西門子-5G與工業(yè)自動化融合應(yīng)用研究報告2024

本研究報告所有內(nèi)容的知識產(chǎn)權(quán)歸中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院和西門子(中國)有限公司共同所有，并受法律保護(hù)。任何單位和個人未經(jīng)中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院和西門子(中國)有限公司共同授權(quán)，不得使用或轉(zhuǎn)載本報告中的任何部分。違反上述聲明者，中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院和西門子(中國)有限公司將追究其相關(guān)法律責(zé)任。1當(dāng)前，數(shù)字化浪潮已成為變革性力量，深化IT、CT與OT融合是全球數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的大趨勢。需要充分發(fā)揮新一代信息通信技術(shù)對制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新驅(qū)動作用，加快推進(jìn)新型工業(yè)化。國通過政策引導(dǎo)、建設(shè)指引、試點(diǎn)示范等措施，持續(xù)推進(jìn)5G在各行業(yè)的應(yīng)用，全國范圍內(nèi)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目成規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢。歐美各工業(yè)強(qiáng)國通過制定政策、成立聯(lián)盟、分配工業(yè)專用頻段等方式，加快推動5G工業(yè)應(yīng)用。5G工業(yè)應(yīng)用已成為國內(nèi)外工業(yè)企業(yè)推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型、建設(shè)智能工廠的重要抓手。5G為工業(yè)控制系統(tǒng)提供新的通信方式。當(dāng)前，5G工業(yè)應(yīng)用已從生產(chǎn)外圍輔助環(huán)節(jié)逐步深入至生產(chǎn)核心控制環(huán)節(jié)。工業(yè)自動化廠商、運(yùn)營商、ICT廠商等均積極探索實(shí)踐5G與工業(yè)自動化融合應(yīng)用的新技術(shù)、新產(chǎn)品、融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、應(yīng)用方案等。為加快推動5G在工業(yè)自動化領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院、西門子(中國)有限公司聯(lián)合編寫《5G與工業(yè)自動化研究報告重點(diǎn)梳理了5G與工業(yè)自動化融合應(yīng)用的需求、組網(wǎng)架構(gòu)，展示了5G在移動機(jī)器人、AGV、遠(yuǎn)程控制和工業(yè)控制器2間實(shí)時通信中應(yīng)用的解決方案，從終端、技術(shù)、網(wǎng)管三個方面總結(jié)了5G與工業(yè)自動化融合應(yīng)用挑戰(zhàn)，并對5G與工業(yè)自動化融合應(yīng)用的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。希望研究報告將為我國5G在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用中技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用實(shí)施提供參考。1中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院：西門子(中國)有限公司：張兆中王加雷李卉琳宋欣桐馬新翔王辰菲I 1 1 2 5（一）5G促進(jìn)生產(chǎn)方式變革及工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展 5 6 6 6 6 7 8 8 9（一）組網(wǎng)架構(gòu) 9（二）組網(wǎng)模式 10 10 11 13 14 15 15 15 17 18 18 19 20 20 21 22 22 23 24 24（二）網(wǎng)絡(luò)確定性與高實(shí)時性不足 24 25 26 26 26（三）建設(shè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)綜合管理平臺 261一、國內(nèi)外5G工業(yè)應(yīng)用情況5G通信網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)控制系統(tǒng)提供新的通信方式。傳統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線。隨著生產(chǎn)線的柔性化發(fā)展，工業(yè)通信的無線化需求日益增加。