5G工业互联赋能5G全连接工厂技术白皮书

5G工业互联赋能5G全连接工厂技术白皮书 5GDNA确定性网络产业联盟 2022年11月 目录 01什么是5G工业互联04 1.15G与工业融合发展进入新阶段04 1.25G工业互联的主要发展方向05 025G工业互联发展阶段09 2.15G工业互联阶段一：5G车间生产网10 2.25G工业互联阶段二：5G产线工控网11 2.35G工业互联发展阶段分析小结13 035G工业互联关键技术能力14 3.15G工业确定性连接14 3.25G工业极简组网14 3.35GMEC高稳计算15 3.4工业协议感知和协同15 3.5确定性安全16 045G工业互联相关标准17 05总结和展望18 引文和缩略语19 本白皮书主要参编单位及人员（以下排名不分先后） 中国科学院沈阳自动化研究所中国移动通信研究院 中国联合网络通信集团有限公司中国联合网络通信有限公司研究院中国电信集团有限公司 中国电信股份有限公司研究院华为技术有限公司 海尔集团公司IT平台卡奥斯工业智能研究院 浙江中控技术股份有限公司珠海格力电器股份有限公司三一重工股份有限公司 TCL王牌电器（惠州）有限公司中国电力科学研究院有限公司 国网山东省电力公司青岛供电公司北京智芯微电子科技有限公司 中科云谷科技有限公司 联通（山西）产业互联网有限公司东方有线网络有限公司 重庆邮电大学 重庆邮电大学工业互联网研究院北京紫光展锐通信技术有限公司上海移远通信技术股份有限公司深圳市广和通无线股份有限公司深圳市宏电技术股份有限公司厦门四信通信科技有限公司 北京中微普业科技有限公司厦门星创易联科技有限公司 浙江利尔达物联网技术有限公司苏州振畅智能科技有限公司 北京经纬恒润科技股份有限公司广东辛顿科技有限公司 江苏未来网络集团有限公司浪潮通信技术有限公司 深圳艾灵网络有限公司 李栋 黄震宁、王菁、张翀、徐要强、马万明陈丹，肖羽 黄蓉，裴郁杉 安志国、孙海、任勇强、李小刚、曾祥宇、杨雷杨峰义 乔雷、伍勇、周凯、陈晓光韦韬、徐文博 赵士超、杜召娟、胡明臣石莹蒙博宇 李斌、柯栋、张俊杰、李润静王辉，杨阳 赵大力，潘德灼，李竞帆，赵才军 朱思成，孟萨出拉，王智慧，韩金侠、杨德龙徐群、刘明峰、李坤、孟建、辛雨航、曲增彬王于波、赵旭 石恒、汤胜 杨卫东、许春、高雪峰王明敏、茹伟光、葛虎峰魏旻、王浩、黄庆卿 王平、蒲宬亘、孙雄 张欲、夏彦龙、朱勇旭、张伟强应义星、胡勇华、马进永 张建国、李许安、张佩、李升根郭泽辰、凌海宏、龚潇、邹新星唐仕斌、张绍炜、叶顺林 袁为化、李勉、艾治均严永金 沈伟峰、沈晓伟、田志禹杨文浩、杨文静 吴临政，白海明、薛俊亮马健 叶迎春、陈刚、张强梁亮、姜永、高娴俞一帆 第1章什么是5G工业互联 1.15G与工业融合发展进入新阶段 1.1.1工业智能化和工业网络发展趋势 工业智能化是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。智能制造通过引入大数据、云计算、AI等技术，在生产操作自动化和管理决策信息化等方面已经取得了很大进步，后续需要基于更加广泛和高性能的联网、实时的数据采集、高效的控制，通过AI的深度使用，实现智能化的工业形态，从而实现产品全生命周期制造流程自动优化和人机互动与协同的智能化。通过结合5G的联网和5GMEC边缘计算的计算能力，智能制造系统将进一步实现生产力的提升。5G作为先进的技术，具备移动、无线、高带宽、低时延、广连接的特点，通过5G确定性能力提升，5G确定性网络成为工业网络体系中的重要技术手段之一。5GMEC边缘计算所提供的近端算力平台，也成为工业互联网平台和应用重要的承载基础。5G正在与工业智能化和工业网络体系产生更多的融合价值，赋能产业数字化转型的进程。 1.1.25G工业互联主要关注领域 5G经过两到三年的发展，已经在各个垂直行业落地了大量创新应用，包括5G机器视觉、5GAGV、5G智能视频监控等。