5G确定性工业生产网白皮书

5GDNA中国移动China Mobile中国移动5G确定性工业生产网白皮书SGONACAICTCMR!AoralloAHTEURSH美石智数S&HUAWEIZTE中兴ERICSSONHBCinspurEDIATERVXOWOspirent光光晨镜东信北邮脆天新通水中徽善业IKD特品烽台科技 前言工业是立国之本，强国之基。近年来，我国高度重视“5G+工业互联网”的融合发展，国家相关部委相继出台《“5G+工业互联网”512工程推进方案》《“十四五”信息通信行业发展规划》等一系列政策和规划，奠定了“5G+工业互联网”的发展基调。5G具备大带宽、低时延、广覆盖等特性，能够冲破传统有线和无线技术的栓，助力和加速行业客户数字化、网络化、智能化融合升级，更为制造、电力、钢铁等工业企业的转型发展注入了新动能、带来了新机遇。“5G+工业互联网”已成为新一轮科技革命和产业变革的中坚力量。自前，“5G+工业互联网”正持续走深向实，从5G辅助生产向5G融入生产快速迈进。中国移动围绕5G融入工业生产的愿景，编制了本白皮书，首先对5G融入工业生产的挑战进行分析，提出了以“跨域融合、确定可靠、算网一体”为核心理念的“5G确定性工业生产网”体系架构，并梳理形成三大类22项关键技术；其次，结合端到端产业的成熟情况，规划明确了面向目标架构的演进步骤和技术实施路径；最后，展示了当前中国移动联合产业合作伙伴在5G融入工业生产环节探索和实践的初步成果。依托本白皮书，中国移动希望联合OT、IT、CT的各方合作伙伴共司推动5G网络确定性服务能力提升，“以用促研、以终为始、由点及面”打通5G与工业生产网络的融合桥梁，助力5G和工业生产“技术融合、产品演进、生态繁荣”的愿景早日达成。 ®8 5G+工业互联网概述0101025G融入工业生产的挑战042.15G融入生产的组网融通挑战052.1.1多样化工业协议兼容适配052.1.2多模态接入制式融合052.1.3多层级工业生产环网简化052.1.4挑战示例：闭环控制05Contents2.2生产控制对5G确定性能力的挑战062.2.1时延抖动确定性062.2.2数据通信可靠性062.2.3异构融合安全性062.2.4挑战示例：滑环控制062.3工业控制算力的算网一体化挑战082.3.1工业控制算网整合统一082.3.2基于5G实现实时性调度08035G确定性工业生产网的体系架构093.15G嵌入工业生产环节的主要模式103.25G确定性工业生产网的网络架构113.35G确定性工业生产网的技术体系12045G确定性工业生产网关键技术134.15G确定性工业生产网的组网融合技术144.1.1OT域组网融合144.1.2IT+OT-网融合154.25G确定性工业生产网的性能保障技术184.2.1确定性时延保障184.2.2高精度时间同步204.2.3确定性可靠保障214.2.4确定性安全保障234.35G确定性工业生产网的算网一体服务技术244.3.1实时算力构建技术244.3.2算网一体化方案25 5G确定性工业生产网的演进步骤05275.1阶段一：辅助生产295.2阶段二：融入生产295.3阶段三：改变生产30065G确定性工业生产网探索与实践316.1运动控制326.1.1应用场景与需求326.1.2方案架构及应用效果326.2DTU配电自动化336.2.1应用场景与需求336.2.2方案架构及应用效果346.3智能仓储物流356.3.1应用场景与需求356.3.2方案架构及应用效果366.4全连接工厂366.4.1应用场景与需求366.4.2方案架构及应用效果376.5基于虚拟化PLC的柔性产线386.5.1应用场景与需求386.5.2方案架构及应用效果38075G确定性工业生产网展望39缩略语列表41联合编制单位43参考文献44 5G+工业01互联网概述 工业互联网是重塑工业生产制造和服务体系、实现产业数字化转型升级的重要基础设施。5G作为通信服务的重要能力，是工业互联网的重要载体之一，为工业的高效发展注入了新的动能。