5G的低時延、高可靠特性為工業(yè)控制系統(tǒng)適應(yīng)更加靈活生產(chǎn)方式的變革提供了可能。5G網(wǎng)絡(luò)可為生產(chǎn)現(xiàn)場中PLC、HMI等控制設(shè)備之間，及控制中心SCADA與現(xiàn)場控制設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)傳輸通道。我國及歐美工業(yè)強(qiáng)國根據(jù)本國實(shí)際情況，采取系列措施推動5G在工業(yè)的應(yīng)用。（一）我國5G工業(yè)應(yīng)用情況應(yīng)用持續(xù)深化。工業(yè)和信息化部在2019年印發(fā)《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案》，2021年分兩批共發(fā)布20個典型應(yīng)用場景和10個重點(diǎn)行業(yè)實(shí)踐案例，2022年發(fā)布《5G全連接工廠建設(shè)指南》。系列政策為開展5G工廠建設(shè)提供了指導(dǎo)，推動“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”由起步探索階段邁向深耕細(xì)作、規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵階段。當(dāng)前，5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已從生產(chǎn)外圍輔助環(huán)節(jié)逐步深入至生產(chǎn)核心控制環(huán)節(jié)。目前，飛機(jī)、船舶、汽車、電子、采礦等主要產(chǎn)業(yè)已開展“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”創(chuàng)新實(shí)踐，形成遠(yuǎn)程設(shè)備操控、機(jī)器視覺質(zhì)檢、無人智能巡檢等一批典型應(yīng)用，2我國“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”建設(shè)項(xiàng)目數(shù)超過10000個，對企業(yè)降本、提質(zhì)、增效的支撐重要作用不斷顯現(xiàn)。2021年至2023年，5G工廠連續(xù)三年作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)示范項(xiàng)目，共遴選83家。目前從國內(nèi)5G專網(wǎng)總體應(yīng)用情況來看，部署方式以虛擬專網(wǎng)和混合專網(wǎng)方案為主，可滿足對實(shí)時性要求相對不高的工廠應(yīng)用需求。歐美各國通過制定政策、成立聯(lián)盟、分配工業(yè)專用頻段等方式，加快推動5G工業(yè)應(yīng)用。2017年德國開始實(shí)施“5GStrategyforGermany”戰(zhàn)略，推進(jìn)5G在德國的應(yīng)用，尤其在工業(yè)領(lǐng)域，以西門子、博世為代表的工業(yè)企業(yè)積極推進(jìn)5G服務(wù)工業(yè)的應(yīng)用研究與實(shí)踐。2018年歐盟成立了5G-ACIA聯(lián)盟，推動5G工廠建設(shè)。2018年以來歐盟各國電信運(yùn)營商紛紛與制造企業(yè)合作開展5G應(yīng)用探索。2019年，愛立信在伍斯特郡建設(shè)了英國第一個5G工廠，探索使用5G進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)、機(jī)器維護(hù)遠(yuǎn)程指導(dǎo)等應(yīng)用。2018年以來美國電信運(yùn)營商加快了5G與制造業(yè)融合應(yīng)用的實(shí)踐。2018年，美國電信運(yùn)營商AT&T與三星電子在德克薩斯州打造了美國第一個專注于5G在制造業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)新區(qū)，促3系統(tǒng)設(shè)備制造基地，面向工業(yè)界提供5G測試床等措施，加快5G技術(shù)研發(fā)，滿足行業(yè)應(yīng)用需求。對于工業(yè)5G的部署，歐美各國紛紛選擇了優(yōu)先發(fā)展“5G工業(yè)專頻專網(wǎng)”建網(wǎng)路線。德國、法國、瑞典、英國等歐洲工業(yè)強(qiáng)國，均分配了工業(yè)專用頻段。例如，為幫助企業(yè)獨(dú)立部署邦網(wǎng)絡(luò)局BNetzA正式對外開放3.7GHz-3.8GHz的5G專網(wǎng)頻段申請。企業(yè)只需按照流程申請并支付較低的費(fèi)用，就可獲得這些5G專網(wǎng)頻段使用權(quán)來自建5G專網(wǎng)。在頻譜政策的帶動下，垂直行業(yè)的龍頭企業(yè)積極申請頻譜自建5G專網(wǎng)。截至2023年1月德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局累計已受理并通過293份3.7-3.8GHz頻段的5G專用網(wǎng)絡(luò)頻率申請。