马帅：基于5G+新型短距的全无线确定性工业控制技术

基于5G+新型短距的全无线确定性工业控制技术 中国移动研究院马帅 传统工业网络广泛采用有线技术，面临层级复杂、部署难度大，柔性化不足等挑战，亟需工业无线化网络。 以传统PLC为代表的工业控制面临架构封闭、缺乏算力等挑战，阻碍系统集成和数据流通，控制开放化需求强烈。 控制硬件白盒化 控制软件虚拟化 工业网络无线化、控制开放化需求强烈 工业网络无线化需求 采集类业务 连接类业务 控制类业务 典型工业应用对无线网络的需求 灵活性&可扩展性 简化网络层级 安全定位追踪 快速故障检测与维护 产线过程控制运动控制 设备远程控制控制-控制 传感器数据采集视频检测与采集 传感器数据采集视频检测与采集 工业控制开放化需求 柔性化生产 降低控制成本 扁平化组网 工业对开放自动化的需求 传统PLC IT/OT系统集成数据高效流转 控制与硬件解耦控制与连接解耦 个性化多样化快速化 现有无线技术在通信时延、抗干扰、稳定性等方面有待提升，难以满足工业对通信确定性、可靠性等极致的性能要求。因此，现有工业无线主要服务数据采集、视频回传、巡检等业务，难以深入工业控制的核心生产环节。 现有工业无线性能有待提升，阻碍其深入工业控制的核心环节 来源：HMSNetworks《工业网络市场分析报告》，2023 •有线连接为主：有线网络占比高，无线仅占8% •产线改造难度大：网络部署升级难度高，柔性化不足 工业无线应用受限，市场份额难以扩张 低时延 低抖动 高可靠 短周期 精同步 •无损能力需提升：现有无线技术低时延等性能有待提升 无线网络性能有待提升 虚拟化PLC旨在通过操作系统和虚拟化技术实现工业控制的软硬解耦，实现工业控制的开放。如何实现高实时OT控制与高算力IT应用并行，存在多种技术路径，缺少统一技术架构。同时，虚拟化PLC作为软件服务部署在各类设备上，缺乏协同，需要在集中化和性能间取得平衡。 工控场景多样，性能要求差异大 vPLC可以部署在各类设备上，设备间缺少协同，难以覆盖所有场景 集中度高 5G工业BBU 5G工业UPF MEC边缘服务器 网关 IPC 边缘控制器 工控周期短 虚拟化PLC缺少协同，难以覆盖所有场景 基于虚拟化PLC构建控制开放化，面临技术与协同挑战 虚拟化PLC存在多种技术路径，尚未形成针对工业控制的成熟解决方案 •AMP架构 通用 PLC任务 PLCRuntimeRTOS CPU0 LinuxApp Linux 硬件ETH1 CPU1 ETH0 CPU2 WiFi •Docker架构 PLC任务PLCRuntime Docker LinuxApp Linux-RT 通用硬件 •Hypervisor架构 PLC任务 PLCRuntime RTOS LinuxApp Linux Hypervisor 通用硬件 虚拟化PLC缺少统一技术架构 工控场景 运动控制 离散控制 过程控制 生化控制 工控周期 <1ms 2-10ms 10-50ms 50-100ms 针对工业无线和工控发展面临的挑战，研发5G新型短距融合技术实现南向无线化，研发5G确定性传输技术实现北向确定性通信，研发5G虚拟化控制技术实现vPLC协同编排，助力工业无线服务生产制造核心环节，推动OICT技术深度融合。 