2015年，国务院印发《中国制造2025》，指出需要加强工业互联网基础设施建设规划与布局，建设低时延、高可靠、广覆盖的工业互联网。2017年，《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》正式印发，成为我国工业互联网的纲领性文件。随着2019年5G商用牌照的正式发放，工信部、发改委等部门及各地方政府也陆续出台《“5G+工业互联网”512工程推进方案》、《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》、《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》等政策规划，引导并助推5G、工业互联网等新型基础设施的快速建设，进而驱动经济社会数字化转型的高速、高质发展。[1]()高可靠产业层低时诞5G大带席工厂外网国家骨干网络企业1企业2企业3普通互联网连高质量专线连接智能工业产品软件定义资源预留网络切片高可靠企业层全覆盖CAXPLMERPSCM网络控制器大带宽私有云/数握服务5G国区网结设备企业与园区网络MES云边协同设施西区光河款捷网络管理：无线网络覆盖角定住网终设带GWiFib边缘层高可靠内网高安全SCADA/DCS网络控制器TSN交换机工业欧太交换机RTU5G高融合边缘网关生产控制网络GMEISWA边续设备接入PLC/CNC工业总线模块设备层工业以太润工业数据采集控制信息传输智能机器专用设备成套设备仪器仪表图1工业互联网网络实施框架为落实国家关于“5G+工业互联网”的相关规划，标准组织和产业上下游企业积极响应号召，特设任务组”，旨在推动工业互联网标准体系的构建，2016年由工业、信息通信业、互联网等领域百余家单位共同发起成立工业互联网产业联盟AI，旨在推动产学研用协同发展。工业互联网产业联5G确定性工业生产网白皮书 盟发布了《工业互联网体系架构（版本2.0）》，提出了包含5G的工业互联网网络实施框架，明晰了“5G+工业互联网”的“鸟瞰图”，定义了产业层、企业层、边缘层、设备层四层架构，明确工业互联网核心功能在制造系统各层级的功能分布、系统设计与部署方式，为“5G+工业互联网”的发展给予方向性指引。当前，5G已经在工业互联网网络实施框架的产业层、企业层、边缘层得到了初步应用，截至2022年一季度，全国“5G+工业互联网”的在建项自总数达到了24003个。“5G+工业互联网”已成为助推工业向数字化、网络化、智能化转型升级的重要力量4。随着“5G+工业互联网”工作的走深向实，以及工业生产控制环节数字化转型的深入，工业生产也对5G提出进一步的要求，期望5G能够深入到工业互联网网络实施框架的设备层，助力工业互联网实现三个方面的演进发展：首先，实现设备层的5G化连接，提供端到端便捷无线接入，简化生产网络的布线与组网，助力柔性生产的实施；其次，提供更高的确定性、可靠性、安全性能力，实现生产过程的5G化，进而满足产业层、企业层、边缘层、设备层的5G一网直达，助力5G对人、机、料、法、环全流程的服务；第三，提供更便捷的算网融合服务，从单点生产到多域融合，支持工业软件的部署并实现算力和网络的集中控制，助力工业控制的数字化和智能化服务5G确定性工业生产网白皮书3 00000025G融入工业生产的挑战 2.15G融入生产的组网融通挑战工业生产控制网络经过数十年的沉淀与发展，已经形成了“协议多样化”、“制式多模态”、“环网多层次”的网络现状。5G与存量工业生产控制网络的共存、融合以及互联互通是融入工业生产网络的首要难题。2.1.1多样化工业协议兼容适配自前的工业生产网络基本采用工业以太、工业总线等类型的工控协议，因所选用设备商以及服务层级的不同，存在着“七国八制”的现状。因此在现有工业生产网络中引入5G，首先需要解决的问题是确保新建5G可以兼容适配不同的工控协议，与存量网络进行互通互联。