在這些申請機(jī)構(gòu)中，奧迪、寶馬、西門子、博世、巴斯夫等多家工業(yè)巨頭成為主力。美國也在2020年通過拍賣CBRS頻段（3.55GHz至3.7GHz之間的共享頻譜為5G專網(wǎng)發(fā)展提供了頻譜資源。企業(yè)可以在沒有頻率干擾風(fēng)險的區(qū)域利用該頻段自建5G專網(wǎng)。隨著頻譜釋放，美國運(yùn)營商、云廠商、垂直行業(yè)已經(jīng)展開了爭奪5G專網(wǎng)市場的競爭。例如，美國最大的移動運(yùn)營商Verizon推出了面向5G專網(wǎng)的OnSite5G一體化解決方案，亞馬遜AWS已推出AWSPrivate5G服務(wù)，農(nóng)機(jī)巨頭約翰迪爾已在其工廠利4歐美各國分配工業(yè)專用頻段主要基于以下考慮：1.催生大量新的微型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，這些“運(yùn)營商”各自專注于不同的垂直領(lǐng)域；2.催生大量的設(shè)備及技術(shù)供應(yīng)商，這些供應(yīng)商能為垂直行業(yè)提供更優(yōu)化的設(shè)備和應(yīng)用；3.倒逼傳統(tǒng)公網(wǎng)運(yùn)營商面向垂直行業(yè)加速商業(yè)模式轉(zhuǎn)型；4.專網(wǎng)頻段將增強(qiáng)垂直行業(yè)尤其是工業(yè)巨頭的全球競爭力。于3GPPR15版本標(biāo)準(zhǔn)。對于支持高實(shí)時性工廠應(yīng)用存在技術(shù)局限，還未在工廠大規(guī)模部署。隨著基于R16版本標(biāo)準(zhǔn)的5G產(chǎn)業(yè)鏈成熟，以及工業(yè)頻段為主的建網(wǎng)模式逐漸形成規(guī)模，未來歐美國際工業(yè)龍頭將會繼續(xù)探索5G高實(shí)時與高價值應(yīng)用，以及與現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合互補(bǔ)的優(yōu)化方案。5二、5G與工業(yè)自動化融合應(yīng)用的需求（一）5G促進(jìn)生產(chǎn)方式變革及工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展當(dāng)前，全球供應(yīng)鏈面臨著短期復(fù)雜變化的風(fēng)險，如何快速響應(yīng)不斷變化的市場需求，并且根據(jù)供求關(guān)系快速決策生產(chǎn)，是我國企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。通過5G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)自動化系統(tǒng)深入融合，可以替代緊密耦合的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)更靈活的生產(chǎn)方式。通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全廠數(shù)據(jù)互通，加速OT與IT系統(tǒng)的融合，可實(shí)時、動態(tài)、快速的制定生產(chǎn)計劃，從而提高產(chǎn)線利用率和生產(chǎn)靈活性，助力企業(yè)應(yīng)對多變的市場挑戰(zhàn)。隨著工廠數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級的深入，工廠設(shè)備的移動化、生產(chǎn)線的柔性化、通信的無線化需求日益增加。當(dāng)前5G在工廠的應(yīng)用已從生產(chǎn)外圍輔助環(huán)節(jié)逐步深入至生產(chǎn)核心控制環(huán)節(jié)。通過利用以5G為代表的新一代信息通信技術(shù)，并充分融合工業(yè)自動化技術(shù)，建設(shè)產(chǎn)線級、車間級、工廠級的5G工廠，將帶來工廠生產(chǎn)方式根本性變革。工業(yè)自動化技術(shù)是5G工廠的基礎(chǔ)技術(shù)。在5G工廠中，5G支撐升級的工廠自動化應(yīng)用主要包括HMI、遠(yuǎn)程控制、AGV、工業(yè)機(jī)器人、閉環(huán)控制，其與5G高數(shù)據(jù)傳輸速率、海量設(shè)備接入和低時延、高可靠三大特性對應(yīng)關(guān)系如圖2-1所示?？梢钥闯?，主要應(yīng)用5G的低延時、高可靠和高速率特性，增加HMI、工業(yè)機(jī)器人的移動性，增強(qiáng)AGV移動的靈活性，提高遠(yuǎn)程控制6的可靠性，及現(xiàn)場控制回路組網(wǎng)的靈活性。（二）工業(yè)自動化對5G網(wǎng)絡(luò)的需求1.5G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品要滿足工業(yè)產(chǎn)品特性要求5G行業(yè)終端，集成到PLC、AGV等工業(yè)自動化設(shè)備的5G模組，及應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場5G組網(wǎng)的5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，須具備抗電磁干擾、抗粉塵、抗震動、適應(yīng)高低溫環(huán)境等工業(yè)產(chǎn)品的特性。