中国移动研发5G+现场网关键技术能力，推动OICT深度融合 系统应用层 5G虚拟化工业控制（vPLC）技术 为虚拟化PLC提供统一技术架构和协同编排服务 •符合IEC-61131-3 •vPLC端边协同 •Container/VM统一架构 •动态编排扩展 工控成本降低 50% 链路回传层 5G确定性通信技术 内生双发选优、时延控制，增强工业无线确定性传输性能 •双发选收 •授时精度<500ns •流量整型 •时延抖动<1ms 丢包率降低 40% 无线接入层 5G新型短距融合通信技术 融合星闪短距，实现网关南向无线化，简化现场维护难度 •更高确定性传输 •一体化融合网络 •数据分发策略增强 •替代工业有线 单向时延 ＜100μs 5G网络逐渐向生产控制环节拓展，在电力、矿山、工厂、港口等领域，涌现出了大量控制业务无线化的需求，但行业现场环境复杂、干扰大，对保障企业核心生产控制业务稳定运行构成挑战，需要5G确定性通信能力，提供更加可靠稳定的传输连接。 5G确定性通信能力，提供北向可靠性传输保障 确定性保障能力 异构网络融合能力 5G确定性通信能力架构 确定性保障能力 多路径冗余传输 毫秒级时延控制 高精度时钟同步 异构网络融合能力 网络原生二层互通 微秒级隧道封装 跨域QoS标识映射 技术特色能力 面向汽车智能制造、大型设备远程控制等场景对确定性无线传输的需求，基于5G行业现场确定性通信技术方案，创新研发“e灵石”5G确定性网关产品，实现多设备集中控制、工程设备远程控制场景下的数据与控制可靠传输，助力5G深入行业核心生产控制环节。 5G确定性通信能力的创新应用 •场景：钢厂无人天车远程控制 •方案部署：基于网关完成工程设备无线连接改造，通过双发选收、时延控制等硬件能力，实现端到端确定性传输保障 •部署效果：现场丢包率降低40%以上，抖动降低至1ms以内， 保障钢厂内天车远控业务连续运行无故障，生产效率大幅提升 钢厂无人天车远控现场 5G确定性网关部署天车 确定性控制器部署机房 在钢铁行业，无人天车远程控制的实践 在汽车制造行业，多设备集中控制的实践 •场景：汽车制造产线PLC-IO无线化控制 •方案部署：基于网关完成产线设备的无线化连接改造，通过异构网络融合、双发选收保障、确定性时延控制等能力实现多设备确定性无线互联互通 •部署效果：在工业看门狗实时监测下实现PLC-IO无线通信7x24小时不断链，测试结果可满足汽车制造控制业务需求 PLC确定性控制器确定性网关IO模块 基于5G确定性网关的PLC-IO高可靠无线通信验证 依托5G网元的资源和通信优势，基于端边云架构打造5G虚拟化工业控制技术架构，支持在vPLC在工业网关、BBU、UPF泛在部署，通过统一运行环境和端边云统一编排，实现各类控制场景全覆盖。 云 vPLC 编排管理 开发层 PLC应用开发门户 用户 服务层 vPLC编排管理平台 vPLC编排 实时性测量 5G核心网 5GC vPLC运行环境 5G基站 5G网元 运行层 工控安全服务 5G 工控网关 现场I/O 通用硬件 PLC Runtime vPLC 网络管理 设备管理 冗余热备 vPLC管理 Hypervisor Linux RTOS 通信能力TAN/TSN5GLAN Containerized PLC 编排调度管理 性能监控 编译下载 应用开发 开发层 PLC应用部署运维统一开发门户 服务层 vPLC部署管理统一编排平台 运行层 VM/Container统一运行环境 5G虚拟化工业控制，提供开放协同的统一技术架构 基于5G虚拟化工业控制技术架构，打造软硬解耦的5G工控网关，提供“5G连接+现场算力+PLC工控”的OICT融合能力，实现“传统PLC+数采网关”二合一，降低工控成本，构建扁平化的工控架构。 5G虚拟化工业控制的创新应用 5G工控网关是“传统PLC+数采网关”的二合一设备 SCADA/MES 5G 5G虚拟化工业控制网关 Modbus HMI Profinet Modbus EtherCAT 拧紧枪-1 机械臂-1 摄像头 拧紧枪-2 机械臂-2 测距仪 与国内某新能源企业合作，在电池组装PAC产线完成对国外传统PLC替代 简化控制层级 PLC+数采网关二合一替换 降低工控成本 设备与运维成本下降50%左右 全国产自主可控 国产硬件+国产软件 柔性编排扩展 支持虚拟化PLC编排互联 5G工控网关简化工控层级，降低工控成本 结合5G和新型短距通信的技术特点，基于异构融合组网的技术架构，从安全、质量、功耗、控制等方面开展系统创新，通过5G与新型短距的融合通信，实现网关设备的南向无线化，助推5G和现场网技术的协同创新。 