2023年5G+PLC深度融合解决方案白皮书.pdf

5G+PLC 深度融合解决方案白皮书施耐德电气 5G+边缘计算系列白皮书之一 作为工业互联网网络的重要组成部分，在各个行业得到蓬勃发展。特别是过去三年，在国家 5G+工业互联网政策的鼓励下，十个工业行业和领域在制造业用户、基础电信运营商和通信企业的生态合作下，5G+工业互联网取得了很多成功案例并开始规模复制。目前 5G 网络开始向与工厂控制层面的 OT 网络深度融合方向拓展，并希望借此改变传统控制系统导致的网络拓扑结构固化及封闭的现状，以提高生产过程的柔性和透明性；通过5G 在工厂全覆盖，实现要素资源全连接，结合工业互联网平台、边缘计算、大数据和工业模型技术，从而大幅度地提高工程和运维效率，降低生产和建设成本。在此形势下，施耐德电气（中国）有限公司联合中国信息通信研究院、中国联合网络通信集团有限公司，结合在自身企业的 5G 应用实践，共同组织编写了5G+PLC 深度融合解决方案白皮书,希望能与业内同仁共享成果，共谋 5G+工业互联网的新发展。本白皮书从分析离散制造业的特点及实际需求出发，描述了 5G+PLC 的典型系统架构、应用场景分类；系统提出 5G 网络规划、网络标准化部署及网络性能要求；同时结合两个案例详细阐述了从产线分析到网络性能测试、项目实施、项目验收的完整过程；白皮书的最后对 5G+PLC 的未来发展进行了展望。白皮书编写过程中得到了参编单位领导和专家的大力支持，也要感谢中国信息通信研究院余晓晖院长的精心指导并为白皮书作序。编写说明4序言工业控制是工业生产的核心环节，是实现大规模自动化生产的关键基础，没有先进稳定和高可靠的工业控制系统，就没有现代化的工业体系。与摩尔定律作用下快速迭代的IT设备不同，工业控制系统的功能、形态都保持了长期的稳定，其改进是稳健和渐进式的，这也反映了工业体系长期以来的内在要求。当前，全球数字化浪潮蓬勃兴起，深刻变革着生产生活方式。数字技术与制造体系的深度融合和集成创新，推动了以工业4.0和工业互联网为代表的新工业革命，生产制造方式正向高效、精准、智能、柔性、协同转变，与此相适应，工业控制领域也正经历着一场创新性的重塑，工业控制系统从传统的封闭系统走向网络化、开放化、智能化，这场变革既是新工业革命的内在要求，也成为其重要的驱动力。5G 是具有广泛变革性赋能作用的新一代信息技术，5G 的高速、低延迟和大容量特性，为工业控制系统提供了可靠、高效和灵活的通信支持，推动其向网络化、智能化、开放化演进。一方面，在 5G、确定性网络等技术支持下，工业现场可实现组网融通和工业确定性通信，并通过工业算力网络协同调度算力、网络等资源，强化工控系统等核心软件能力，提升应用效率。另一方面，5G融合边缘计算、大数据、人工智能等技术，通过云边协同实现“云端训练、边端推理”模式，将工业大模型、专家系统等更加广泛应用于工业控制领域，并通过对海量广泛历史数据进行智能分析预测，优化控制参数，实现智能化升级。同时，5G、实时操作系统等驱动传统ISA-95架构向云-边-端三层扁平化架构演进，编译平台、OS 运行时和控制器硬件间也在逐步解耦，为控制系统的集中化/云化部署提供了可行的技术方案，加速分布式开放自动化控制体系的发展，赋能柔性化生产制造。PLC（可编程逻辑控制器）是现代工业控制系统的典型代表，5G+PLC已经成为工业控制系统智能化变革的先导和探索热点。PLC 作为工业自动化的核心控制器，与 5G 技术的融合，带来了功能、形态和结构的变革，可实现更智能、更可靠和更安全的工业控制，受到了产学研用各方的高度关注，其实践正逐步从物流控制等生产外围辅助环节应用向生产控制等核心环节应用深化拓展。施耐德电气联合产业各方，积极开展 5G+PLC方面的探索实践，在20家工厂进行了5G 网络部署及产线改造，提质、降本、增效效果显著。5G+PLC 深度融合解决方案白皮书基于工厂数字化改造的实践经验，由施耐德电气、中国联通和中国信息通信研究院的专家共同撰写，白皮书给出了5G+PLC赋能行业数字化转型的应用路径，提出了不同控制模型下对5G网络的性能要求及网络部署方案，并通过实际案例进行了深度剖析，为产业界开展相关实践提供了重要范例，相信值得从事相关领域的科技工作者、工程技术人员以及高校师生参阅。