都晨辉：5G确定性网络使能5G融入生产

5G确定性网络使能5G融入生产 中国移动研究院都晨辉 2022.12 5G融入生产是实现5G全连接工厂的重要攻关方向 5G+工业互联网，已在产业层、企业层、边缘层打造典型应用，面向5G全连接工厂的愿景，全面打通人、机、料、法、环、测等要素及生产环节、业务流程，还需5G向融入生产迈进，深入到实施框架的设备层 产 业5G 高可靠低时延 大带宽 公有云/私有云/数据服务 工 I层国家骨干网络 企业1企业2企业N 普通互联网连接 高质量专线连接 智能工业产品厂 T软件定义资源预留网络切片 域 出口网络设备 外 网安全质检高清安防数据采集 企 业5G 高可靠全覆盖 大带宽 CAX PLM ERP SCM 网络控制器 园区网络设备 私有云/数据服务器 层企业与园区网络 云边协同设施 边敏捷网络管理无线网络覆盖 MES SDN网络设备 确定性网络设备 确定性网络设备 园区无线网络工 （5G/WiFi6）厂 AR运维 智慧物流 远程辅助 O缘 域设 T层5G 高可靠高安全 SCADA/DCS 网络控制器 TSN交换机 工业以太交换机RTU 内 园区无线网络网 高融合 生产控制网络 边缘设备接入 备工业数据采集 PLC/CNC 边缘网关 工业总线模块 工业以太网模块 TSN模块 蜂窝网络模块 （5G/WiFi6/WIA） 无线网络模块 智能巡检 无人矿卡AI质检 层控制信息传输智能机器专用设备成套设备仪器仪表 辅助生产应用场景 工业互联网网络实施框架源自：工业互联网体系架构（版本2.0）-AII 2 5G融入生产旨在推动工业控制系统的5G化改造 根据产业的成熟度以及工业生产无线化层次要求的不同，打造“5G确定性工业生产网”，通过三种模式满足MES、HMI等IT系统的通信需求，以及SCADA、PLC甚至机器设备伺服/IO等OT系统间的通信需求 模式一：无线数采 SCADA/HMI/上位机 模式二：远程控制模式三：云化控制 5G工业UPF、工业边缘平台 SCADA/HMI 虚拟化PLC SCADA/HMI/上位机 主PLC 5G 现场总线 5G 现场总线 5G 5G工业网关 现场总线 主PLC 从PLC 工业视觉传感器电机等机器设备 工业视觉传感器电机等机器设备 工业视觉传感器电机等机器设备 3 5G融入生产尚面临三大挑战 5G融入生产，首先需要克服与存量工业生产控制网络的“组网融通”难题，其次要满足生产控制的”确定可靠”能力要求，最后还需要实现“算网一体”达成数据和信息在各要素、各系统间的高效传递和高性能处理 •协议多样化："七国八制"工控协议 •网络多连接：多样性存量网络互联 •环网多层级：多组多层级环网并行 •确定性时延：实时、精准的指令下发 •确定性可靠：稳定、高质的指令投递 •确定性安全：融合、保密的生产系统 •实时性算力：统一、实时的算力底座 •算网一体化：高效、灵活的应用融合 4 5G确定性工业生产网助力5G融入生产 中国移动积极推进5G融入生产，构建“5G确定性工业生产网”四层架构，打通5G网络与工业生产网跨域融合通路，锻造确定可靠服务保障能力，提供算网一体化的基础设施底座。 5 5G确定性工业生产网测试床目标及计划 5G技术验证 产业能力适配测试床平台迭代 解决方案孵化 促进5G网络技术成熟 协同产业链健壮发展 技术认证，测试床自演进 商用方案催熟，成果固化 二期：改变生产关键能力验证 •上下游产业链路标迭代，营建改变生产能力演进 一期：融入生产关键能力验证 •OICT多域能力协同，初探融入生产关键能力 2022年 测试床筹建 2023年 融入生产产线验证 2024年 •合作伙伴征集，实验室搭建 •聚焦典型场景，构建示范案例 6 5G确定性工业生产网测试床成果简介 5G厂商 CT终端 OT厂商 IT交换机 仪表厂商 中兴 高通/宏电/中兴 罗克韦尔/三菱电机 MOXA/H3C/航天新通 思博伦 5G传输网设备 基站BBU 基站AAU 高通5GTSNCPE 宏电5GLAN单模CPE 宏电5GLAN双模CPE中兴DS-TT 运动控制、安全、普通冗余PLC 伺服驱动器和伺服电机 安全远程IO 时钟测试仪 IP流量测试仪 干扰仪 5G核心网 基站天线 中兴TUE 普通远程IO