2024 5G与工业自动化融合应用研究报告

中国工业互联网研究院西门子(中国)有限公司 2024年4月 声明 本研究报告所有内容的知识产权归中国工业互联网研究院和西门子(中国)有限公司共同所有，并受法律保护。任何单位和个人未经中国工业互联网研究院和西门子(中国)有限公司共同授权，不得使用或转载本报告中的任何部分。违反上述声明者，中国工业互联网研究院和西门子(中国)有限公司将追究其相关法律责任。 前言 当前，数字化浪潮已成为变革性力量，深化IT、CT与OT融合是全球数字化技术发展的大趋势。需要充分发挥新一代信息通信技术对制造业数字化转型的创新驱动作用，加快推进新型工业化。 工业是5G应用的主战场。自2019年5G规模商用以来，我国通过政策引导、建设指引、试点示范等措施，持续推进5G在各行业的应用，全国范围内“5G+工业互联网”项目成规模化发展态势。欧美各工业强国通过制定政策、成立联盟、分配工业专用频段等方式，加快推动5G工业应用。5G工业应用已成为国内外工业企业推动数字化转型、建设智能工厂的重要抓手。 5G为工业控制系统提供新的通信方式。当前，5G工业应用已从生产外围辅助环节逐步深入至生产核心控制环节。工业自动化厂商、运营商、ICT厂商等均积极探索实践5G与工业自动化融合应用的新技术、新产品、融合网络架构、应用方案等。为加快推动5G在工业自动化领域的规模化应用，中国工业互联网研究院、西门子(中国)有限公司联合编写《5G与工业自动化融合应用研究报告》（以下简称《研究报告》）。 研究报告重点梳理了5G与工业自动化融合应用的需求、组网架构，展示了5G在移动机器人、AGV、远程控制和工业控制器 间实时通信中应用的解决方案，从终端、技术、网管三个方面总结了5G与工业自动化融合应用挑战，并对5G与工业自动化融合应用的未来发展方向进行了展望。 希望研究报告将为我国5G在工业自动化领域应用中技术攻关、产品研发和应用实施提供参考。 编写组 中国工业互联网研究院： 朱浩张玉良历明宋欣桐马新翔王辰菲 西门子(中国)有限公司： 张兆中王加雷李卉琳张哲李颖 目录 一、国内外5G工业应用情况..................................................................1 （一）我国5G工业应用情况................................................................1（二）国外5G工业应用情况................................................................2 （一）5G促进生产方式变革及工业自动化技术发展..........................5（二）工业自动化对5G网络的需求.....................................................61.5G网络产品要满足工业产品特性要求............................................62.5G网络的可靠性是在工业环境中应用的核心要求........................63.低抖动是低时延需求的关键参数....................................................64.5G需要承载工业以太网通信协议...................................................75.5G网络需要提供故障诊断接口.......................................................86.5G网络安全需要融入工业自动化网络纵深防御中........................8 三、5G工业应用组网方式.......................................................................9 （一）组网架构......................................................................................9（二）组网模式....................................................................................101.虚拟专网.........................................................................................102.混合组网.........................................................................................113.独立专网.........................................................................................13（三）5G专网部署的5G版本情况.....................................................14四、5G与工业自动化融合应用典型案例..............................................15 （一）5G在移动机器人和AGV中的应用.........................................15 1.应用场景.........................................................................................152.解决方案.........................................................................................17（二）5G在远程控制中的应用...........................................................181.应用场景.........................................................................................182.解决方案.........................................................................................19（三）5G在工业控制器间实时通信中的应用....................................201.应用场景.........................................................................................202.解决方案.........................................................................................21（四）5G在运动控制中的应用...........................................................221.应用场景.........................................................................................222.5G现有版本还不能满足运动控制应用要求..................................23五、5G与工业自动化融合应用挑战......................................................24（一）工业自动化低时延场景5G终端种类不够丰富.......................24（二）网络确定性与高实时性不足.....................................................24（三）网络管理困难.............................................................................25六、5G与工业自动化融合应用发展展望..............................................26（一）丰富工业自动化低时延场景5G终端种类...............................26（二）攻关工业5G确定性和高实时网络技术...................................26（三）建设工业网络综合管理平台.....................................................26 一、国内外5G工业应用情况 5G通信网络为工业控制系统提供新的通信方式。传统应用于工业控制系统中的工业网络技术主要是工业以太网和现场总线。随着生产线的柔性化发展，工业通信的无线化需求日益增加。5G的低时延、高可靠特性为工业控制系统适应更加灵活生产方式的变革提供了可能。5G网络可为生产现场中PLC、HMI等控制设备之间，及控制中心SCADA与现场控制设备之间提供数据传输通道。我国及欧美工业强国根据本国实际情况，采取系列措施推动5G在工业的应用。 （一）我国5G工业应用情况 自2019年5G规模商用以来，我国通过政策引导5G行业应用持续深化。工业和信息化部在2019年印发《“5G+工业互联网”512工程推进方案》，2021年分两批共发布20个典型应用场景和10个重点行业实践案例，2022年发布《5G全连接工厂建设指南》。系列政策为开展5G工厂建设提供了指导，推动“5G+工业互联网”由起步探索阶段迈向深耕细作、规模化发展的关键阶段。 当前，5G在工业领域的应用已从生产外围辅助环节逐步深入至生产核心控制环节。目前，飞机、船舶、汽车、电子、采矿等主要产业已开展“5G+工业互联网”创新实践，形成远程设备操控、机器视觉质检、无人智能巡检等一批典型应用， 我国“5G+工业互联网”建设项目数超过10000个，对企业降本、提质、增效的支撑重要作用不断显现。2021年至2023年，5G工厂连续三年作为工业互联网试点示范项目，共遴选83家。 目前从国内5G专网总体应用情况来看，部署方式以虚拟专网和混合专网方案为主，可满足对实时性要求相对不高的工厂应用需求。 （二）国外5G工业应用情况 欧美各国通过制定政策、成立联盟、分配工业专用频段等方式，加快推动5G工业应用。 2017年德国开始实施“5G Strategy for Germany”战略，推进5G在德国的应用，尤其在工业领域，以西门子、博世为代表的工业企业积极推进5G服务工业的应用研究与实践。2018年欧盟成立了5G-ACIA联盟，推动5G工厂建设。2018年以来欧盟各国电信运营商纷纷与制造企业合作开展5G应用探索。2019年，爱立信在伍斯特郡建设了英国第一个5G工厂，探索使用5G进行预测性维护、机器维护远程指导等应用。 2018年以来美国电信运营商加快了5G与制造业融合应用的实践。2018年，美国电信运营商AT&T与三星电子在德克萨斯州打造了美国第一个专注于5G在制造业应用的创新区，促进制造业工厂转型升级。2021年美国实施“NationalStrategytoSecure5GImplementationPlan”，通过建设5G 系统设备制造基地，面向工业界提供5G测试床等措施，加快5G技术研发，满足行业应用