5G PLC 深度融合解决方案白皮书摘要 - 施耐德电气

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1、5G+ 工业互联网产业发展现状

工业互联网是第四次工业革命的重要基石，5G的高速率、低时延和大连接三大新特性与工 业互联网无线网络需求十分契合，是工业互联网的关键使能技术。5G作为新一代信息通信技术 的重要演进方向，在各领域的应用落地成为商用发展的关键环节，工业互联网的垂直行业为5G 提供了广阔的市场空间。5G与工业互联网融合创新有利于我国5G技术优势与工业需求的融合发 展，目前已成为产业界探索的重要方向。“5G+工业互联网”是指利用以5G为代表的新一代信息 通信技术，构建与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态。通过以5G为代表 的新一代信息技术对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制 造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了新的实现途径，助力企业 实现降本、提质、增效、绿色、安全发展。“5G+工业互联网” 涉及面广、参与主体多、资源投 入大，覆盖 5G 网络建设、工业互联网基础设施建设、融合产品开发、行业应用落地等方方面 面，其融合创新发展需要产业界持续探索和推进。

(1) 国家层面

2019年工业和信息化部出台《“5G+工业互联网” 512工程推进方案》，对5G在工业领域的 应用进行系统谋划、统筹部署，充分调动各地方积极性，组织产业各方发挥优势打“团体赛”， 推动 “5G+工业互联网” 融合创新发展；2021年分两批发布 “5G+工业互联网” 十大重点行业、 二十个典型应用场景，为各地区、产业各界提供实践示范。2022年发布《5G全连接工厂建设指 南》，推动 5G由生产外围辅助环节向核心控制环节深化拓展。一系列的指引性政策文件，为全 国各地、产业各界推动 “5G+工业互联网” 发展提供参考。

(2) 地方层面

各地积极开展 “5G+工业互联网” 融合应用先导区建设。湖南省、江苏省、湖北省、四川省 等地出台政策加强支持，集中探索建网模式、先导应用、商业模式等特色路径。在 5G 网络全覆 盖基础上，实现工业核心区域和典型场景探索区内的 5G 室分系统建设和高密度、高质量 5G 网 络覆盖，以满足超大带宽、超高可靠性等工业 5G 网络需求。在应用和创新层面，针对区内特色 产业、重点优势产业、战略新兴产业开展“5G+工业互联网”应用探索，并在新产线上应用新模 式。加快培育相关技术产品和解决方案，逐步推进“5G+ 工业互联网”供应链培育。

(3) 标准层面

当前 “5G+工业互联网” 的产业应用正处于探索初期，迫切需要推进标准化工作，以夯实其 发展基础。技术产业化和标准化需覆盖融合关键技术、产品、管理和应用等方面，涉及网络、 终端、安全、应用等内容，需要建立统一、综合、开放的 “5G+工业互联网” 融合标准体系。 为了加速推进，工业互联网产业联盟（AII）及中国通信标准化协会（CCSA）在2020年5月组 织了 “5G+工业互联网” 标准立项工作，并启动了面向航空、矿山、港口、高端装备、电网、钢 铁、工业园区、水泥等领域的首批 “ 5G+工业互联网” 应用场景、技术要求和技术标准的研制。 截至目前，已有12项工业互联网产业联盟标准立项，其中6项已同步在中国通信标准化协会工业互联网技术委员会（CCSA TC13）立项研制。

(4) 产业技术层面

随 着 5G+ 工业互联网发展不断提速，产业各方积极开展相关实践。一方面基础电信企业与工业企业合作开展企业内网改造，推动 5 G 虚拟专网、混合专网等在重点行业、企业加速部署，充分利用 5 G 网络资源提升专网服务水平，促进 5 G 网络与其他网络融合应用，提升工业现场“哑设备”网络连接和数据互通能力。另一方面，基础电信企业发挥主体作用，培育发展新型业态，与钢铁、石化、电力等企业合作，优化流程工艺，大幅减少碳排放；与电子设备、装备制造等企业合作，促进协同研发设计，灵活调配产能，缩短物料库存周期；与采矿企业合作，打造快速感知与实时监测、优化超前预警和应急处置，促进矿山安全生产。同时，基础电信企业、工业企业、设备供应商、重点高校及科研院所合作共建产业生态，加快探索基于 5G+ 边缘计算的云化 PLC，开展工业级 5 G芯片、模组、网关等的研发与产业化，挖掘企业应用需求，推动工业自动化技术产业更新换代。