2.5G網(wǎng)絡(luò)的可靠性是在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的核心要求工廠通信服務(wù)的可用性取決于通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。典型的工廠自動化系統(tǒng)需要連續(xù)運(yùn)行，短暫的通信中斷可能會導(dǎo)致自動化應(yīng)用程序故障，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。用于閉環(huán)控制應(yīng)用的5G網(wǎng)絡(luò)需要滿足高可靠的無線通信，保證最大丟包率不高于5×10-7，且沒有連續(xù)丟包。3.低抖動是低時延需求的關(guān)鍵參數(shù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中最重要的因素是時延和可能的抖動。傳輸時間7LTE公網(wǎng)LTE專網(wǎng)5G專用網(wǎng)絡(luò)5G專用網(wǎng)絡(luò)或時延是信息從源傳輸?shù)侥康牡厮ㄙM(fèi)的時間。在自動化控制應(yīng)用場景中，數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸須在給定的時間段內(nèi)完成。該時間段決定了最大允許的端到端時延?；赗15版本標(biāo)準(zhǔn)的5G專網(wǎng)，時延加上抖動有可能達(dá)到100ms以上，如圖2-2LTE公網(wǎng)LTE專網(wǎng)5G專用網(wǎng)絡(luò)5G專用網(wǎng)絡(luò)0204060延遲抖動4.5G需要承載工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議隨著5G向工業(yè)生產(chǎn)核心控制環(huán)節(jié)應(yīng)用發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場自動化生產(chǎn)對低時延、確定性等通信需求。目前，西門子已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在5G網(wǎng)絡(luò)中傳輸PROFINET協(xié)議。85.5G網(wǎng)絡(luò)需要提供故障診斷接口5G網(wǎng)絡(luò)需要提供允許工業(yè)用戶對5G通信服務(wù)的QoS進(jìn)行診斷和監(jiān)控的接口，用來持續(xù)捕獲表征5G通信服務(wù)質(zhì)量所需的數(shù)據(jù)，包括有關(guān)物理連接、邏輯鏈路和子網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時快速分析故障原因。6.5G網(wǎng)絡(luò)安全需要融入工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)縱深防御中5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施需要融入到工廠自動化網(wǎng)絡(luò)縱深防御體系中，保障通信安全，并防止服務(wù)中斷和數(shù)據(jù)損壞。此外，通過5G與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全的融合，可以檢測潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊，全面保護(hù)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的安全并減少停機(jī)。9工廠內(nèi)網(wǎng)本地網(wǎng)絡(luò)-T ERP.工廠內(nèi)網(wǎng)本地網(wǎng)絡(luò)-T ERP....OT環(huán)網(wǎng)....不同工廠的實(shí)際連接需求、接入設(shè)備類型、實(shí)際應(yīng)用需求的不同，使得5G工廠網(wǎng)絡(luò)也會有區(qū)別，但總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般遵循如圖3-1所示的組網(wǎng)架構(gòu)。....工廠接入終端....傳感器傳感器控制控制OPLCPLC....5G控制面5G整體架構(gòu)5G無線接入網(wǎng)基站(5GNR)5G核心網(wǎng)(CP)UP5G數(shù)據(jù)面具體來看，5G工廠典型組網(wǎng)架構(gòu)由如下幾部分組成：工業(yè)終端：需通過5G無線連接的工廠設(shè)備，根據(jù)不同的應(yīng)用場景需求，包括各類工業(yè)傳感器、PLC、控制IO模塊、HMI設(shè)備、工業(yè)攝像頭等。