2023年5G+PLC 深度融合解决方案白皮书

5G+PLC深度融合解决方案白皮书 施耐德电气5G+边缘计算系列白皮书之一 www.se.com/cn 声明 本白皮书所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点，仅作为业务参考，不构成法律建议。本报告所有材料或内容的知识产权归施耐德电气 （中国）有限公司、中国信息通信研究院、中国联合网络通信集团有限公司共有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需将白皮书的全部或部分内容以转载、汇编、传播、引用等方式使用，需注明出处。 施耐德电气（中国）有限公司中国信息通信研究院 中国联合网络通信集团有限公司 编写说明 工业互联网作为新一代信息技术与工业经济深度融合形成的新兴业态和应用模式，是工业企业实现数字化转型的关键基础设施。5G作为工业互联网网络的重要组成部分，在各个行业得到蓬勃发展。特别是过去三年，在国家5G+工业互联网政策的鼓励下，十个工业行业和领域在制造业用户、基础电信运营商和通信企业的生态合作下，5G+工业互联网取得了很多成功案例并开始规模复制。目前5G网络开始向与工厂控制层面的OT网络深度融合方向拓展，并希望借此改变传统控制系统导致的网络拓扑结构固化及封闭的现状，以提高生产过程的柔性和透明性；通过5G在工厂全覆盖，实现要素资源全连接，结合工业互联网平台、边缘计算、大数据和工业模型技术，从而大幅度地提高工程和运维效率，降低生产和建设成本。 在此形势下，施耐德电气（中国）有限公司联合中国信息通信研究院、中国联合网络通信集团有限公司，结合在自身企业的5G应用实践，共同组织编写了《5G+PLC深度融合解决方案白皮书》,希望能与业内同仁共享成果，共谋5G+工业互联网的新发展。本白皮书从分析离散制造业的特点及实际需求出发，描述了5G+PLC的典型系统架构、应用场景分类；系统提出5G网络规划、网络标准化部署及网络性能要求；同时结合两个案例详细阐述了从产线分析到网络性能测试、项目实施、项目验收的完整过程；白皮书的最后对5G+PLC的未来发展进行了展望。 白皮书编写过程中得到了参编单位领导和专家的大力支持，也要感谢中国信息通信研究院余晓晖院长的精心指导并为白皮书作序。 编写组主要成员施耐德电气（中国）有限公司： 王海，刘啸天，张奇，王强军，王勇，陈小淙，阎新华，李金江，马军，李泽辉，姚辉，洪岩博，赵起超 中国信息通信研究院： 王哲，黄颖，沈彬，于青民，段世惠 中国联合网络通信集团有限公司： 徐楚翌，豆思淼，赵宇，梁佳龙，胡赟，沈洲，黄璿，史全水 序言 工业控制是工业生产的核心环节，是实现大规模自动化生产的关键基础，没有先进稳定和高可靠的工业控制系统，就没有现代化的工业体系。与摩尔定律作用下快速迭代的IT设备不同，工业控制系统的功能、形态都保持了长期的稳定，其改进是稳健和渐进式的，这也反映了工业体系长期以来的内在要求。 当前，全球数字化浪潮蓬勃兴起，深刻变革着生产生活方式。数字技术与制造体系的深度融合和集成创新，推动了以工业4.0和工业互联网为代表的新工业革命，生产制造方式正向高效、精准、智能、柔性、协同转变，与此相适应，工业控制领域也正经历着一场创新性的重塑，工业控制系统从传统的封闭系统走向网络化、开放化、智能化，这场变革既是新工业革命的内在要求，也成为其重要的驱动力。 5G是具有广泛变革性赋能作用的新一代信息技术，5G的高速、低延迟和大容量特性，为工业控制系统提供了可靠、高效和灵活的通信支持，推动其向网络化、智能化、开放化演进。一方面，在5G、确定性网络等技术支持下，工业现场可实现组网融通和工业确定性通信，并通过工业算力网络协同调度算力、网络等资源，强化工控系统等核心软件能力，提升应用效率。另一方面，5G融合边缘计算、大数据、人工智能等技术，通过云边协同实现“云端训练、边端推理”模式，将工业大模型、专家系统等更加广泛应用于工业控制领域，并通过对海量广泛历史数据进行智能分析预测，优化控制参数，实现智能化升级。同时，5G、实时操作系统等驱动传统ISA-95架构向云-边-端三层扁平化架构演进，编译平台、OS运行时和控制器硬件间也在逐步解耦，为控制系统的集中化/云化部署提供了可行的技术方案，加速分布式开放自动化控制体系的发展，赋能柔性化生产制造。 PLC（可编程逻辑控制器）是现代工业控制系统的典型代表，5G+PLC已经成为工业控制系统智能化变革的先导和探索热点。PLC作为工业自动化的核心控制器，与5G技术的融合，带来了功能、形态和结构的变革，可实现更智能、更可靠和更安全的工业控制，受到了产学研用各方的高度关注，其实践正逐步从物流控制等生产外围辅助环节应用向生产控制等核心环节应用深化拓展。 