2、5G+PLC在离散制造业的应用背景

2.1 离散制造业特点

按照产品制造工艺过程特点，制造业可分为离散制造、流程制造和混合制造。离散制造的产 品往往由多个零件经过一系列不连续的工序加工装配而成，即产品的生产工序分解成多个加工任 务，由不同的生产设备来完成，典型的离散制造包括机械、装备、汽车、3C 电子等。 离散制造过程中，具有以下三个生产特点：

其一：生产过程中工艺与设备的柔性调整。离散制造的工艺段与工艺段之间相互独立，分别 由独立的设备进行制造。生产过程中，通常会因为生产产品的变更需要进行产线工艺的调整。 同时，这种分段式工艺也给生产过程中根据不同的需求定制化生产，或是生产同系列产品时进行 设备的临时变动带来了可能。离散制造行业中，为了更好服务于个性化和快速升级迭代的客户需 求，面向机械、装备、工业用品等行业客户的产品制造，大量存在多品种小批量的生产模式，在 这个过程中，节能减排，安全高效和灵活柔性是大多数企业追逐的目标，柔性产线的设计也应运 而生。此外，通过保留通用工艺设备站，仅对差异化工艺站进行设备替换，可以有效提高设备的 使用效率，降低设备采购的投资成本。

其二：OT 与 IT 网络的紧密结合。与流程制造中企业的生产效率主要依赖生产设备的产能有 所不同，离散制造需要通过生产管理软件的协同进行加工要素的配置优化，也就是精益化生产。 在这个意义上，离散制造企业更加需要通过 OT 与 IT 的融合网络来实现现场生产要素数据到企业 管理侧数据的流通和共享。

其三：新型融合的工业自动化体系。传统工业生产是基于 ISA-95 定义的五层工业自动化 体系架构，即企业层、管理层、操作层、控制层、现场层，这种多层次化的网络架构，一方 面导致上层的IT网络无法快速高效的触及现场生产系统，大量生产数据消失在工业控制层中， 企业的数据资产在无形中流失，另一方面，复杂的组网架构、不断增加的设备接入需求也对 企业IT工作人员带来了大量组网配置负担，这在离散制造企业尤为明显。随着工业数字化深入 发展，工业3.0时代基于ISA-95的五层工业自动化体系架构正向工业4.0时代的端边云三层架 构发展。MES、SCADA、ERP在边缘计算节点或工业云上协同部署正成为业界趋势。展望未 来，PLC 基于功能和实时性逐渐分化为集中化/虚拟化 PLC 和分布式控制节点（DCN），集中 化/虚拟化 PLC 部署在本地边缘侧，而分布式控制单元部署在现场侧与现场设备融合形成智能化设备。这种架构要求设备端与边缘计算节点之间的网络通信具备提供大带宽、低时延以及时延确 定性的能力，从而保证工业应用的数据采集和控制的业务要求。

2.2 5G 应用于离散制造的优势

在柔性生产方面，无线网络是设备快速可移动与灵活调整的刚需。5G 网络低时延、高可 靠、强安全的特性可支持柔性生产场景下 OT 网络通信的无线化诉求。集中化的 PLC与运动控制 器、变频器、伺服、远程 I/O 等通过 5G 网络进行连接，可大幅提升网络部署的效率，降低布线 成本和复杂性，从而更便捷地实现生产设备、生产线根据生产订单进行灵活重组，满足定制化产品生产过程中快速换线的需求。

在扁平化网络架构方面，5G 使能各类工业生产设备进行扁平化通信，原有基于5层网络架 构部署的工业设备与系统之间均可通过 5G 网络实现数据流的打通，不再需要复杂的组网配置以及有线网关间端口的绑定与映射。5G 网络天然提供全域一张网的能力，结合 5G LAN 特性的二层接入能力、5G 网络切片对网络资源的灵活调配，完美契合离散制造企业 OT 网络与 IT 网络扁平化融合的发展趋势。

云化PLC，分布式控制，标准工作站和治具快速更换能力是未来产线设计的一种方向。5G网络给传统的产线设计及生产方式乃至于控制方式都带来了极大的变革，使得柔性化生产等理念变得可实现。

2.3 5G深入工业内网， 赋能PLC南向控制领域

历经 3GPP R15、R16、R17三个版本，5G技术正不断迭代，以更好的满足行业应用需求。 5G LAN、5G切片、高精度授时等技术及配套产业链也逐渐成熟。5Gww行业应用在中国规模发 展，据工信部统计数据，5G应用已融入了制造、港口、金融、钢铁、电网、医疗、教育、轨交 等97个国民经济大类中的60个，5G行业虚拟专网已超过1.6万个，给制造业生产模式和生产形态 带来了深刻改变。