√2.1.2多模态接入制式融合当前部分工业生产网络已经引入WiFi、Bluetooth（蓝牙）、ZigBee、UWB（UltraWideBand，超宽带）等接入制式满足定制化的无线通信需求，5G的加入将使接入方式更加多样。因此需要考虑如何利用5G高效的整合多种接入制式，形成统一的纳管和服务体系以提升多制式终端的管理水平。2.1.3多层级工业生产环网简化当前工业生产网络中，一套完整的生产系统会由多组、多层级的生产控制环网组成，例如生产加工控制环网、产品组装控制环网、产品质检控制环网、产品物流控制环网等。为实现多环网的高效协同，工业生产网络也在寻求归一化的管理简化方案，能否实现工业生产多层级环网的融合统一和分域管理，是5G融入工业生产的新课题和新挑战。2.1.4挑战示例：闭环控制如图2所示，在闭环控制系统中，PLC（ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器）通过周期性地向伺服驱动器发送运动指令来驱动电机有序转动，同时通过采集传感器实时监测的运动结果，PLC可以实时了解运动执行情况，并及时纠偏，实现对机器的闭环控制，以及实时的高精度运动控制5。5G确定性工业生产网白皮书5 WPLC周期性向驱动器驱动器将运动控制指令编码器采集电机速率，PLC组态编程下发运动指令转换为电流控制位置等运动数据闭环控制编码器运动结果数据回传给PLC运动数据回传给驱动器PLC调整下发新的运动指令PLC运动控制器伺服驱动器伺服电机图2闭环控制系统示意图在实际的生产过程中，复杂的闭环控制系统，需要协调多个伺服电机完成同步协作，甚至需要采集多重数据（包括电机运转数据、环境数据、生产调度数据）综合进行控制指令的调整。5G在接信协议；二是对于采集数据的不同通信模式，也需要进行统一纳管。2.2生产控制对5G确定性能力的挑战工业生产网络是驱动机械设备运转进行生产制造的网络，网络的“通信质量”与“通信精度”等确定性能力，直接影响着生产品质以及生产安全。5G融入生产替代现有通信模式的基本前提就是要满足确定性、可靠性和安全性等方面的要求。2.2.1时延抖动确定性工业生产网络的通信模式主要涉及确定性周期通信、确定性非周期通信、非确定性通信和混合模式四大类。除了非确定性通信以外的其他三类通信模式对指令的时延和抖动均有严格要求，如果无法在确定性时间完成指令的下发与执行，可能造成产品良率及生产效率下降。此外，在多产线协同工作时，还要求步调一致。因此5G在服务工业生产网络的此类通信场景时，一方面需支持高精度时间同步能力，另一方面还需攻克时延抖动确定性的服务难题。5G确定性工业生产网白皮书 2.2.2数据通信可靠性通信系统是工业生产设备之间的桥梁，必须保持通讯系统的稳定，确保控制指令的准确接收，才能实现工业生产设备的稳定运行。首先，5G通信系统应具备系统级可靠性以及节点级可靠性，避免因为通信设备的故障或者异常导致停工停产；其次，在数据通信过程中，5G网络应尽可能的降低因系统扰动以及环境扰动而带来的数据丢包、乱序等问题，避免因数据包传输稳定度的变化导致的生产速率降低或生产质量降低等风险。√2.2.3异构融合安全性当前工业生产网络中，工业系统安全保障模式自成体系，并且相对封闭，主要是基于本地安全漏洞扫描和工业网络的安全隔离实现。5G融入工业生产，将打开工业生产网络相对封闭的环境，因此需要重新考虑和规划工业生产网络管理域、生产域、多个不同生产子域间的数据保密及隔离，同时5G自身的安全能力也需要符合工业生产网络要求。2.2.4挑战示例：滑环控制如图3所示，滑环控制系统的机械传动装置分为转子和定子两个部件。通常PLC控制系统都是连接到定子部分，如需要控制转子上的设备运动以及采集转子设备上的传感数据信息，则需要依赖滑环的接触性滑动，完成转子与定子之间的数据连接和传递。工业以大现场总协议旋转部件上的IO设备旋转部件上的IO设备工太的设5GCPE连接牌点润环通信装置5GPLC控制器电机转子带动电机转子带式旋专部件工作旋转部件工作PLC控制器5GCPE电机定子电机定子服电机伺服驱动器伺服电机伺服驱动器5G替代滑环通信现有滑环通信机制5G实现运动控制通信图3滑环控制