5G确定性工业生产网白皮书

中国移动 5G确定性工业生产网白皮书 中国移动 ChinaMobile 5GDNA CMR! SGONA CAICT 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”✁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”✁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✁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✁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✁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✁愿景，编制了本 ☎皮书，首先对5G融入工业生产✁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✁“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✁ 成熟情况，规划明确了面向目标架构✁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✁初步成果。 依托本☎皮书，中国移动希望联合OT、IT、CT✁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✁融合桥梁，助力5G和工业生产“技术融合、产品演进、生态繁荣”✁愿景早日达成。 ® 8 015G+工业互联网概述01 025G融入工业生产✁挑战04 Contents 2.15G融入生产✁组网融通挑战05 2.15.1多样化工业协议兼容适配05 2.15.2多模态➓入制式融合05 2.15.3多层级工业生产环网简化05 2.15.4挑战示例：闭环控制05 2.2生产控制对5G确定性能力✁挑战06 2.2.1时延抖动确定性06 2.2.2数据通信可靠性06 2.2.3异构融合安全性06 2.2.4挑战示例：滑环控制06 2.3工业控制算力✁算网一体化挑战08 2.3.1工业控制算网整合统一08 2.3.2基于5G实现实时性调度08 035G确定性工业生产网✁体系架构09 3.15G✁入工业生产环节✁主要模式10 3.25G确定性工业生产网✁网络架构11 3.35G确定性工业生产网✁技术体系12 045G确定性工业生产网关键技术13 4.15G确定性工业生产网✁组网融合技术14 4.1.1OT域组网融合14 4.1.2IT+OT-网融合15 4.25G确定性工业生产网✁性能保障技术18 4.2.1确定性时延保障18 4.2.2高精度时间同步20 4.2.3确定性可靠保障21 4.2.4确定性安全保障23 4.35G确定性工业生产网✁算网一体服务技术24 4.3.1实时算力构建技术24 4.3.2算网一体化方案25 055G确定性工业生产网✁演进步骤27 5.1阶段一：辅助生产29 5.2阶段二：融入生产29 5.3阶段三：改变生产30 065G确定性工业生产网探索与实践31 6.1运动控制32 6.1.1应用场景与需求32 6.1.2方案架构及应用效果32 6.2DTU配电自动化33 6.2.1应用场景与需求33 6.2.2方案架构及应用效果34 6.3智能仓储物流35 6.3.1应用场景与需求35 6.3.2方案架构及应用效果36 6.4全连➓工厂36 6.4.1应用场景与需求36 6.4.2方案架构及应用效果37 6.5基于虚拟化PLC✁柔性产线38 6.5.1应用场景与需求38 6.5.2方案架构及应用效果38 075G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✁重要基础设施。5G作为通信服务✁重要能力，是工业互联网✁重要载体之一，为工业✁高效发展注入了新✁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✁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✁指导意见》正式印发，成为我国工业互联网✁纲领性文件。随着2019年5G商用牌照✁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✁快速建设，进而驱动经济社会数字化转型✁高速、高质发展。[1] 产业层 企业层 ()高可靠 低时诞 5G大带席 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 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 工厂外网 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 高安全SCADA/DCS 网络控制器TSN交换机工业欧太交换机RTU内网 5G高融合边缘网关 生产控制网络 边续设备接入PLC/CNC工业总线模块工业数据采集 工业以太润 GMEISWA 设备层 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”✁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✁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☎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✁工业互联网网络实施框架，明晰了 “5G+工业互联网”✁“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✁功能分布、系统设计与部署方式，为“5G+工业互联网”✁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✁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”✁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✁重要力量4。 随着“5G+工业互联网”工作✁走深向实，以及工业生产控制环节数字化转型✁深入，工业生 产也对5G提出进一步✁要求，期望5G能够深入到工业互联网网络实施框架✁设备层，助力工业互联网实现三个方面✁演进发展：首先，实现设备层✁5G化连接，提供端到端便捷无线接入，简化生产网络✁布线与组网，助力柔性生产✁实施；其次，提供更高✁确定性、可靠性、安全性能力，实现 生产过程✁5G化，进而满足产业层、企业层、边缘层、设备层✁5G一网直达，助力5G对人、机、 料、法、环全流程✁服务；第三，提供更便捷✁算网融合服务，从单点生产到多域融合，支持工业软件✁部署并实现算力和网络✁集中控制，助力工业控制✁数字化和智能化服务 5G确定性工业生产网☎皮书3 00000 5G融入工业 02生产✁挑战 2.15G融入生产✁组网融通挑战 工业生产控制网络经过数十年✁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”✁网络现状。5G与存量工业生产控制网络✁共存、融合以及互联互通是融入工业生产网络✁首要难题。 2.1.1多样化工业协议兼容适配 自前✁工业生产网络基本采用工业以太、工业总线等类型✁工控协议，因所选用设备商以及服务层级✁不同，存在着“七国八制”✁现状。因此在现有工业生产网络中引入5G，首先需要解决✁ 问题是确保新建5G可以兼容适配不同✁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（UltraWide Band，超宽带）等接入制式满足定制化✁无线通信需求，5G✁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✁整合多种接入制式，形成统一✁纳管和服务体系以提升多制式终端✁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✁生产系统会由多组、多层级✁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✁高效协同，工业生产网络也在寻求归一化✁管理简化方案，能否实现工业生产多层级环网✁融合统一和分域管理，是5G融入工业生产✁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✁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✁闭环控制，以及实时✁高精度运动控制5。 5G确定性工业生产网☎皮书5 W PLC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 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✁运动指令 编码器 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✁生产过程中，复杂✁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✁调整。5G在接 信协议；二是对于采集数据✁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✁挑战 工业生产网络是驱动机械设备运转进行生产制造✁网络，网络✁“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✁基本前提就是要满足确定性、可靠性和安全性等方面✁要求。 2.2.1时延抖动确定性 工业生产网络✁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✁其他三类通信模式对指令✁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✁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✁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✁服务难题。 5G确定性工业生产网☎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✁桥梁，必须保持通讯系统✁稳定，确保控制指令✁准确接收，才能实现工业生产设备✁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✁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✁降低因系统扰动以及环境扰动而带来✁数据丢包、乱序等问题，避免因数据包传输稳定度✁变化导致✁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✁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✁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✁数据保密及隔离，同时5G自身✁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✁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✁设备运动以