5G終端：用于將各種類型工業(yè)設(shè)備接入至5G網(wǎng)絡(luò)，并支持3GPP定義的終端功能，與5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。5G終端根據(jù)需求場景不同存在多種形態(tài)，包括5G工業(yè)路由器、5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、5GCPE、集成5G模組的工業(yè)設(shè)備等。5G無線接入網(wǎng)：主要負(fù)責(zé)與5G終端的無線連接、物理層信號處理、無線資源管理等。主要由5G基站（包括AAU/BBU、CU、DU以及配套前傳、中傳與回傳的傳輸設(shè)備組成。5G核心網(wǎng)：負(fù)責(zé)5G核心控制以及用戶數(shù)據(jù)路由，主要由控制面（CP）與用戶數(shù)據(jù)面(UP)組成?？刂泼?CP)基于SBA架構(gòu)，負(fù)責(zé)5G用戶開通、鑒權(quán)、計費(fèi)、移動性管理、會話管理、QoS策略管理、切片等功能。用戶數(shù)據(jù)面(UP)主要指UPF網(wǎng)元，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)路由、流量上報、QoS策略執(zhí)行等功能。工廠內(nèi)網(wǎng)：包括工廠內(nèi)OT環(huán)網(wǎng)及IT網(wǎng)絡(luò)。在OT環(huán)網(wǎng)中部署SCADA、PLC等工業(yè)控制系統(tǒng)及邊緣工業(yè)應(yīng)用，在IT網(wǎng)絡(luò)中部署MES、ERP等生產(chǎn)管理系統(tǒng)、運(yùn)營管理系統(tǒng)。5G作為統(tǒng)一無線接入傳輸通道，將需要5G無線接入的工業(yè)設(shè)備，通過二層或三層連接，接入到工廠內(nèi)網(wǎng)。1.虛擬專網(wǎng)虛擬專網(wǎng)主要依托于運(yùn)營商建設(shè)的公共網(wǎng)絡(luò)，通過端到端網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)為用戶提供虛擬專用的網(wǎng)絡(luò)，在一定程度上保障業(yè)務(wù)邏輯隔離，以及網(wǎng)絡(luò)速率、時延、可靠性的優(yōu)先級。在該組網(wǎng)模式下，由于5G主要設(shè)備需要與運(yùn)營商公網(wǎng)共享，資源容易受其它公網(wǎng)用戶搶占，一般提供盡力而為QoS保障。因此，虛擬專網(wǎng)適用于廣覆蓋類業(yè)務(wù)，或者數(shù)據(jù)面時延等性能指標(biāo)要求不高的工業(yè)應(yīng)用場景，比如基于公有云的非實(shí)時應(yīng)用，如遠(yuǎn)程監(jiān)測。虛擬專網(wǎng)典型組網(wǎng)架構(gòu)如圖3-2所示。公共5G基站1公用5G核心網(wǎng)數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)控制信號流公共5G基站3公共5G基站2商用區(qū)B工業(yè)區(qū)A住宅區(qū)A住宅區(qū)B工業(yè)區(qū)B商用區(qū)B2.混合組網(wǎng)混合組網(wǎng)將5G網(wǎng)絡(luò)中部分網(wǎng)元及設(shè)備下沉到廠區(qū)或園區(qū)。混合組網(wǎng)常規(guī)為UPF下沉模式，如圖3-3所示。針對UPF下沉模式，基于運(yùn)營商公共網(wǎng)絡(luò)，將5G網(wǎng)絡(luò)中核心網(wǎng)數(shù)據(jù)面UPF網(wǎng)元下沉至廠區(qū)或園區(qū)，滿足工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)不出場、低時延等需求。針對安全及專用要求更高的工業(yè)企業(yè)需求，可采用UPF下沉+專用基站的增強(qiáng)模式，如圖3-4所示。將專用5G基站或更多核心網(wǎng)設(shè)備下沉至廠區(qū)，較適用于對無線性能要求較高的局域性工廠業(yè)務(wù)。5G基站5G控制面-CP5G用戶面-UP公用公用專用公共區(qū)域數(shù)據(jù)流公共區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制信號流專用區(qū)域數(shù)據(jù)流專用區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制信號流OT區(qū)域生產(chǎn)單元A共享基站公用5G核心網(wǎng)公共5G基站工廠專用核心網(wǎng)用戶面住宅區(qū)生產(chǎn)單元B5G基站5G控制面-CP5G用戶面-UP專用公用專用公共區(qū)域數(shù)據(jù)流公共區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制信號流專用區(qū)域數(shù)據(jù)流專用區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制信號流OT區(qū)域生產(chǎn)單元A工廠專用基站公用5G核心網(wǎng)公共5G基站工廠專用核心網(wǎng)用戶面住宅區(qū)生產(chǎn)單元B獨(dú)立專網(wǎng)為全部專用的5G建網(wǎng)模式，即所有5G網(wǎng)元、配套傳輸、及網(wǎng)管系統(tǒng)等均為工廠獨(dú)立建設(shè)，能夠?yàn)楣S內(nèi)業(yè)務(wù)場景提供最高級別QoS保障。