虽然5 G在工业领域的应用正逐年增加，但应用的深度仍有待扩展。目前，在工厂网络中，5G 更为广泛的应用于ERP/MES/SCADA 层级，更加深入的 PLC 控制领域，包括逻辑控制，过程控制、运动控制等仍鲜有涉及。随着 5G 技术的不断演进，R16 关键特性的引入，5G 可靠的低时延能力使得 5G 使能 PLC控制领域，即支持 PLC南向通信渐成为了可能。全新的通信技术在和工业控制架构深入融合时，所产生的“水土不服”等问题也不容忽视。其一是CT和OT的性能标准的不一致性。服务于消费者领域，通常以平均时延作为5G网络的性能指标，但工业领域却更加关注时延的稳定性。其二，相比于设备有线直连的极低时延，基于5G无线网络的设备接入会带来生产效率上的损失，如何客观判断、权衡价值和损失是深入融合时需要考虑的因素。其三，网络的不稳定性会给部分机械运动设备带来安全隐患，而生产安全是工业制造的第一要务，如何解决在控制系统领域引入5G带来的安全性风险也是需要考虑的因素。这些问题都依赖于工业企业、通信企业和基础电信企业的相互配合，共同完善彼此兼容的方式，设计新的电气/机械安全架构，产线设计工具和配套方案。

本白皮书旨在从工业产线初期分析调研开始，至全面落地进行生产为终，提供一个全面的5G+PLC 深度融合的工业产线的解决方案。其中涉及到产线选择、设计、制造、验收全生命周期的管理以及产线配套的质量追溯、生产管理系统架构方案为践行未来工业领域变革踏出探索性的第一步。

3、5G+PLC应用典型系统架构

3.1 系统架构

为了实现 5G 深度融合 PLC 南向工业控制的目标，打造新一代的生产模式，施耐德电气提出 了以下的 5G+PLC 典型系统架构。此架构承袭了传统 PLC 控制架构，尽可能的做到了对控制程序编写人员和设备制造人员的无感化，降低了其实施的难度，提高了便捷性和可复制性。

现场接入设备

实际生产场景进行了四类的划分，分别为逻辑控制场景，过程控制场景，运动控制场景和外部 设备场景。根据场景不同，使用设备不同和应用要求不同，其组网架构也会出现改变。在R16阶段， 南向 5G 通讯可覆盖约80%左右的应用场景，剩余的20%推荐以添加子 PLC（Sub PLC）的方式进 行东西向通讯。具体的分类指南请见 5G+PLC 应用场景分类及网络时延需求。

PLC与现场设备的连接称为 PLC 南向通信，图3-1蓝色线所示。主 PLC 与其他线 PLC，MES系 统，数据采集平台等软硬件的连接称为 PLC 东西向和北向通信（文中统一称为 PLC 北向通信），图 3-1绿色线所示。在利用 5G 连接提供灵活便捷的同时，也要保障设备控制的可靠性，主要是设备 控制的时延和稳定性的可靠，5G 通信方式应用于 PLC南向或是北向对于其网络性能的要求是不 同的。

5G连接的最小工作单元可以为单设备，也可根据复杂程度选择远程背板通信，或远程 I/O 进行多个设备的连接。通常情况下，如果连接需要进行工业协议转换，则可采用远程背板，通过远程背板外接工业 CPE/DTU 进行 5G通信。如果连接较简单，只涉及I/O 信号读写的简单工站，则可使用带有通信功能的远程 I/O，并外接工业 CPE/DTU 进行 5G 通信即可。

实际现场中所有需要和主 PLC 连接的工业设备包含但不限于：sub PLC，I/O 模块，各种类型的感应器，伺服电机，步进电机，气缸，电缸，程控电源，工控机，屏幕，安全光栅/扫描仪，数字量和模拟量信号设备，以及工业/协作机器人。示意图可见图3-2。

边缘集中部署

值得注意的是，在生产现场，5G 承接 PLC 南向通信，意味着 5G 需要承接工业 OT 网络和各类工业协议。因此，5G 需要支持二层组网，即 5G 终端和 5G 网络需要支持 5G LAN 功能。在边缘集中部署层，除了主 PLC 以外，还有与其连接的 5G 核心网以及边缘服务器 MEC 。以上设备均在同一物理位置，其连接方式为网线或光纤。

上层承载应用

上层应用属于管理层和操作层级，大部分部署在企业分布式计算节点或私有云/服务器上。这些应用包括了MES 系统服务端，质量管控追溯平台，生产信息数据库及其他。