通讯行业：5G工业现场网白皮书

5G工业现场网白皮书 算网融合 内生确定性 一站式服务 2023年06月 中兴通讯股份有限公司 目录 1 产业发展和演进展望02 3 生产域的专网部署15 2 生产域需求和挑战03 3.15G现场网15 3.25G现场网部署模式16 3.2.15G现场网独立部署模式16 3.2.25G现场网预集成模式19 2.1行业场景需求 2.1.1物流-自动分拣 2.1.23C制造-柔性生产 2.1.3汽车制造-柔性工岛生产 2.1.4装备制造-产线服务 2.1.5钢铁-无人行车 2.1.6煤矿-综采面 03 3.2.35G园区网&现场网协同部署模式21 033.2.45G园区网&5G现场网合一部署模式22 04 4 05 06 07 085G现场网关键技术23 2.1.7露天矿-无人矿卡09 2.1.8港口-龙门吊10 2.1.9化工-装置区12 2.2生产现场专网对5G能力要求13 4.1网络关键技术23 4.1.1现场网络互联23 4.1.2现场网的可靠性25 4.1.3功能安全保障31 4.1.4ToB/ToC网络隔离技术32 4.2算力关键技术 34 4.2.1现场网算力载体 34 4.2.2算力服务化架构 35 4.3业务支撑能力 37 5 实践案例45 4.4企业自服务 5.1新北洋物流自动分拣线应用46 5.2中兴南京滨江工厂数字化自动产线应用46 4.3.1 云化PLC 37 4.3.2 视频优化 38 4.3.3 融合定位平台 40 4.3.4 前置机数采 40 4.3.5 云化AGV调度台 41 5.3广州明珞５G原生装备制造生产线48 5.4上汽通用五菱汽车制造智能岛49 5.5武钢无人天车改造50 5.6黄陵矿综采面50 5.7西湾露天矿52 5.8博世工业园区54 6 41 4.4.1免规划，精准建模与网络规划41 4.4.2免调测，快速建站42 4.4.3免运维，业务视角自动化运维43 总结和展望53 78 附录：缩略语 54参考文献56 产业发展和演进展望 1 工业不仅仅是国民经济的主导，更是社会经济发展的基础。近年来，我国陆续推出《5G应用“扬帆” 行动计划》（以下简称扬帆行动）和《“5G+工业互联网”512工程推进方案》等政策，促进产业各界进行5G与工业互联网融合创新。5G与工业互联网的融合创新发展，将推动制造业从单点、局部的信息技术应用向数字化、网络化和智能化转变，从而有力支撑制造强国、网络强国建设。“5G+工业互联网”已经逐渐成为加速中国新型工业化进程的重要支撑。 在近年来数字经济大潮推动下，“5G+工业互联网”创新发展，已经取得阶段性成效，部分领域已经从示范走向复制，根据历年绽放杯的参赛项目数据看来，2022年参赛项目超2.8万个，其中商业落地&可复制的占比已超56%。在规模发展的同时，也凸显出一些问题：当前工业互联网的典型应用以单一环节的数字化改造为主，没有形成统一的建设方案，“单点”业务还可能会进一步为企业数字化转型带来更多信息孤岛；此外，传统企业的IT、OT网络往往由不同厂家建设，并由独立的部门分别管理，在企业内部也形成了一道道“墙”，企业生产数字化转型仍处在初级阶段。2022年9月，工业和信息化部印发《5G全连接工厂建设指南》（以下简称全连接工厂），旨在进一步推动“5G+工业互联网”融合应用从典型场景向生产现场系统性建设，此举也标志着“5G+工业互联网”由起步探索阶段迈向深耕细作阶段。5G全连接工厂是充分利用以5G为代表的新一代信息通信技术集成，打造新型工业互联网基础设施，新建或改造产线级、车间级、工厂级等生产现场，形成生产单元广泛连接、信息（IT）运营（OT）深度融合、数据要素充分利用、创新应用高效赋能的先进工厂。 