在5G演進(jìn)到R16版本及后續(xù)版本標(biāo)準(zhǔn)后，該模式可最優(yōu)化地保障高實(shí)時、高確定性通信。此外，在獨(dú)立專網(wǎng)模式下，運(yùn)維系統(tǒng)等也將為工業(yè)企業(yè)單獨(dú)建設(shè)，工業(yè)企業(yè)完全自主運(yùn)維5G網(wǎng)絡(luò)。獨(dú)立專網(wǎng)典型組網(wǎng)架構(gòu)如圖5G基站專用5G控制面-CP專用5G用戶面-UP專用5G專用基站生產(chǎn)單元A專用5G核心網(wǎng)5G專用基站生產(chǎn)單元C專用區(qū)域數(shù)據(jù)流專用區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制信號流5G專用基站生產(chǎn)單元B獨(dú)立專網(wǎng)主要為工業(yè)企業(yè)主導(dǎo)，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可委托運(yùn)營商。工業(yè)企業(yè)一般從工業(yè)應(yīng)用場景整體考慮從出發(fā)，結(jié)合各種綜合因素，尋找5G應(yīng)用的合適的定位，進(jìn)而提出對5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求。通常，虛擬專網(wǎng)和混合組網(wǎng)模式主要為運(yùn)營商主導(dǎo)建設(shè)。運(yùn)營商通過與工業(yè)企業(yè)交流，將5G作為工業(yè)無線連接新技術(shù)部署到工業(yè)企業(yè)。對于實(shí)時性及確定性要求不高的應(yīng)用場景，如大帶寬類業(yè)務(wù)，虛擬專網(wǎng)和混合組網(wǎng)兩種模式可按需選擇。而對于支持高實(shí)時、高確定性工業(yè)應(yīng)用場景，以及多種特性混合應(yīng)用的場景，需要大量5G適配及調(diào)優(yōu)工作。這種場景下，獨(dú)立專網(wǎng)由于其靈活性等優(yōu)勢，能更好的融入工廠現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用系統(tǒng)。（三）5G專網(wǎng)部署的5G版本情況當(dāng)前由于技術(shù)局限性，5G尚未完全融入工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。不管是虛擬專網(wǎng)、混合組網(wǎng)，還是獨(dú)立專網(wǎng)組網(wǎng)模式，目前均處于3GPPR15版本標(biāo)準(zhǔn)階段。R15版本標(biāo)準(zhǔn)可支持大部分非實(shí)時類工業(yè)應(yīng)用，而從R16版本標(biāo)準(zhǔn)開始，5G才逐步支持低時延、高可靠特性。因此隨著R16版本標(biāo)準(zhǔn)及后續(xù)版本商用的成熟，5G才能在工業(yè)自動化領(lǐng)域進(jìn)一步深入應(yīng)用。目前R16版本標(biāo)準(zhǔn)及以上版本的新技術(shù)由于整體產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟，仍沒有大規(guī)模部署。隨著基于R16版本標(biāo)準(zhǔn)的5G技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，以及終端芯片成本進(jìn)一步下降，5G將加速融入工業(yè)自動化領(lǐng)四、5G與工業(yè)自動化融合應(yīng)用典型案例實(shí)時性是指端到端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延大小。在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，將實(shí)時性分為軟實(shí)時和硬實(shí)時。由于實(shí)時性要求對5G應(yīng)用非常重要，因此5G在工業(yè)自動化中的應(yīng)用場景主要分為兩類：軟實(shí)時：周期時間和時延因素中等關(guān)鍵，100ms-1秒；硬實(shí)時：周期時間和時延非常關(guān)鍵，約數(shù)毫秒甚至數(shù)微秒。表4-1展示了5G在工業(yè)自動化中的典型應(yīng)用場景及其對應(yīng)的實(shí)時性要求。表4-15G在工業(yè)自動化中典型應(yīng)用場景及其對應(yīng)的實(shí)時性要求1234（一）5G在移動機(jī)器人和AGV中的應(yīng)用1.