余晓晖 中国信息通信研究院院长 5G+PLC深度融合解决方案白皮书5 序言序言数字化洪流激荡，经济与社会全面数字化的时代已经开启。数字技术正以新理念、新业态、新模式全面融入人类经济、社会各领域和全过程，改变着人们的生产和生活方式，新的商业模式层出不穷。作为国民经济命脉的工业领域，在数字化加速发展的助力下，正迸发出无限潜能。在驱动工业数字化转型多股交织的力量中，不断演进的5G新一代信息通信技术以其大带宽、低时延、高可靠、广覆盖等“天然”特性，为工业领域的数字化、网络化、智能化转型提供了强大的基础设施，正成为推动工业企业数字化转型的新引擎。然而，现阶段，5G 在工业领域的应用仍落后于消费领域。细分门类多、行业门槛高、定制需求强、投入成本大等因素都在阻碍着新技术在工业领域的快速应用。要真正发挥 5G 技术的价值，使其成为实体产业高质量发展的推动力，就迫切需要与实体经济融合应用创新，需要与工业领域的运营技术（OT）深度融合，与工业自动化体系相 融合。施耐德电气自2019年开始在位于无锡和广州的工厂部署 5G网络，并进行了大量的性能和安全测试，提出了5GC（5G 核心网）全下沉，分散部署，集团统一管理的架构和运维模式。2022年开始落地5G多园区专网方案，遍布全国二十几家智慧工厂和物流中心，实现网络统一标准，应用快速复制和管理统一集中。例如，在生产制造环节，PLC南向5G连接的突破打破了工业控制最底层的固有框架，PLC 可以远程控制尽可能多的底层机构和设备，打破了线体原来固定的的框架，实现柔性化生产；在仓储物流环节，基于一张5G专用网络完成数据传输和定位，能够实现对AGV小车等可移动工装设备的管控与路线优化，提升整体效率；在运营维护环节，5G+AR/MR让工程师即使远在天边，也能以第一视角看到、听到甚至“摸到”现场的真实场景并远程“会诊”指导现场人员操作在这些实际场景中，5G的技术自身的特性与施耐德电气在制造领域的深厚积淀融为一体，带来灵活性、韧性和效率的极大提升。作为5G工业应用的积极践行者，施耐德电气也希望将自身的成功经验分享给更多工业企业，与业界共同推动产业数字化进程，共享数字技术带来的红利。当前，5G在工厂网络中更为广泛的应用还聚焦在管理层级，更加深入的自动化控制领域，如逻辑控制、运动控制和过程控制等仍鲜有涉及。5G+PLC 深度融合白皮书选择工业自动化的核心控制器PLC作为“主角”，阐述5G+PLC在离散制造业的应用，涉及产线设计到运维全生命周期中的5G网络规划、部署、运维及性能要求，同时辅以应用详解，“以线带面”地展示了5G为制造业生产模式带来的深刻改变，推动未来工业领域 变革。随着5G和生产核心环节的融合成为支撑产业高速发展的全新动能，施耐德电气愿与所有合作伙伴聚力共赢，更好地利用5G技术优势，加速企业数字化转型，迈向更加开放、高效与韧性、可持续、以人为本的未来工业。庞邢健 施耐德电气高级副总裁 工业自动化业务中国区负责人61 5G+工业互联网产业发展现状 72 5G+PLC 在离散制造业的应用背景 102.1离散制造业特点112.2 5G 应用于离散制造的优势122.3 5G 深入工业内网，赋能 PLC 南向控制领域133 5G+PLC 应用典型系统架构143.1 系统架构153.2 5G+PLC 应用场景分类及对 5G 网络的需求1745G网络规划、部署、运维及性能要求204.1 5G 网络规划214.2 5G标准化网络部署264.3 5G+PLC 应用的网络性能要求274.4 精细化5G 网络运营275案例详解5G+PLC 自动化线体改造295.1 产线改造前状态及痛点305.2 网络性能测试325.3 产线初期分析375.4 项目实施注意事项395.5 验收标准405.6 实施效果416进阶应用5G+PLC 半手工柔性装配426.1 项目概述及背景436.2 5G+PLC 控制网络架构446.3 案例 5G 适配性分析 456.4 实施效果 467未来展望47附件：专有名词解释及缩略语491.