本白皮书，旨在“扬帆行动“和“全连接工厂”的指导方针下，结合中兴通讯和运营商以及各行业伙伴一起进行的广泛实践和优化迭代的经验，输出覆盖端/网/云/业的一站式的产品方案及服务，通过算网融合的底座，内生确定性的保障，一站式的服务，面向各行业伙伴呈现一套详细的工厂级、产线级、车间级的现场网的建设思路和细化流程，将“全连接工厂”的理念落到实处，从而助力不同类型的企业按需实现生产域的转型升级，加快“5G+工业互联网”新技术新场景新模式向工业生产各领域各环节深度拓展，推进传统产业提质、降本、增效、绿色、安全发展。 2 生产域需求和挑战 2.1 行业场景需求 生产现场是指以完成生产任务为核心的一系列活动场所，它包括各基本生产车间的作业场所，其核心部门是生产部门。全连接工厂定义了产线级、车间级、工厂级的生产现场。在不同的行业，生产现场对应不同生产现场以及不同的生产域作业。接下来，我们以下列不同行业典型的生产域作业先做个场景化分析： 2.1.1 物流 自动分拣 随着电子商务、快递等行业的蓬勃快速发展，物流分拣行业也得到了迅猛发展，物流分拣中心作为中枢节点，对提升物流效率越来越重要。传统的分拣中心，依靠人工分拣，效率低，错误率高，成本高，导致快递积压，时效性差，无法应对日益增长的快递业务量需求。自动化分拣正在成为物流行业自动化转型的典型应用。 一般自动化分拣系统的核心是直线或环形交叉带分拣机和矩阵分拣机，直线分拣机系统由上包台，六面扫读码机，分拣小车等设备组成，分拣机中的小车队列沿着轨道高速运动，每辆小车载有由独立动力驱动的输送带，与小车运行方向垂直运动，贴有条码单的货件经半自动化或全自动导入台快速导入分拣机小车，经自动识别系统定位目的地后，小车皮带快速转动卸载货物实现货物分拣。 图2-1自动化分拣设备 PLC1215 485驱动器 PLC12 485驱动器 485驱动器 485驱动器 485驱动器 485驱动器 SCADA 服务器 六面扫读码PC 交换机（千兆） PLC1512 上包台读码PC 西门子交换机 PLC1215 小车 15 小车 伺服传感按钮指电机器示灯 ...... 小车 ...... 小车 小车 小车 传感塔灯按钮 器 人工上包台 线上电辊筒 分拣线拖动供包输送机驱动 格口/滑槽 包裹位置检测 输送传感器 小车编码器 变频器变频器 扫码枪 扫码相机 图2-2自动化分拣系统 现有分拣机系统大部分采用有线连接，布线复杂，仅移动的分拣小车采用WLAN无线方式，配合漏波电缆完成无线信号的部署，而借助高性能的5G无线网络替代传统的有线和WLAN来构建自动分拣中心，将极大地简化网络部署，是自动化分拣系统升级的最佳方式。5G应用于自动化分拣系统，整体有如下核心需求： 确定性网络性能：自动分拣系统通过PLC对各环节进行控制，比如分拣小车以2～3米/秒速度滚动，编码器实时上报小车坐标，PLC计算并准确发出指令到小车，需要有低时延可靠稳定的无线网络保障。 应用的云化部署：现有多台PLC单独部署，控制孤立，希望PLC云化部署来实现集中远程的控制；同时上包台、六面扫读码机、WCS应用服务器也希望云化部署；希望通过集中、云化的统一部署，降低部署成本，助力信息化升级，提升分拣效率。 2.1.2 3C制造 柔性生产 3C制造车间一般是在一个大型厂房内设置多个功能区，每个功能区部署不同的产线，每条产线按产品工艺流程完成零部件生产、模块封装（SMT/LCM）、整机装配、产品测试、成品包装等生产环节。工厂在已实现产线自动化基础上，期望借助5G实现机械臂、PLC的联网及云化，结合区域内多个产线的数采、AGV协同上下料、机器视觉应用，进一步向数字化、智能化演进。 典型应用场景如整机自动化装配测试产线，包括多个测试环岛，通过机械臂取放被测件到多套测试夹具做并行装配/测试。其中涉及PLC控制机柜、本地运行MAT（制造自动化测试系统）、MDS（制造数据应用系统）和位于数据中心的MES(制造执行系统)。 图2-3自动化装配测试产线现场网示例 自动化产线对网络需求： 01.联网/云化/无线化：当前产线如环岛集成度高，线缆繁杂，不利于柔性化生产，迫切无线化；AGV、PLC、机械臂等需要联网和数采，实现生产过程可视和产线预测性维护；PLC、机器视觉需要云化集中处理提升效率； 02.