應(yīng)用場景移動機(jī)器人和自動導(dǎo)引車（AGV）為工業(yè)環(huán)境增加了靈活性，并且部署頻率越來越高。5G可為移動機(jī)器人和AGV的應(yīng)用提供高速率、低時延通信網(wǎng)絡(luò)，在保障移動機(jī)器人和AGV安全生產(chǎn)的同時，提高產(chǎn)線和車間生產(chǎn)的柔性化程度。移動機(jī)器人常見的應(yīng)用包括倉庫和生產(chǎn)工廠的物料搬運(yùn)（揀選/入庫）。揀貨機(jī)器人從不同的存儲位置取回物品并將它們運(yùn)送到預(yù)定的目的地，例如包裝站或集裝箱。在生產(chǎn)工廠，移動機(jī)器人用于檢索產(chǎn)品并將它們從一個生產(chǎn)步驟移動到下一個生產(chǎn)步驟。5G在輪胎廠移動機(jī)器人應(yīng)用場景如圖4-1所示。超大型AGV經(jīng)常部署在汽車廠中。它們通常由控制室中的操作員遠(yuǎn)程控制。操作員觀察安裝在AGV上的攝像頭拍攝的圖像。攝像機(jī)信號以無線方式傳輸。如果操作員發(fā)現(xiàn)AGV路徑中有障礙物或任何其他故障，他們會立即停止AGV。攝像頭信號傳輸?shù)娜魏喂收匣蜓舆t都可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故，或者至少對AGV的運(yùn)行造成不必要的中斷。5G在汽車廠中的AGV應(yīng)用場景如圖2.解決方案5G在汽車廠中AGV調(diào)度應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4-3所示。在總裝車間AGV上部署工業(yè)5G路由器，實(shí)現(xiàn)AGV車載PLC、高清攝像頭的5G網(wǎng)絡(luò)接入。調(diào)度中心主控PLC與總裝車間車載PLC之間通過5G專網(wǎng)承載工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET通信。車載高清攝像頭通過5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心服務(wù)器的高清視頻傳輸。（二）5G在遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用1.應(yīng)用場景由于礦山環(huán)境復(fù)雜，部署有線網(wǎng)絡(luò)較為困難且成本高，且鋼結(jié)構(gòu)、高粉塵環(huán)境往往導(dǎo)致無線信號衰減嚴(yán)重，強(qiáng)電磁干擾場景多，網(wǎng)絡(luò)覆蓋難度高。使用有線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、3G/4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廠區(qū)連接，都因成本、難度或者網(wǎng)絡(luò)抗干擾差，網(wǎng)絡(luò)帶寬不足、時延長等原因，難以滿足生產(chǎn)應(yīng)用需求。5G網(wǎng)絡(luò)的低時延、高可靠、高速率特性能夠較好滿足礦山遠(yuǎn)程開采過程對無線通信的要求。5G在礦山遠(yuǎn)程開采中的應(yīng)用場景如圖4-4所示。港口龍門吊、鋼鐵行業(yè)等需要人員在高空進(jìn)行操作，高空作業(yè)的安全性低、視野受限，還需專門配備地面指揮員協(xié)助作業(yè)。低時延5G技術(shù)的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)自動化碼頭的遠(yuǎn)程操作。不僅能減少操作人員的介入，提升安全性，也大大提高了操作效率。此外，通過冗余的一體化工業(yè)通信設(shè)計，可有效避免網(wǎng)絡(luò)切換造成的停機(jī)時間，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B貫性。5G在港口龍門吊遠(yuǎn)程操控中的應(yīng)用場景如圖4-5所示。2.解決方案5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制組網(wǎng)方案如圖4-6所示。PLC設(shè)備連接遠(yuǎn)程生產(chǎn)設(shè)備，通過工業(yè)5G路由器，將PLC設(shè)備接入5G專網(wǎng)，進(jìn)而和主控PLC進(jìn)行通信。通過工業(yè)5G路由器和有線路由器可以建立PNTunnel，通過PNTunnel，主控PLC與現(xiàn)場控制PLC之間傳輸PROFINET協(xié)議。5G專網(wǎng)工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)5G工業(yè)5G路由器（三）5G在工業(yè)控制器間實(shí)時通信中的應(yīng)用1.應(yīng)用場景當(dāng)具備工業(yè)控制器的設(shè)備之間需要交互、共同完成任務(wù)時，需要控制器到控制器的之間的實(shí)時通信。上述設(shè)備可能是大型裝備的組件，或者是生產(chǎn)車間內(nèi)的多臺機(jī)器。