就解決了。多路閥最大的改變將來是智能的合流系統(tǒng)，合流方向也可以實時的進行選擇。

5G時代，液壓系統(tǒng)的智能化控制

節(jié)能實現(xiàn)了，但是這件事就復雜了，這樣的變量泵，這樣的系統(tǒng)需要非常復雜的電子控制，這樣的電子控制、高頻響的液壓泵，軟件和控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)呢？我們無法讓用戶非常簡單的就能夠實現(xiàn)優(yōu)化，而現(xiàn)在國際上發(fā)展的狀態(tài)告訴我們，將來使用這樣的液壓系統(tǒng)之后，用戶使用一鍵就可以完成所有的電子控制的配置、初始化和參數(shù)設定，靠什么解決？未來的系統(tǒng)是這樣的，將來有三個控制器，通過一個網(wǎng)關跟網(wǎng)絡鏈接，由于有三個控制器，挖掘機的成本增加很高，雖然預期節(jié)能達到15%，挖掘機廠和客戶沒有得到太大的實惠。

有沒有辦法把技術發(fā)展了成本還要控制的相對現(xiàn)在的系統(tǒng)而要降低呢？這樣的VBO2的系統(tǒng)，隨著成本的提高，傳統(tǒng)的機械壓相比成本的增加遠遠低于機械壓系統(tǒng)，很多挖掘機公司做出這樣的系統(tǒng)，挖掘機精準度高了。上面是傳統(tǒng)的挖掘機、后面是智能挖掘機，同樣也提出的實際的工況，如果完成一個任務用傳統(tǒng)的方法需要5.6小時，用智能挖掘機2.1小時就完成了，挖掘機廠有信心了、用戶也高興了。

如何低成本的實現(xiàn)精準挖掘？

除此以外，整個的其他的機械控制，總體的叫未來進行動力流的控制，它的實現(xiàn)需要大量的電子控制、需要成本，IVT變速箱實現(xiàn)行走的智能化。這些用來做什么？動力流控制的目的是希望精準度提高，作業(yè)的精度提高同樣可以達到節(jié)能的目的，現(xiàn)在全世界在研究行走機械的時候對挖掘機、推土機鏟斗六個自由度的控制，通過這樣的概念可以讓行走機械發(fā)生很大的變化，實現(xiàn)很好的運動和軌跡控制，可以達到節(jié)能、高效的目的。

作業(yè)精準、位置精準、行走軌跡精準需要新的高度

有些挖掘機廠介紹，我們的系統(tǒng)可以有2D系統(tǒng)、可以做3D，用戶買一臺挖掘機用修坡的時間占多少，僅僅解決3D、2D是絕對不夠的?，F(xiàn)在國際上挖掘機是自動控制系統(tǒng)，過去是衛(wèi)星定位、軌跡定位。這里面提出一個問題，我們用了很好的定位系統(tǒng)，如果這樣的系統(tǒng)用了以后成本大大的提高就很難得到應用?，F(xiàn)在想到了一個好辦法，5G告訴了我們一個好辦法、未來的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中有一項技術“數(shù)字孿生”，數(shù)字孿生技術希望把未來復雜的控制解決云地同步的問題，云地同步是把復雜的定位系統(tǒng)、機群控制系統(tǒng)等等，把這些復雜的系統(tǒng)想辦法不擱在機器上算，因為這需要復雜的控制器，定位系統(tǒng)2D、3D只是做本機定位，未來需要和挖掘機被挖掘的對象進行3D定位，未來的定位系統(tǒng)非常復雜，只有有了比較寬域的定位系統(tǒng)挖掘機才能真正實現(xiàn)智能，顯然用這樣的控制系統(tǒng)是無法解決的，未來一個控制器未來通過網(wǎng)絡和云和端進行同步，然后把復雜的計算放在上面，機器只做執(zhí)行功能、第二斷網(wǎng)應急，這個時候挖掘機使用網(wǎng)絡控制就成為了可能。

上面有云、中間有霧、下面有端：未來的三層平臺

行走機械網(wǎng)絡的機構不能再簡單的談所謂的云平臺，因為云平臺、大數(shù)據(jù)的概念已經(jīng)過時了。未來我們可以考慮將來三層平臺，上面有云、中間有霧、下面有端，因為我們要解決跟我們最近的事情，用5G和互聯(lián)網(wǎng)是有可能的。

5G到底帶來了什么事情呢？5G確實帶來了很多的值得我們自豪也值得我們行走機械開始考慮的內容，最大的問題就是實時控制問題，對于工程機械要完成這些復雜的任務，沒有實時控制這是不可能進行的。5G最大的功勞是解決了實時控制問題，這樣的問題解決并不僅僅是因為用了5G，傳輸?shù)念l率、頻寬高了所以就可以通過信息多了。其實它做了很多工作，特別是中國的華為，在無線基站上、光纖通信和芯片上都做了大量實時通訊具體的工作，使得5G可以進行實時控制。

5G的一些參數(shù)，第一是延時性，5G可以一個毫秒，當做端控制的時候行走機械要求最少要十個毫秒才能滿足，霧平臺要求100毫秒。第二個是數(shù)據(jù)的量級的暴增，從4G的十個PPS達到20個G，這樣的數(shù)據(jù)完全可以把復雜工程機械所需要的數(shù)據(jù)進行及時的傳遞。5G解決了一系列的問題，比如如何保證實時的安全性、如何保證信息的網(wǎng)絡安全。最重要的問題是5G突破的，以前4G網(wǎng)絡，無線網(wǎng)絡是不能進ERP的，所以這是防火墻，未來的5G這些問題也解決了。

