都晨辉：5G确定性网络使能5G融入生产
5G确定性网络使能5G融入生产中国移动研究院 都晨辉2022.12 5G融入生产是实现5G全连接工厂的重要攻关方向5G+工业互联网，已在产业层、企业层、边缘层打造典型应用，面向5G全连接工厂的愿景，全面打通人、机、料、法、环、测等要素及生产环节、业务流程，还需5G向融入生产迈进，深入到实施框架的设备层安全质检高清安防数据采集远程辅助智能巡检智慧物流AR运维无人矿卡AI质检辅助生产应用场景工业互联网网络实施框架 源自：工业互联网体系架构（版本2.0）-AIIIT域OT域产业层边缘层企业层设备层高可靠高安全高融合生产控制网络边缘设备接入工业数据采集控制信息传输智能机器专用设备仪器仪表成套设备PLC/CNCSCADA/DCSMESCAXERPPLM高可靠全覆盖大带宽企业与园区网络敏捷网络管理无线网络覆盖云边协同设施企业1企业2企业N公有云/私有云/数据服务高质量专线连接出口网络设备网络控制器高可靠低时延大带宽国家骨干网络软件定义资源预留网络切片普通互联网连接智能工业产品SDN网络设备网络控制器园区无线网络（5G/WiFi6）私有云/数据服务器园区网络设备TSN交换机边缘网关工业总线模块工业以太网模块TSN模块蜂窝网络模块无线网络模块园区无线网络（5G/WiFi6/WIA）工业以太交换机RTU5G5G5G工厂外网确定性网络设备确定性网络设备SCMCAXERPPLM工厂内网2 5G融入生产旨在推动工业控制系统的5G化改造根据产业的成熟度以及工业生产无线化层次要求的不同，打造“5G确定性工业生产网”，通过三种模式满足MES、HMI等IT系统的通信需求，以及SCADA、PLC甚至机器设备伺服/IO等OT系统间的通信需求3模式一：无线数采SCADA/HMI/上位机现场总线5G主PLC工业视觉传感器电机等机器设备SCADA/HMI/上位机现场总线5G现场总线5G5G工业UPF、工业边缘平台虚拟化PLCSCADA/HMI主PLC从PLC5G工业网关工业视觉传感器电机等机器设备工业视觉传感器电机等机器设备模式二：远程控制模式三：云化控制 5G融入生产尚面临三大挑战5G融入生产，首先需要克服与存量工业生产控制网络的“组网融通”难题，其次要满足生产控制的”确定可靠”能力要求，最后还需要实现“算网一体”达成数据和信息在各要素、各系统间的高效传递和高性能处理4•协议多样化："七国八制"工控协议•网络多连接：多样性存量网络互联•环网多层级：多组多层级环网并行•确定性时延：实时、精准的指令下发•确定性可靠：稳定、高质的指令投递•确定性安全：融合、保密的生产系统•实时性算力：统一、实时的算力底座•算网一体化：高效、灵活的应用融合 5G确定性工业生产网助力5G融入生产5中国移动积极推进5G融入生产，构建“5G确定性工业生产网”四层架构，打通5G网络与工业生产网跨域融合通路，锻造确定可靠服务保障能力，提供算网一体化的基础设施底座。 5G确定性工业生产网测试床目标及计划促进5G网络技术成熟5G技术验证商用方案催熟，成果固化解决方案孵化协同产业链健壮发展产业能力适配测试床平台迭代技术认证，测试床自演进62022年2023年2024年•合作伙伴征集，实验室搭建测试床筹建•OICT多域能力协同，初探融入生产关键能力一期：融入生产关键能力验证•聚焦典型场景，构建示范案例融入生产产线验证•上下游产业链路标迭代，营建改变生产能力演进二期：改变生产关键能力验证 5G确定性工业生产网测试床成果简介75G厂商CT终端OT厂商IT交换机仪表厂商中兴高通/宏电/中兴罗克韦尔/三菱电机MOXA/H3C/航天新通思博伦5G核心网基站天线5G传输网设备基站 BBU基站 AAU高通5G TSN CPE宏电5G LAN单模CPE宏电5G LAN双模CPE中兴DS-TT中兴TUE运动控制、安全、普通冗余PLC伺服驱动器和伺服电机安全远程IO普通远程IO时钟测试仪IP流量测试仪干扰仪H3C、MOXA、航天新通TSN交换机IE