中国移动5G确定性工业生产网白皮书

中国移动 ChinaMobil SGDNA 中国移动 5G确定性工业生产网白皮书 5G CMR! SGONA CAICT 中国供通 AMEE ZTE中兴 ERICSSON H3C nspurR Qualcow /XOW Osprent 东信北邮 ttptauch IKD 工业是立国之本，强国之基。近年来，我国高度重视“5G+工业 前互言》互 规划，奠定了“5G+工业互联网”的发展基调。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的程楷，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、钢铁等工业企业的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的中坚力量。 目前，“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融入工业生产的愿景，编制了本白皮书，首先对5G融入工业生产的挑战进行分析，提出了以“跨域融合、确定可靠、算网一体”为核心理念的“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，结合端到端产业的 成熟情况，规划明确了面向目标架构的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的初步成果。 依托本白皮书，中国移动希望联合OT、IT、CT的各方合作伙伴共同推动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与工业生产网络的融合桥梁，助力5G和工业生产“技术融合。产品演进、生态繁荣”的愿景早日达成。 015G+工业互联网概述 01 02 5G融入工业生产的挑战 04 05 录 2.15G融入生产的组网融通挑战 2.1.2多模态接入制式融合 05 05 2.1.1多样化工业协议兼容遇配 2.1.3多层级工业生产环网简化 05 Contents 2.1.4挑战示例：闭环控制05 2.2生产控制对5G确定性能力的挑战 06 2.2.1时延抖动确定性 2.2.2数据通信可靠性 06 06 2.2.3异构融合安全性 06 2.2.4挑战示例：滑环控制06 08 2.3工业控制算力的算网一体化挑战 08 2.3.2基于5G实现实时性调度 08 2.3.1工业控制算网整合统 03 5G确定性工业生产网的体系架构 60 3.25G确定性工业生产网的网络架构 11 3.35G确定性工业生产网的技术体系 12 045G确定性工业生产网关键技术 13 10 3.15G嵌入工业生产环节的主要模式 14 4.15G确定性工业生产网的组网融合技术 14 4.1.1OT域组网融合 4.1.2IT+OT—网融合15 4.2.2高精度时间同步 20 4.25G确定性工业生产网的性能保障技术 18 18 4.2.1确定性时延保障 4.2.3确定性可靠保障 21 4.2.4确定性安全保障 23 24 4.35G确定性工业生产网的算网一体服务技术 24 4.3.1实时算力构建技术 25 4.3.2算网一体化方案 27 055G确定性工业生产网的演进步骤 5.1阶段一：辅助生产29 5.2阶段二：融入生产29 30 5.3阶段三：改变生产 31 5G确定性工业生产网探索与实践 06 6.1运动控制32 6.1.1应用场景与需求 6.1.2方案架构及应用效果 32 32 6.2DTU配电自动化33 33 6.2.2方案架构及应用效果 6.2.1应用场景与需求 34 6.3智能仓储物流 35 35 6.3.1应用场景与需求 6.3.2方案架构及应用效果 36 36 6.4全连接工厂 6.4.2方案架构及应用效果 6.4.1应用场景与需求36 6.5基于虚拟化PLC的桑性产线 37 38 38 6.5.2方案架构及应用效果 6.5.1应用场景与需求 38 39 075G确定性工业生产网展望 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的重要基础设施。5G作为通信服务的重要能力，是工业互联网的重要载体之一，为工业的高效发展注入了新的动能。 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、广覆盖的工业互联网。2017年，《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》正式印发，成为我国工业互联网的纲领性文件。随着2019年5G商用牌 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的快速建设，进而驱动经济社会数字化转型的高速、高质发展。[1] 高可量 56 国家爵干网路 企业1企业2企业3 二连： 第工业产品 产业层 收件定义 资原网坐切片 工厂外网 CAX PLM ERP SCM 5G 企业层 全覆差 大戏 企业与园区网路 MES 热网络普理无能网终爱盖 高可需 边缘层 5G 高安全高融合 生产控姆结 SCADA/DCS PLC/CNC 工业总理限共 工业数家案集 智e机s 专用设备成套设备仅器仪表 设备层 控制信电的痛 图1工业互联网阿络实框架 为落实国家关于“5G+工业互联网”的相关规划，标准组织和产业上下游企业积极响应号召，规范和引导我国“5G+工业互联网”的发展。2015年中国通信标准化协会CCSA成立了“工业互联网特设任务组”，旨在推动工业互联网标准体系的构建，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AII，旨在推动产学研用协同发展。