网络确定性：承载工业PLC协议、AGV上下料业务，需支持<20ms@99.99%低时延；机器视觉应用需要>80Mbps每路的大带宽； 03.网络可用性：云化对网络可用性提出高要求，要求7*24小时运行，月故障时间<10小时，单次 <8小时，设备更换时间<60分钟，人工干预间隔>30分钟； 04.网络部署/改造周期：期望网络快速部署/改造以及快速稳定运行，减少对实际生产的影响； 05.自运维及安全：工厂有自己的工业互联网平台，提出了自运维及对接融合的要求；工厂有专业的信息安全团队，对5G技术应用引入的新的安全场景，期望有全面分析及判断。 2.1.3 汽车制造 柔性工岛生产 新能源汽车时代，用户的用车需求呈现出多元化、个性化、千车千样的升级趋势，竞争也愈加激烈。汽车制造要满足对柔性的极致需求，引入了工岛的形式，当前存在两大问题： 01.在工岛之间采用AGV做产线物流，运送半成品配件，AGV密度高。如果采用传统WIFI覆盖，容易出现切换断网、网络拥塞卡顿的问题，影响生产物流效率，严重甚至导致产线停线。 02.工岛间PLC的控制协同为东西向C2C通讯，以及PLC与远程IO的C2IO通讯，采用有线连接，工岛布局变更时需要重新布线，带来额外的部署周期及成本。 图2-4汽车装配产线现场网示例 采用5G无线连接，可以很好的解决上述两个问题，该场景对5G的需求包括： 01.长连接：减少切换时延甚至消除切换，网络良好覆盖需保障AGV业务不断链； 02.时延确定性：保障汽车产线的PLC通讯确定性需求，即支撑相应工业以太网协议承载，并满足现场PLC应用参数下长期不断链； 03.综合大容量：满足产线区域内大上行、时延敏感等各类业务的用户数、业务容量需求，包括生产控制、生产管理类业务； 04.缩短部署/改造周期：期望网络快速部署、改造以及快速稳定，减少对实际生产的影响； 05.自运维及安全：生产停线带来直接生产损失，要求尽可能避免，发生后也尽快恢复，要求5G网络应该具备自运维、自恢复能力。 2.1.4 装备制造 产线服务 装备制造车间和3C制造类似，一般是在一个大型厂房内设置多个功能区，每个功能区部署不同的产线，每条产线按产品工艺流程完成铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、涂装、装配等生产环节。装备制造的不同产线一般由不同产线集成商提供，自动化产线的数字化通过产线设备全连接、数据采集、数字孪生等手段，为产线提供全生命周期服务，包括产线规划设计、集成调试、持续工艺监测优化、预测性维护和远程诊断等。 图2-5自动化产线全生命周期服务 自动化产线全生命周期服务对5G专网需求： 01.产线/现场数据本地实时闭环：由于工艺流程不同和产线集成商不同，每条产线形成相对独立的功能体，产线设备数据采集、设备PLC控制和生产过程监控大都在产线内部形成闭环，对数据安全、时延抖动要求较高，需要产线/现场数据本地卸载和实时处理； 02.云网业协同：当前产线应用如SCADA、PLC、MES、智能制造服务平台等与网络相互独立，IT/OT/CT难以融合，数据价值难利用，希望借助云网业超融合平台实现云网业一体化，从而将网络与产线工艺和流程深度融合； 03.柔性化/无线化：装备制造为典型的离散制造行业，产品定制化高，现场总线和工业以太网以有线为主，多层级、多汇聚、布线难、运维难、灵活性差，不能满足柔性生产的需求，需要扁平化、无线化、柔性化网络； 04.标准化、易部署、自运维：需要标准化、轻量化、免规划、免调测、免运维、快速开通的网络。 2.1.5 钢铁 无人行车 钢铁行业智能制造转型升级，从云网协同向云网融合发展，通过OT、IT、CT技术的融合，将工业互联网、5G、大数据、云计算及人机交互技术等技术带入生产现场，再辅之以创新应用和制造控制系统的深度融合，推动钢铁行业突破传统模式下的技术