施耐德电气联合产业各方，积极开展5G+PLC方面的探索实践，在20家工厂进行了5G网络部署及产线改造，提质、降本、增效效果显著。《5G+PLC深度融合解决方案白皮书》基于工厂数字化改造的实践经验，由施耐德电气、中国联通和中国信息通信研究院的专家共同撰写，白皮书给出了5G+PLC赋能行业数字化转型的应用路径，提出了不同控制模型下对5G网络的性能要求及网络部署方案，并通过实际案例进行了深度剖析，为产业界开展相关实践提供了重要范例，相信值得从事相关领域的科技工作者、工程技术人员以及高校师生参阅。 余晓晖 中国信息通信研究院院长 序言 数字化洪流激荡，经济与社会全面数字化的时代已经开启。数字技术正以新理念、新业态、新模式全面融入人类经济、社会各领域和全过程，改变着人们的生产和生活方式，新的商业模式层出不穷。作为国民经济命脉的工业领域，在数字化加速发展的助力下，正迸发出无限潜能。 在驱动工业数字化转型多股交织的力量中，不断演进的5G新一代信息通信技术以其大带宽、低时延、高可靠、广覆盖等“天然”特性，为工业领域的数字化、网络化、智能化转型提供了强大的基础设施，正成为推动工业企业数字化转型的新引擎。然而，现阶段，5G在工业领域的应用仍落后于消费领域。细分门类多、行业门槛高、定制需求强、投入成本大等因素都在阻碍着新技术在工业领域的快速应用。要真正发挥5G技术的价值，使其成为实体产业高质量发展的推动力，就迫切需要与实体经济融合应用创新，需要与工业领域的运营技术（OT）深度融合，与工业自动化体系相融合。 施耐德电气自2019年开始在位于无锡和广州的工厂部署5G网络，并进行了大量的性能和安全测试，提出了5GC（5G核心网）全下沉，分散部署，集团统一管理的架构和运维模式。2022年开始落地5G多园区专网方案，遍布全国二十几家智慧工厂和物流中心，实现网络统一标准，应用快速复制和管理统一集中。例如，在生产制造环节，PLC南向5G连接的突破打破了工业控制最底层的固有框架，PLC可以远程控制尽可能多的底层机构和设备，打破了线体原来固定的的框架，实现柔性化生产；在仓储物流环节，基于一张5G专用网络完成数据传输和定位，能够实现对AGV小车等可移动工装设备的管控与路线优化，提升整体效率；在运营维护环节，5G+AR/MR让工程师即使远在天边，也能以第一视角看到、听到甚至“摸到”现场的真实场景并远程“会诊”指导现场人员操作……在这些实际场景中，5G的技术自身的特性与施耐德电气在制造领域的深厚积淀融为一体，带来灵活性、韧性和效率的极大提升。 作为5G工业应用的积极践行者，施耐德电气也希望将自身的成功经验分享给更多工业企业，与业界共同推动产业数字化进程，共享数字技术带来的红利。当前，5G在工厂网络中更为广泛的应用还聚焦在管理层级，更加深入的自动化控制领域，如逻辑控制、运动控制和过程控制等仍鲜有涉及。5G+PLC深度融合白皮书选择工业自动化的核心控制器PLC作为“主角”，阐述5G+PLC在离散制造业的应用，涉及产线设计到运维全生命周期中的5G网络规划、部署、运维及性能要求，同时辅以应用详解，“以线带面”地展示了5G为制造业生产模式带来的深刻改变，推动未来工业领域变革。 随着5G和生产核心环节的融合成为支撑产业高速发展的全新动能，施耐德电气愿与所有合作伙伴聚力共赢，更好地利用5G技术优势，加速企业数字化转型，迈向更加开放、高效与韧性、可持续、以人为本的未来工业。 庞邢健 施耐德电气高级副总裁工业自动化业务中国区负责人 目录CONTENTS 15G+工业互联网产业发展现状7 25G+PLC在离散制造业的应用背景10 2.1离散制造业特点11 2.25G应用于离散制造的优势12 2.35G深入工业内网，赋能PLC南向控制领域13 35G+PLC应用典型系统架构14 3.1系统架构15 3.25G+PLC应用场景分类及对5G网络的需求17 45G网络规划、部署、运维及性能要求20 4.15G网络规划21 4.25G标准化网络部署26 4.35G+PLC应用的网络性能要求27 4.4精细化5G网络运营27 5案例详解5G+PLC自动化线体改造29 5.1产线改造前状态及痛点30 5.2网络性能测试32 5.3产线初期分析37 5.4项目实施注意事项39 5.5验收标准40 5.6实施效果41 6进阶应用——5G+PLC半手工柔性装配42 6.1项目概述及背景43 6.25G+PLC控制网络架构44 6.3案例5G适配性分析45 6.4实施效果46 7未来展望47 附件：专有名词解释及缩略语49 1.施耐德电气专有名词解释49 2.通信专有名词解释50 3.缩略语51 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+