IEField测试平台 H3C、MOXA、航天新通TSN交换机7 测试床关键成果-实时I/O通信 构建5GLAN二层组网环境，结合组播通信和PRP冗余传输机制，验证实时I/O通信四大场景，可满足离散制造(家电、包装)、流程制造(化工、水务、冶金等)中基础实时I/O通信需求 测试场景 单无线实时I/O通信 I/O 关键技术 5GLAN二层组网 5GC 5GLAN1 PLC 5GLAN组播通信 5GC 应用场景 主PLC 双无线实时I/O通信 I/O UE 5GLAN2 UPF PLC I/OUE UPF 查询器 备PLC 化工生产 冗余PLC与实 满足通过5G现场I/O设备与PLC之间LAN内通 信，以及多LAN通信的需求 满足主备PLC冗余部署时，I/O通过IGMP组网 通信向主备PLC发送数据的通信需求 时I/O通信 PRP冗余传输实时I/O通信 I/O LANA 5GLAN+PRP冗余传输 5GC UE UPF PLC 水务监测 PRP交换机支持PRP LANBUE 提升5G通信可靠性满足替代有线环网、有线AB网通信的需求 冶金炼化 8 测试床关键成果-机器安全控制 测试床采用DS帧结构、上行周期预调度、高优先级5QI调度等技术，优化安全控制场景的时延指标经验证可以满足安全继电器、急停控制、光幕检测等机器安全控制场景的应用 关键技术 应用场景 DS帧结构 上行周期预调度 高优先级5QI调度 UDM NRF SMF AAU(2.6G/4.9G) Fronthaul- 5G GrandMaster Fronthaul- AMFPCF… UPF 安全继电器 UE PRP IDUII CU 5GS SPN H3CIE4320 H3CIE4320 MOXAG503 PRP 急停控制 远程安全IO 光幕监测 9 测试床关键成果-运动控制 测试场景 关键技术 应用场景 依托多协议时间同步、TSN、低时延、冗余传输四大关键技术，面向运动控制五大测试场景，经验证可满足输送、分拣、装配、灌装等典型场景的运动控制通信需求 多协议时钟同步TSN确定性时延通信 CUC 单PLC控制单伺服电机 802.1AS/1588V2 UEDS-TT I/O 5GGM TSNAF TSCTSF TSN 5GTSN网桥UE CNC TSNAF UPF TSN NW-TT UEDS-TT 802.1AS/1588V2 交换机 交换机 单PLC多伺服 电机轴同步 多LAN多PLC I/O   UPF 时间同步精度<1us平均同步精度300ns PLC DS-TTNW-TT 时延抖动<100us 输送分拣 组网 单LAN多PLC 组网 低时延通信 高可靠冗余传输 AMFSMF 工业工业 UERAN UD 多业务流混合组网 交换机 UEUPF 4.9G，DS帧结构 交换机 I/O 交换机UE RAN PN F交换机 4.9G，DS帧结构 双向时延<10ms@99.99% 双向时延<10ms@99.999% 装配灌装 海尔洗衣机产线的痛点 滚筒洗衣机产线需要完成洗衣机缸体的翻转、托举、夹抱等动作，将导致拖链电缆的折损，进而影响主/从PLC之间的通信稳定性，致使整个产线停机检修 一个厂房约有10条产线 每条产线有200~300个从PLC 产线上主/从PLC之间采用串行连接 20%的从PLC属于拖链系统 从PLC 主控PLC 5G融入洗衣机产线的试点应用 联合海尔、华为共同打造洗衣机产线拖链系统5G化解决方案，整合5GLAN、原生双发选收、低时延和动态QoS四大技术方案，助力洗衣机产线的顺利剪辫子，解决刚需问题 Profinet协议的原生承载与直连通信@5G-LAN满足产线连续生产的99.99%可靠性@原生双发选收 满足主/从PLC通信时延<16ms要求@低时延满足5G在产线一网多用及差异保障@动态QoS 5G确定性生产网产业展望 以用促研以终为始由点及面 •统一标准、产业架构和技术发展路线 •针对性技术攻关、标准制定和业务模板设计，OICT技术融合融通 •协同上下游能力衔接，对齐产品路标 •构建测试床助力能力贯通，推动新技术新产品迭代演进 •培育创新应用，树立产业信心 •聚焦典型场景，打造标杆工程，从样板房到商品房，促进产业生态繁荣 13 中国移动研究院中移智库