這些設(shè)備在現(xiàn)場彼此靠近，因?yàn)榫嚯x相對較短，采用的通信方式主要是二層通信。例如對于先進(jìn)的包裝機(jī)，一個或多個基于軌道的穿梭車在一臺裝置內(nèi)或多臺機(jī)器之間傳送材料。穿梭車具有本地板載控制器，通過5G網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備控制器交互其位置和控制數(shù)據(jù)。基于5G低時延、高可靠的特點(diǎn)，采用5G網(wǎng)絡(luò)可避免因數(shù)據(jù)傳輸失敗或延遲導(dǎo)致的機(jī)器操作停止。5G在穿梭車和堆垛機(jī)中的應(yīng)用場景如圖4-7所示。2.解決方案以5G實(shí)現(xiàn)兩個PLC之間實(shí)時通信為例，組網(wǎng)方案如圖4-8所示。兩個PLC分別與5G路由器有線連接，然后5G路由器接入5G專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)兩個PLC之間通過5G網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。此外，采用5G網(wǎng)絡(luò)承載傳輸PROFINET協(xié)議，不僅能夠充分利用5G網(wǎng)絡(luò)低時延和高可靠的特性，而且能夠保證通信的實(shí)時性，從而滿足工業(yè)現(xiàn)場級的通信需求。（四）5G在運(yùn)動控制中的應(yīng)用1.應(yīng)用場景部分運(yùn)動控制系統(tǒng)中的設(shè)備（例如傳感器、執(zhí)行器和驅(qū)動器）性能要求較高，并不適宜無線連接，同時運(yùn)動控制又需要無線連接帶來的自由移動便利性。針對上述需求，運(yùn)動控制系統(tǒng)需要將有線工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組件與無線5G組件集成在一起。這種無縫集成必須支持運(yùn)動控制應(yīng)用程序的苛刻性能要求，例如周期時間和微秒延遲。運(yùn)動控制場景以汽車制造場景為例，汽車制造中底盤和車身的連接的過程需要承載底盤的輸送機(jī)和承載車身的輸送機(jī)之間進(jìn)行通信。底盤和車身彼此靠得更近，以便將它們用螺栓固定在一起。這些運(yùn)動必須得到精確控制，因?yàn)槿魏闻鲎捕紩?dǎo)致汽車部件損壞。2.5G現(xiàn)有版本還不能滿足運(yùn)動控制應(yīng)用要求5G的R16版本標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)能夠滿足工業(yè)運(yùn)動控制需求，但目前尚未成熟商用。而當(dāng)前基于R15版本標(biāo)準(zhǔn)的商用5G網(wǎng)絡(luò)，端到端的時延大多數(shù)在10ms以上。因此包含汽車制造在內(nèi)的相關(guān)行業(yè)還沒有使用5G實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的案例。五、5G與工業(yè)自動化融合應(yīng)用挑戰(zhàn)（一）工業(yè)自動化低時延場景5G終端種類不夠豐富目前基于3GPPR15版本標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，主要分為兩類，第一類是高帶寬應(yīng)用場景，第二類是實(shí)時性要求不高的應(yīng)用場景。高帶寬應(yīng)用場景包括全廠視頻監(jiān)控、現(xiàn)場輔助裝配、無人智能巡檢等，對應(yīng)的5G終端包括攝像頭、AR/VR眼鏡、巡檢機(jī)器人等。實(shí)時性要求不高的應(yīng)用場景包括廠區(qū)智能物流、遠(yuǎn)程設(shè)備操控等，對應(yīng)的5G終端包括物流AGV、港口龍門吊等。對于具有低時延需求的制造業(yè)中閉環(huán)控制場景，相應(yīng)的5G終端產(chǎn)品主要處于研發(fā)階段，如支持5G的PLC。（二）網(wǎng)絡(luò)確定性與高實(shí)時性不足現(xiàn)有有線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已經(jīng)從技術(shù)上提供了一定的確定性與實(shí)時性保障機(jī)制，如何將這些工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度融合，將成為5G確定性保障的關(guān)鍵性技術(shù)之一。5G技術(shù)需要與成熟的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)深度融合。雖然當(dāng)前基于R15版本實(shí)現(xiàn)了5G承載工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，但對于以運(yùn)動控制為代表的工業(yè)自動化應(yīng)用場景，目前技術(shù)路線仍不能滿足確定性與高實(shí)時性需求。此外5G+TSN在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用落地