5G+新型短距融合通信技术，实现南向无线化 广域与局域、微域异构融合组网的一体化架构 5G网络：实现工厂环境下秒级的数据存储和宏观调度、区域集成级数据采集，以及毫秒级动作时序处理的广域网络连接 新型短距：延伸5G服务，深入工业生产核心环节最后10-100米，实现终端之间的低时延、可靠的无线连接 安全：异构融合组网及统一接入鉴权认证 质量：全局链路质量管理及最优策略协同 5GC 配置测量 5G蜂窝 结果反馈 功耗：业务信道数据的低功耗传输 星闪 控制：微秒级状态保障/跨域网络异常上报 面向安全、质量、功耗、控制的技术创新 面向超低时延、超高可靠的工业传输需求，基于5G+新型短距融合通信技术实现南向无线化和可靠性传输，打造基于5G+新型短距的工控系统，可服务于运动控制、生产数据采集、产线无线化控制等应用场景。 5G+新型短距融合通信技术的创新成果 •联合产业发布基于5G+新型短距的电机同步控制原型系统，实现5G+新型短距融合通信向工厂生产核心环节延伸。 基于5G+新型短距的电机同步控制原型系统 •发布业界首台基于5G+新型短距的工控系统，为5G智慧工厂提供全新技术方案。 基于5G+新型短距的工控系统 在5G基础上融合新型短距、确定性传输、虚拟化PLC三项关键技术能力，打造全无线确定性工业控制系统，破解南向剪辫子、PLC软硬一体、确定性难以保障等难题，构建自主可控的新型工业控制架构，协同推动传统工控架构向扁平、无线、确定、开放方向演进。 控制旋钮 基于5G+现场网关键技术能力，打造全无线确定性工控系统 核心网UPF 工厂外网 云侧融合应用 用户UPF 网络交换机 工厂内网 工控主机 2.6G 4.9G 5G连接 5G工控网关 （虚拟化PLC+确定性传输） 车间内网 新型短距连接 IO设备 I/O设备 现场总线1 现场总线2 ... 传感器 伺服电机 传..感.器 旨在提供高可靠、高性能的工业无线网络 云 ERP PLM MES WMS 工业边缘APP AI 数据分析 远程监控 集控vPLC 区域边缘 边 5G 现场边缘 现场vPLC TAN 新型短距 端 推动传统工控架构向端边云开放协同方向演进 基于全无线确定性工控技术架构，联合某钢铁厂围绕天车无人行车开展试点验证，有望实现对传统有线连接和传统PLC的替换，相比传统方案，具有灵活组网、扁平部署、可靠性高等特点，可以显著降低设备和运维成本。 全无线确定性工业控制技术的应用展望 边缘集中化主控 中控室 5GC BBU 工业UPF （主vPLC） MES 服务器 5G确定性工控网关 （从vPLC） 5G确定性工控网关 （从vPLC） HMI x-电机 y-电机 z-电机 HMI （天车） （车间） 远程I/O 驱动柜 开关柜 x-电机 y-电机 z-电机 HMI （天车） 天车1 天车2车间辅助设备 加强产业链全方位合作，创新共赢新工控新网络 产业协同 联合产业力量，引入能力，相互协同，形成合力 标准 打造全无线工控与行业融合标准 开放合作创新共赢 应用 推动全无线工控示范应用，携手产业创新 商业模式 探索新的商业模式，加速全无线工控规模复制 产品 围绕全无线工控，构筑现场级平台产品 中国移动愿携手产业伙伴 共同推动OICT技术深度融合共创新型工业化发展新格局 中国移动研究院公众号中移智库公众号