施耐德电气专有名词解释492.通信专有名词解释503.缩略语51目录CONTENTS 5G+PLC深度融合解决方案白皮书715G+工业互联网 产业发展现状8工业互联网是第四次工业革命的重要基石，5G的高速率、低时延和大连接三大新特性与工业互联网无线网络需求十分契合，是工业互联网的关键使能技术。5G作为新一代信息通信技术的重要演进方向，在各领域的应用落地成为商用发展的关键环节，工业互联网的垂直行业为5G 提供了广阔的市场空间。5G与工业互联网融合创新有利于我国5G技术优势与工业需求的融合发展，目前已成为产业界探索的重要方向。“5G+工业互联网”是指利用以5G为代表的新一代信息通信技术，构建与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态。通过以5G为代表的新一代信息技术对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了新的实现途径，助力企业实现降本、提质、增效、绿色、安全发展。“5G+工业互联网”涉及面广、参与主体多、资源投 入大，覆盖 5G 网络建设、工业互联网基础设施建设、融合产品开发、行业应用落地等方方面面，其融合创新发展需要产业界持续探索和推进。5G+PLC深度融合解决方案白皮书9 5G+工业互联网产业发展现状(1)国家层面2019年工业和信息化部出台“5G+工业互联网”512工程推进方案，对5G在工业领域的应用进行系统谋划、统筹部署，充分调动各地方积极性，组织产业各方发挥优势打“团体赛”，推动“5G+工业互联网”融合创新发展；2021年分两批发布“5G+工业互联网”十大重点行业、二十个典型应用场景，为各地区、产业各界提供实践示范。2022年发布5G全连接工厂建设指南，推动 5G由生产外围辅助环节向核心控制环节深化拓展。一系列的指引性政策文件，为全国各地、产业各界推动“5G+工业互联网”发展提供参考。(2)地方层面各地积极开展“5G+工业互联网”融合应用先导区建设。湖南省、江苏省、湖北省、四川省等地出台政策加强支持，集中探索建网模式、先导应用、商业模式等特色路径。在 5G网络全覆盖基础上，实现工业核心区域和典型场景探索区内的 5G 室分系统建设和高密度、高质量 5G网络覆盖，以满足超大带宽、超高可靠性等工业 5G 网络需求。在应用和创新层面，针对区内特色产业、重点优势产业、战略新兴产业开展“5G+工业互联网”应用探索，并在新产线上应用新模式。加快培育相关技术产品和解决方案，逐步推进“5G+工业互联网”供应链培育。(3)标准层面当前“5G+工业互联网”的产业应用正处于探索初期，迫切需要推进标准化工作，以夯实其发展基础。技术产业化和标准化需覆盖融合关键技术、产品、管理和应用等方面，涉及网络、终端、安全、应用等内容，需要建立统一、综合、开放的“5G+工业互联网”融合标准体系。为了加速推进，工业互联网产业联盟（AII）及中国通信标准化协会（CCSA）在2020年5月组织了“5G+工业互联网”标准立项工作，并启动了面向航空、矿山、港口、高端装备、电网、钢铁、工业园区、水泥等领域的首批“5G+工业互联网”应用场景、技术要求和技术标准的研制。截至目前，已有12项工业互联网产业联盟标准立项，其中6项已同步在中国通信标准化协会工业互联网技术委员会（CCSA TC13）立项研制。(4)产业技术层面随 着 5G+工 业 互 联 网 发 展 不 断 提 速，产 业 各 方 积 极 开 展 相 关 实 践。一 方 面 基 础 电 信企 业 与 工 业 企 业 合 作 开 展 企 业 内 网 改 造，推 动 5 G 虚 拟 专 网、混 合 专 网 等 在 重 点 行 业、企 业 加 速 部 署，充 分 利 用 5 G 网 络 资 源 提 升 专 网 服 务 水 平，促 进 5 G 网 络 与 其 他 网 络 融合 应 用，提 升 工 业 现 场“哑 设 备”网 络 连 接 和 数 据 互 通 能 力。