工控应用需求与5G网络指标转译技术报告（离散制造领域）

工控应用需求与5G网络指标转译技术报告 ——离散制造领域 （2024年） 工业互联网产业联盟2024年10月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 编写说明 近年来，主流制造强国纷纷推出产业政策，推动制造业的数字化转型，以促进制造业智能化转型。2013年，德国提出“工业4.0”战略，建设高端智慧工厂和智能制造创新中心；日本发布“制造白皮书”，提出“社会5.0”计划，发展机器人、新能源汽车、3D打印等；2015年，战略，加速制造业转型升级。在智能工厂主要5大特征（互联、优化、透明、前瞻和敏捷）中，互联是 前提，也是最大的价值所在，而网络连接技术是实现人、机、料、法和环互联的基础。5G技术作为新一代移动通信技术，切合了智能制造对无线网络的应用需求，在时延、带宽和可靠性等能满足工业环境下设备互联和远程交互应用需求。 随着5G新型基础设施建设政策的发布，以及国家倡导的5G应用“扬帆”行动计划，我国5G网络加速普及并全面协同发展，从信息通信实现人与人之间的连接，迈向万物互联的数字化新时代。5G技术将应用于工业、农业、家居、医疗、物流、交通等各个领域，助力全球数字化转型。其中，工业是5G应用的重点领域，“5G+工业互联网”为传统领域带来了新的机遇与挑战。 最近几年，在离散制造业的人机料法环生产管理，例如数采、视频监控、移动巡检、MES看板、物流AGV调度等，以及矿港钢等流程行业的远控，例如天车远控、龙门吊远控、无人集卡、采煤机远控、掘进机远控等场景，5G已经开始进入1到N的批量复制阶段。而“5G+工业互联网”进入PLC级现场级控制的核心生产环节，目前还0~1的孵化阶段，这是真正促进柔性生产的最关键的一环，同时这也是对5G网络的低时延、低抖动，高确定性、高可靠性、高稳定性有着相对更高的需求。 本研究报告就是面向“5G+工业互联网”进入PLC级现场级控制的核心生产环节，致力于分析离散制造工控领域业务场景和应用需求对5G网络指标需求的映射与转译方法。为孵化并催熟“5G+工业互联网”真正进入核心生产环节实现柔性生产铺平一些道路。 参与编写单位：中国信息通信研究院、华为技术有限公司、中国电信股份 有限公司研究院、中国移动通信有限公司研究院、中国联合网络通信有限公司研究院、菲尼克斯（南京）智能制造技术工程有限公司、吉利汽车研究院（宁 波）有限公司、精诚工科汽车系统有限公司、深圳艾灵网络有限公司、罗克韦尔自动化、高通无线通信技术（中国）有限公司、北京航空航天大学、北京科技大学、贵州大学 编写组成员（排名不分先后）： 中国信息通信研究院：黄颖、朱瑾瑜 华为技术有限公司：包盛花、孙俊男、马刚鑫 精诚工科汽车系统有限公司：袁占江、黄晓笠、李凡吉利汽车研究院（宁波）有限公司：阚小琳、王灵峰中国电信股份有限公司研究院：魏垚、廖洁玉、李洋中国移动通信有限公司研究院：侯庆东、郭姗、李晗阳 中国联合网络通信有限公司研究院：张涛、李静、安岗、李文杰北京航空航天大学：刘艳强 北京科技大学：孙雷、王健全贵州大学：邹赛 深圳艾灵网络有限公司：俞一帆、耿庆官 菲尼克斯（南京）智能制造技术工程有限公司：张龙、陈敏、富宣罗克韦尔自动化：李铮 高通无线通信技术（中国）有限公司：陈卓 目录 一、5G进入现场级工控领域的价值与挑战典型场景1 （一）典型场景1 （二）关键价值7 （三）主要挑战8 二、基于工控业务需求的应用KQI指标描述9 （一）现场级工控场景应用的KQI概述10 （二）应用KQI之一：通信服务可用性10 （三）应用KQI之二：生产节拍15 （四）应用KQI之三：安全Safety18 （五）应用KQI之四：控制精度25 三、网络KPI指标定义28 （一）RTT最大时延28 （二）RTT平均时延28 （三）最大RTT时延抖动28 （四）最大接收包间隔抖动29 （五）丢包率30 （六）时间同步精度30 四、业务KQI对网络KPI需求的转译方法30 （一）指标转译及映射方法30 （二）工控KQI与5GKPI的映射模型31 （三）5G网络指标的分级分档32 （四）转译工具工作原理34 五、应用案例36 （一）通信服务可用性转译应用案例36 （二）生产节拍转译的案例38 （三）生产安全转译的案例41 （四）生产精度转译的案例43 附录46 参考文献48 一、5G进入现场级工控领域的价值与挑战典型场景 （一）典型场景 1.离散制造工厂的网络架构 传统工厂网络以ISA-95架构为基础，划分为5层：从上至下依次为ERP、MES、SCADA、PLC和现场设备。根据行业属性和企业规模不同，会进行层次优化调整：离散制造行业例如汽车制造领域以MES+PLC层的应用为主，SCADA层相对简化。如图1所示，将汽车制造领域应用场景按照MES、SCADA、PLC三层进行分类，并分开说明各场景下的业务需求。 图1ISA95标准定义的5层业务架构 ERP（企业资源计划）和MES（制造执行系统）属于生产管理网的IT网络，ERP系统需要汇总客户需求，并整合当前资源（仓储/物流/产能等），并最终将生产计划下发至工厂侧；MES制造执行系统负责工单/人/机/料的管理，核心是提升生产管理能力，主要应用于离散型制造业（将原材料加工成零件，经部件组装和总体组装成为成品，完全按照装配方式生产加工的制造类型，例如3C/家电/汽车）例如汽车制造中，完成生产决策到生产过程的衔接工作，其核心是生产调度（生产任务的细化，工单下达，协调）和生产管控（管理设备，生产状态，质量监控），侧重生产的人机料法环管理。 图2MES系统应用场景示例（某离散工厂） SCADA（数据采集监视控制系统）属于监督控制网，SCADA系统负责大型设备系统实时监控和集中操控，主要应用于流程型制造业（典型的流程工业包括电力、石油、煤矿、化工、港口等）中完成例如采煤机、龙门吊、天车等设备的数据采集和监视控制工作，其核心是远距离人机交互和控制（遥测、遥信、遥控、遥调、遥视），侧重生产设备的管控。离散制造行业例如汽车制造领域 的SCADA层的典型应用是设备控制例如物流AGV和设备监控诊断。 图3SCADA系统应用场景示例（某煤矿开采区） PLC属于设备控制网，对包括如工艺AGV、EMS吊具、机器人、I/O设备以及各工艺工具等实际生产产线中的设备控制。 工厂控制网络一般按照工厂=>车间=>生产线=>工岛进行分层控制： PLC北向：PLC与SCADA/MES系统的通信，属于SCADA/MES层 PLC东西向：包括L2C和C2C •C2C(Controller-to-Controller)：工岛PLC与工岛PLC间的通讯，以及机器人与机器人之间系统控制时的通信。 •L2C(LinetoController)：产线PLC与工岛PLC间的通讯，或线边PLC与工艺AGV/EMS间的通信。往往业界通常有会将L2C归为C2C一类。 PLC南向：也称C2D(Controller-to-Device)或者C2IO(Controller-to-I/O)，工岛PLC到设备之间的通信，这些设备包括： •I/O类设备：如开关量传感器/执行器 •智能设备类：如工业机器臂 •运动控制类：如编码器/伺服电机 其中，PLC东西向和南向场景就是我们一般说的PLC现场级控制场景，是对网络的实时性、确定性要求相对最强的场景。 