EDGE邊緣控制層

我個人觀點，網(wǎng)絡必須是基礎，4G不行必須是5G，第二接口是關鍵，用什么接口來保證安全性，第三標準化是核心、網(wǎng)絡智能化的實現(xiàn)是需要我們共同努力的。5G解決實時控制是網(wǎng)絡通信協(xié)議叫TSN，解決了4G無法解決的問題，4G也解決了AR，但是5G不能滿足信息控制的要求。任何通訊網(wǎng)絡都是七層協(xié)議，第二層是鏈路層，用什么方法聯(lián)絡各個節(jié)點，國際的標準是TSN，就是非常接近實時或者對時間非常敏感的網(wǎng)絡通訊協(xié)議，第七層協(xié)議是應用層，4G的時候叫OPS，5G加入統(tǒng)一構架，工程機械控制的各種信息，這些完全可以安全的通過5G系統(tǒng)進行傳送了，控制也就實現(xiàn)了。

中國的通信技術公司為推動5G發(fā)展做出了突出貢獻

可以實現(xiàn)非常好的低延時性，因此可以做閉環(huán)控制系統(tǒng)，時間同步是5G最大的功勞，特別是華為在這個問題上做出了貢獻，主要解決的問題是在網(wǎng)絡上各個點的時間同步問題，過去的時間同步4G沒有解決，說有納秒級的誤差，這個誤差會放棄很多信息，假如說信息放棄了控制系統(tǒng)也無法進行了，5G把這些問題也解決了，時間同步是5G很大的貢獻，也是華為很大的貢獻。

華為出了天罡的芯片，服務器上的芯片。工業(yè)界的出現(xiàn)了OPCUA這樣的應用協(xié)議，解決了一個機器，現(xiàn)在用一堆總線系統(tǒng)，這些信息是不是都傳遞到了另外一端呢？這是需要解決的。2015年歐盟統(tǒng)一組織下，以德國為主開始測試TSN+OPCUA這樣的協(xié)議能不能通過網(wǎng)絡傳遞到機器的點上，這個實驗在2017年完全通過了，通過實驗后的照片，其中網(wǎng)絡公司只有一家就是華為，愛立信是半年后，三星和其他的公司到現(xiàn)在還沒有通過OPCUE的通訊協(xié)議實驗。要求車間級的，可以做到500納秒，參加OPCUA的組織，我們所需要的機構，都已經(jīng)完全可以在構架中了，不需要再開發(fā)了。這樣一件事發(fā)起單位是OPCOA的工業(yè)發(fā)起單位，ABB、華為等等在2015年開始進行這項工作，到2017年跟華為完全通過了實驗，所以是完全可以進行工業(yè)化的。

中國也有這樣的機構，如OPC協(xié)會的成員，北京理工大學自動化學院。我們有若干個問題需要考慮，比如力士樂提出了看法，5G會達到非常好的實時性，還有一個概念叫連接點是每平方公里一百萬個連接點，這一百萬個連接點什么含義？現(xiàn)在要解決IOT要解決萬物互聯(lián)，讓每個傳感器都可以作為一個節(jié)點，在一個車間里就超過一百萬了，未來這是一個瓶頸，這個瓶頸在所有的企業(yè)中最可以不受這個瓶頸限制的就是行走機械，因為干活的地方很少有這么多其他的應用節(jié)點，中國網(wǎng)絡基站314萬個，基本上兩公里一個。

兩化融合是實現(xiàn)智能化的必要途徑

我們要走入智能化，我們必須解決兩化融合的問題，兩化的融合包括工業(yè)信息化，信息化和工業(yè)化兩個概念，要解決數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的概念。國外也有要求，國際上的要求是要解決OT和IT的融合，未來網(wǎng)絡上要把OT和IT結合在一起。

兩化融合

IT行業(yè)過熱，我不建議行走機械從IT入手，我建議趕快從OT入手，把網(wǎng)絡上給我們帶來的技術用好，比如說數(shù)字孿生、云平臺、物平臺和端平臺的概念，端平臺是個服務器，現(xiàn)在一個實時的操作系統(tǒng)不是微軟系統(tǒng)的，一個服務器20多萬，如果論投入就是一個網(wǎng)絡就可以控制我們的機器，未來搞的是垂直行業(yè)，以行走機械為主風險小，推動整個動力流，把行走機械迅速的建立相關的平臺。

行走機械的在線運營量300萬臺，如果交網(wǎng)費的話這個數(shù)據(jù)非?？捎^，實現(xiàn)的目的是高效、節(jié)能、精準、機群，要這樣做有一系列的基礎工作需要做。現(xiàn)在的液壓系統(tǒng)需要改變，包括元件電氣化、控制精準化、機器網(wǎng)絡化、軟件APP化、硬件芯片化、系統(tǒng)云算化，這樣的概念對中國的液壓行業(yè)都是陌生的，這些東西不實現(xiàn)的話有了網(wǎng)絡也沒有用，網(wǎng)絡來了中國是領先的，現(xiàn)在有了一個金飯豌，我們不能再拿著金飯豌去要飯了。

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