工业互联网产业联 5G确定性工业生产网白皮书 盟发布了&工业互联网体系架构（版本2.0）》，提出了包含5G的工业互联网网络实施框架，明断，产5G+工业互联网”的“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的功能分布、系统设计与部署方式"，为“5G+工业互联网”的发 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的产业层、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”的在建项目总数达到了24003个。“5G+工 业互联网”已成为助推工业向数字化、网络化、智能化转型升级的重要力量*)。 随着“5G+工业互联网工作的走深向实，以及工业生产控制环节数字化转型的深入，工业生 产也对5G提出进一步的要求，期望5G能够深入到工业互联网网络实施框架的设备层，助力工业互联网实现三个方面的演进发展：首先，实现设备层的5G化连接，提供端到端便捷无线接入，简化生产 网络的布线与组网，助力柔性生产的实施；其次，提供更高的确定性、可靠性、安全性能力，实现 生产过程的5G化，进而满足产业层、企业层、边缘层、设备层的5G一网直达，助力5G对人、机、 料、法、环全流程的服务；第三，提供更便捷的算网融合服务，从单点生产到多域融合，支持工业 软件的部署并实现算力和网络的集中控制，助力工业控制的数字化和智能化服务。 5G确定性工业生产网白皮书 00000 5G融入工业 02生产的挑战 2.15G融入生产的组网融通挑战 工业生产控制网络经过数十年的沉淀与发展，已经形成了“协议多样化”、“制式多模态” “环网多层次”的网络现状。5G与存量工业生产控制网络的共存、融合以及互联互通是融入工业生 产网络的首要难题。 √2.1.1多样化工业协议兼容适配 目前的工业生产网络基本采用工业以太、工业总线等类型的工控协议，因所选用设备商以及服 务层级的不同，存在若“七国八制”的现状。因此在现有工业生产网络中引1入5G，首先需要解决的问题是确保新建5G可以兼容适配不同的工控协议，与存量网络进行互通互联。 ?2.1.2多模态接入制式融合 水平。 当前部分工业生产网络已经引入WiFi、Bluetooth（蓝牙）、ZigBee、UWB（UltraWideBand，超宽带）等接入制式满足定制化的无线通信需求，5G的加入将使接入方式更加多样。因此需要考虑如何利用5G高效的整合多种接入制式，形成统一的纳管和服务体系以提升多制式终端的管理 √2.1.3多层级工业生产环网简化 当前工业生产网络中，一套完整的生产系统会由多组、多层级的生产控制环网组成，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。为实现多环网的高效协同，工业生产网络也在寻求归一化的管理简化方案，能否实现工业生产多层级环网的融合统一和分域管理，是5G融入工业生产的新课题和新挑战。 √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的运 5 动结果，PLC可以实时了解运动执行情况，并及时纠偏，实现对机器的闭环控制，以及实时的高精度 运动控制3。 5G确定性工业生产网白皮书 PLC,周期性向驱动骼 驱动器将运动控制格令转换为电流控制 瑞码器采集电机速事位置等运动激据 PLC组态遍程 闭环控制) 编码器 运动结果数据回传给PLCPLC调整下发新的运动指含 运动数据回传给驱动器 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 在实际的生产过程中，复杂的闭环控制系统，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）综合进行控制指令的调整。5G在接入闭环控制系统时，需要考虑解决如下问题：一是兼容不同PLC控制器和伺服电机间的通信模式和通 信协议：二是对于采集数据的不同通信模式，也需要进行统一纳管。 生产控制对5G确定性能力的挑战 工业生产网络是驱动机械设备运转进行生产制造的网络，网络的“通信质量”与“通信精度” 等确定性能力，直接影响若生产品质以及生产安全。5G融入生产替代现有通信模式的基本前提就是要满足确定性、可靠性和安全性等方面的要求。 V2.2.1时延抖动确定性 工业生产网络的通信模式主要涉及确定性周期通信、确定性非周期通信、非确定性通信和湿合模式四大类。除了非确定性通信以外的其他三类通信模式对指令的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的下发与执行，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的此类通信场景时，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的服务难题。 5G确定性工业生产网白皮书 √>2.2.2数据通信可靠性 通信系统是工业生产设备之间的桥梁，必须保持通讯系统的稳定，确保控制指令的准确接收，才能实现工业生产设备的稳定运行。首先，5G通信系统应具备系统级可靠性以及节点级可靠性，避免因为通信设备的故障或者异常导致停工停产；其次，在数据通信过程中，5G网络应尽可能的降低 因系统扰动以及环境扰动而带来的数据丢包、乱序等问题，避免因数据包传输稳定度的变化导致的 生产速率降低或生产质量降低等风险。 V>2.2.3异构融合安全性 时5G自身的安全能力也需要符合工业生产网络要求。 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的安全隔离实现。5G融入工业生产，将打开工业生产网络相对封闭的环