图4PLC现场级控制网络架构示例（某离散制造工厂） 2.PLC现场级控制场景 PLC现场级控制场景是指对包括如工艺AGV、EMS吊具、机器人、I/O设备以及各工艺工具等实际生产产线中的设备控制的场景，为了更加具体地描述现场级控制场景中的典型应用场景，本文以离散制造业中相对较具典型性先进性 的汽车制造生产车间为例来列举几类典型应用场景，并对比5G无线通信相对于传统有线通信的优势和价值。 1）C2C场景：工艺AGV 工艺AGV指与产线PLC有信号交互的AGV，一般AGV侧有本地主控、PLC或嵌入式控制装置，通过WIFI等无线手段与主线PLC或调度上位机/PLC等进行交互，传统WIFI通讯的问题为信号覆盖面积小，部分死角无信号，抗干扰能力差，同时可在线数量低，通讯时延长等问题。5G模式的AGV可解决上述问题，在通讯时延/质量/连接数/漫游等方面均有大幅提高，同时可以支持更低响应时间，提高生产节拍。 另一方面随着5G传输能力的不断提高，对于含PLC的工艺AGV可以将本地PLC云化至主线PLC或上位PLC中，AGV本地仅保留IO及驱动功能。注意，该方式下AGV本地应保留基本安全功能，如急停等功能，保障设备使用安全； 图5工艺AGV示意图 2）C2C场景：EMS EMS（ElectrifiedMonorailSystemConveyor）单轨自行运输车系统，在主要应用在汽车、家电等行业的输送及装配等方面，根据其负载可分为轻载EMS和重载EMS，按通讯方式可分为滑触线通讯、半波通讯、漏波通讯、波导通讯等。首先，物理连线的安装和维护要求较高，需要专业人员进行安装调试和定期检修，增加了人力成本。其次，这种物理介质通信方式与特定的分散控制器捆绑且集成技术基本被一些国外厂商垄断，增加了系统的采购成本。再者， 由于安装和维护过程繁琐耗时，它会在系统升级或故障恢复时导致生产线暂停，从而影响生产效率并带来经济损失。此外，传统系统的开放性不足，限制了与其他智能制造系统的集成能力。更换为5G方案可以消除对物理通信介质的依赖，从而简化了安装和维护流程，减少了因维护和升级导致的生产停滞时间，不仅降低了系统的运行成本，也提高了生产效率和系统的可靠性。 图6EMS示意图 3）C2C场景：机器人协同控制 焊装车间是汽车制造中自动化程度最高、机器人使用数量最多的车间。在焊装生产过程中，存在各种机器人与机器人协同工作的情况，如：两台或多台机器人协同焊接、协同涂胶、协同搬运。通过5G实现无线化，减少机器人间的线缆部署，网络简化，减少硬件成本，使产线部署更灵活。 图7机器人协同控制组网示意图 4）C2IO场景：工具切换/无线阀岛或IO设备 为适应产品制造由MTS（备货型生产）向MTO（按订单生产）乃至ETO（按订单设计）的变化，产线对柔性生产的需求不断提升，机器人的工具切换，正是一项有效对策，工具切换可以使机器人在工艺流程不同阶段使用不同工具，或通过更换不同工具适应生产不同型号产品的需求，使得多型产品共线生产成为可能；抓手、焊枪、涂胶枪、拧紧枪等是机器人的工具，工具端分布式IO模块与机器人PLC通过总线通信。5G无线化可以简化有线现场总线网络，减少硬件，减少维护工作量，减少空间旋转运动造成的物理通讯故障（断线、接头松动等），无现场总线物理对接，无通讯对接时重启等待时间，减少对接设备维护工作量，每一工具都是通讯永远在线状态，可提升生产节拍和效率。 图8工具切换图示 5）C2IO：随行夹具/转台/滑台等 随行夹具是汽车柔性生产线移动的工装设备，该工装设备通常有分布式IO设备如阀岛等，5G无线化可简化有线现场总线网络，减少硬件，减少维护工作量，减少水平运动造成的物理通讯故障（断线、接头松动等），无现场总线物理对接，减少对接设备维护工作量，提升设备开工率；每一随行夹具都是通讯在线状态，在多车型交替生产时，便于优化程序提升生产节拍和效率。 图9随行夹具示意图 5G逐步进入PLC层级的东西向、南向的核心生产环节各应用场景后，大大使能了车间