随着5GtoB的进一步深入、5G能力的进一步提升，产业也对5G提出了“承载核心生产环节”、“进内网”等要求。在十部委联合发布的《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》中，明确提出了加快利用5G改造工业内网，打造5G全连接工厂标杆，以及，推动“5G+工业互联网”服务于生产核心环节。在工信部《工业互联网创新发展行动计划（2021~2023）》中，明确提出了推动5G应用从外围辅助环节向核心生产环节渗透。2022年9月，工业和信息化部印发《5G全连接工厂建设指南》，支持企业建设产线级、车间级、工厂级等不同类型5G全连接工厂，并提出“十四五”时期，推动万家企业开展5G全连接工厂建设，建成1000个分类分级、特色鲜明的工厂，打造100个标杆工厂，推动5G融合应用纵深发展。 结合上述5G服务核心生产环节、进内网等产业需求，本白皮书提出5G工业互联。指的是，利用工业级的5G能力，通过5G来支撑工业生产网络的建设，并通过5GMEC作为工业算力底座承载工业软件和平台系统，实现5G使能的工业数字化转型升级。5G工业互联是一个工业级5G能力的技术集合，通过这些技术实现5G承载核心生产网络和应用，实现对5G全连接工厂的赋能。 1.25G工业互联的主要发展方向 整体来看，5G工业互联的主要发展方向包括如下三个方面： 方向一，5G承载工业生产网络：5G从承载辅助性生产业务向核心生产环节渗透，深入车间和现场，部分或全部代替传统生产网络，所谓“更深” 方向二，5GMEC承载工业平台和应用：通过5G网内算力，基于5G网络边缘计算承载工业软件和工业互联网应用等，实现工厂算力底座和工厂普遍赋能，所谓“更强” 方向三，集团+分支机构多园区统一算网：5GMEC连点成网，实现多园区统一算网和统一管理运营，所谓“更广” 1.2.1方向一，5G承载工业生产网络 5G承载工业生产网络的核心驱动力来自柔性制造和网络简化的需求。按照业界一般理解，柔性生产可以表述为两个方面。 第一方面是系统适应外部环境变化的能力。 例如，离散制造领域中，许多行业存在产品更新周期缩短、产品种类激增、批次缩小的需求。车间不仅需要根据新产品，快速组件新的产线，还需要随着不同产品产量的变化，调整产线的规模与部署位置。由此，工厂对生产网络也提出频繁调整的需求。这些调整既包括产线内部设备间的自动化通信部分，也包括生产管控系统的相关网络部分，如MES客户端与MES服务器间的通信。当前，上述网络基本都采用有线组网，调整会涉及重新布线、网络配置等工作，工作量大且复杂。对于绝大多数工厂车间，由于IT人员数量限制，往往需要集成多个外部服务商来协同完成，所需的协调沟通周期就需要数天。此外，制造领域的物流系统也需要随之调整。 第二方面是生产系统适应内部变化的能力。 产线中，大量的IO模块本身随着执行部件一起移动。此时，IO模块与PLC之间的连接会存在扭曲、频繁插接等，导致工业以太线缆或者接口易于损坏，例如拖链机构、转台转鼓、机械臂抓手上的阀岛等。一旦发生一个接口或者线缆损坏，将会导致PLC控制的整条产线停产。很多情况下，由于布线较为密集，部件连接复杂，需要花费大量时间定位具体问题，并拆装线缆。如果是闪断的场景，问题定位难度更高，该过程需要花费2-4个小时。 当前，离散制造行业的设备间工控网络越来越多采用工业以太通信。且绝大部分通信采用标准以太帧承载（除少量高精度运动控制需要<1ms的通信需求之外）。5G网络天然具备无线化组网免布线优势，可集中实现设备拓扑关系可视，并可集中配置界面完成网络调整。这为设备间的工业控制通信5G无线化奠定了良好的基础。 从5G化对于柔性生产带来的价值，包括如下几个方面： 在需要快速转产的领域，5G化的工业网络可提升网络调整效率数倍。有效缩短投产时间、提升设备整体效率与产能。 在网络新建/设备规模升级等场景下，基于5G的网络也节约了大量设计时间。