Field测试平台 测试床关键成果-实时I/O通信8构建5G LAN二层组网环境，结合组播通信和PRP冗余传输机制，验证实时I/O通信四大场景，可满足离散制造(家电、包装)、流程制造(化工、水务、冶金等)中基础实时I/O通信需求化工生产水务监测冶金炼化5G LAN 2UPF5GCUEI/OPLC5G LAN二层组网I/OPLC5G LAN 1UPF5GCUE主PLC5G LAN组播通信I/O备PLC查询器UPF5GCUEPLC5G LAN+PRP冗余传输I/OUEPRP交换机支持PRPLAN ALAN B满足通过5G现场I/O设备与PLC之间LAN内通信，以及多LAN通信的需求满足主备PLC冗余部署时，I/O通过IGMP组网通信向主备PLC发送数据的通信需求提升5G通信可靠性满足替代有线环网、有线AB网通信的需求单无线实时I/O通信双无线实时I/O通信冗余PLC与实时I/O通信PRP冗余传输实时I/O通信测试场景关键技术应用场景 测试床关键成果-机器安全控制9测试床采用DS帧结构、上行周期预调度、高优先级5QI调度等技术，优化安全控制场景的时延指标经验证可以满足安全继电器、急停控制、光幕检测等机器安全控制场景的应用安全继电器急停控制光幕监测Fronthaul-IIUPFAMFPCFNRF...UDMSMFCUDUAAU(2.6G/4.9G)Fronthaul-ISPNUE5GS5G Grand MasterH3C IE4320MOXA G503PRPH3C IE4320PRP远程安全IODS帧结构高优先级5QI调度上行周期预调度关键技术应用场景 测试床关键成果-运动控制输送分拣装配灌装UPFNW-TTPLCUEDS-TTI/OUEDS-TTI/OTSN AFTSCTSF802.1 AS/1588 V2802.1 AS/1588 V25G GMUEUPFTSN交换机TSN交换机NW-TTDS-TTCUCTSN AF5G TSN网桥CNCØ时间同步精度<1usØ平均同步精度 300nsØ时延抖动 < 100us多协议时钟同步TSN确定性时延通信I/OUERANRANUPFDNAMFSMFØ4.9G，DS帧结构Ø双向时延 < 10ms@99.99%双向时延<10ms @99.999%高可靠冗余传输UE交换机交换机低时延通信UEUPF工业交换机工业交换机4.9G，DS帧结构依托多协议时间同步、TSN、低时延、冗余传输四大关键技术，面向运动控制五大测试场景，经验证可满足输送、分拣、装配、灌装等典型场景的运动控制通信需求单PLC控制单伺服电机单PLC多伺服电机轴同步多LAN多PLC组网单LAN多PLC组网多业务流混合组网测试场景关键技术应用场景 海尔洗衣机产线的痛点滚筒洗衣机产线需要完成洗衣机缸体的翻转、托举、夹抱等动作，将导致拖链电缆的折损，进而影响主/从PLC之间的通信稳定性，致使整个产线停机检修主控PLC从PLCØ一个厂房约有10条产线Ø每条产线有200~300个从PLCØ产线上主/从PLC之间采用串行连接Ø20%的从PLC属于拖链系统 5G融入洗衣机产线的试点应用联合海尔、华为共同打造洗衣机产线拖链系统5G化解决方案，整合5G LAN、原生双发选收、低时延和动态QoS四大技术方案，助力洗衣机产线的顺利剪辫子，解决刚需问题ØProfinet协议的原生承载与直连通信 @ 5G-LANØ满足产线连续生产的99.99%可靠性 @ 原生双发选收Ø满足主/从PLC通信时延<16ms要求 @ 低时延Ø满足5G在产线一网多用及差异保障 @ 动态QoS 5G确定性生产网产业展望•统一标准、产业架构和技术发展路线•针对性技术攻关、标准制定和业务模板设计，OICT技术融合融通以用促研以终为始由点及面•协同上下游能力衔接，对齐产品路标•构建测试床助力能力贯通，推动新技术新产品迭代演进•培育创新应用，树立产业信心•聚焦典型场景，打造标杆工程，从样板房到商品房，促进产业生态繁荣13 中国移动研究院中移智库