在完成逻辑拓扑组网设计之后，无需花费数天去输出详细组网拓扑接线图。 在降低网络线损导致停机的领域，5G工业互联通过免布线，避免了上述扭曲、插接等导致的损耗。能大大降低停产时间。对于高节拍自动化产线价值明显。 为实现上述柔性生产的价值，涉及到车间生产网（主要是例如MES和SCADA等系统的连接需求）和产线工控网 （主要是PLC之间以及PLC和IO之间的连接需求）的5G化。所需的5G能力主要包含简化的组网能力、可靠的通信时延、并发密度容量、设备可用性、安全等。 简化组网能力是基础。首先要能满足工业以太使用最多的2层连接需求，并同时支持3层通信需求。此时，5G网络和终端模组支持5GLAN，才能实现简化组网，避免部署和设置隧道类设备。 稳定可靠的通信时延是支持此类业务的技术门槛。从工业控制业务需求来看（以常见的工业以太Profinet需求为例），需要综合考虑两个方面的需求。一是应考虑时延的稳定可靠性。即，以周期（CT，CycleTime）发送的工业以太数据包到达目标节点的时机应该是稳定的。在接收端，期望在每个CycleTime周期，都能收到数据包。如果因为丢包/超时，导致接收端连续多个CycleTime周期内未收到数据包，一旦触发接收端超时看门狗（WDT，watchdogtimer）门限，将导致PLC通信错误，连接中断。二，应考虑通信的最大时延。最好不超出PLC设置的扫描周期，避免出现业务逻辑错误，以及显著增加生产节拍，从而降低对于工业设备和逻辑的修改。综合这两个诉求，采用确定性时延指标来满足需求。该指标中的时延指的是最大时延。建议最大时延应小于扫描周期（此时，对于最小时延指标无要求）；该指标中，同时定义了最大时延的可靠性应满足一定要求，确保时延稳定，而不触发看门狗门限。 并发密度/容量：在满足产线所需确定性时延要求的前提下，并发连接的密度/容量是影响5G技术可行性与成本的关键指标。 5G设备可用性，需要能满足车间、产线可用性要求。作为车间、产线整体的一部分，5G设备的可用性不能成为短板。不仅降低设备宕机概率，还体现在能否快速从故障中恢复。 安全是底线。首先，5G自身不应引入新的安全风险。其次，5G在将现有多个有线网络“剪辫子”后，物理上成为一张网。此时，需要能继续保持现有车间的安全隔离。例如不同产线，原本分属于不同的子网，5G后，也需要能保持隔离，避免相互影响。 此外，5G网络还应能提供自助服务能力，如本地指标监控、自助完成网络重组等。 1.2.2方向二，5GMEC承载工业平台和应用 5GMEC或5G网络边缘计算是5G算网体系的重要组成部分。5GMEC提供了下沉的算力节点，并且与5G网络能力紧密融合。同时，工业互联网平台和应用，也呈现出两方面的发展趋势：一方面，云端的工业互联网平台和应用需要通过下沉来满足工业企业对于时延、带宽等性能的更高要求；另外一方面，工业场所内部分散的工业互联网平台和应用节点，例如位于产线上的工控机所承载的应用等，也需要通过算力上移到边缘侧，通过集中化降低部署和使用成本，并实现算力的统筹复用，提升整个系统能力和灵活性。这两个趋势的落脚点，都在边缘计算这个位置，也就是说位于部署于地市或产业园园的共享式5G边缘计算节点，或部署于工厂机房的入驻专享式边缘计算节点。不论是云端工业互联网平台和应用的下沉，还是现场工业互联网平台和应用的集中化，5GMEC节点都是非常适合的承载底座。尤其是在使用5G作为工业互联网的主要连接手段时，5GMEC或5G网络边缘计算更是成为离工业终端最近，整体架构最合理的边缘算力节点，成为工业互联网平台和应用爆发出新的数字化能量的助推器。 1.对于广大的中小企业，可以通过地市或产业园区级部署的5GMEC节点，叠加工业互联网平台和应用，结合统一的5G连接组网能力，一站式获得网联化数字化所需的各项能力，实现企业竞争力提升。这就是共享式的5GMEC或网络边缘计算对产业和中小企业的普遍赋能。 2.对于大型企业，可以采用入驻专属的5GMEC节点，承载专属的工业互联网