另 一 方 面，基 础 电 信 企 业 发挥主体作用，培育发展新型业态，与钢铁、石化、电力等企业合作，优化流程工艺，大幅减少碳排放；与电子设备、装备制造等企业合作，促进协同研发设计，灵活调配产能，缩短物料库存周期；与采矿企业合作，打造快速感知与实时监测、优化超前预警和应急处置，促进矿山安全生产。同时，基础电信企业、工业企业、设备供应商、重点高校及科研院所合作共建产业生态，加快探索基于5G+边缘计算的云化 PLC，开展工业级 5G 芯片、模组、网关等的研发与产业化，挖掘企业应用需求，推动工业自动化技术产业更新 换代。102 5G+PLC 在离散制造业的应用背景11 5G+PLC 在离散制造业的应用背景2.1离散制造业特点按照产品制造工艺过程特点，制造业可分为离散制造、流程制造和混合制造。离散制造的产品往往由多个零件经过一系列不连续的工序加工装配而成，即产品的生产工序分解成多个加工任务，由不同的生产设备来完成，典型的离散制造包括机械、装备、汽车、3C 电子等。离散制造过程中，具有以下三个生产特点：其一：生产过程中工艺与设备的柔性调整。离散制造的工艺段与工艺段之间相互独立，分别由独立的设备进行制造。生产过程中，通常会因为生产产品的变更需要进行产线工艺的调整。同时，这种分段式工艺也给生产过程中根据不同的需求定制化生产，或是生产同系列产品时进行设备的临时变动带来了可能。离散制造行业中，为了更好服务于个性化和快速升级迭代的客户需求，面向机械、装备、工业用品等行业客户的产品制造，大量存在多品种小批量的生产模式，在这个过程中，节能减排，安全高效和灵活柔性是大多数企业追逐的目标，柔性产线的设计也应运而生。此外，通过保留通用工艺设备站，仅对差异化工艺站进行设备替换，可以有效提高设备的使用效率，降低设备采购的投资成本。其二：OT 与IT网络的紧密结合。与流程制造中企业的生产效率主要依赖生产设备的产能有所不同，离散制造需要通过生产管理软件的协同进行加工要素的配置优化，也就是精益化生产。在这个意义上，离散制造企业更加需要通过 OT 与 IT 的融合网络来实现现场生产要素数据到企业管理侧数据的流通和共享。其三：新型融合的工业自动化体系。传统工业生产是基于 ISA-95 定义的五层工业自动化体系架构，即企业层、管理层、操作层、控制层、现场层，这种多层次化的网络架构，一方面导致上层的IT网络无法快速高效的触及现场生产系统，大量生产数据消失在工业控制层中，企业的数据资产在无形中流失，另一方面，复杂的组网架构、不断增加的设备接入需求也对企业IT工作人员带来了大量组网配置负担，这在离散制造企业尤为明显。随着工业数字化深入发展，工业3.0时代基于ISA-95的五层工业自动化体系架构正向工业4.0时代的端边云三层架构发展。MES、SCADA、ERP在边缘计算节点或工业云上协同部署正成为业界趋势。展望未来，PLC 基于功能和实时性逐渐分化为集中化/虚拟化 PLC 和分布式控制节点（DCN），集中化/虚拟化 PLC 部署在本地边缘侧，而分布式控制单元部署在现场侧与现场设备融合形成智能化设备。这种架构要求设备端与边缘计算节点之间的网络通信具备提供大带宽、低时延以及时延确定性的能力，从而保证工业应用的数据采集和控制的业务要求。12企 业 层管 理 层操 作 层控 制 层现 场 层执行机构及智能制造设备Cloud Platform分 布 式 计 算 节 点私有云ERP Server,MES Server,AI Models,IT Platform边缘层PMS Server,MES Client,AI Algorithms,Edge DatabaseManagement Dashboard,SCADA,Edge Controller设备端RT-Critical 低时延通讯ISA-95 金字塔结构云-边-端三层架构新型智能 网络结构工业 3.0工业 4.0图 2-1 工业3.0至工业4.0的工业自动化体系架构演进 5G+PLC深度融合解决方案白皮书2.2 5G 应用于离散制造的优势在柔性生产方面，无线网络是设备快速可移动与灵活调整的刚需。5G 网络低时延、高可靠、强安全的特性可支持柔性生产场景下OT网络通信的无线化诉求。集中化的 PLC与运动控制器、变频器、伺服、远程 I/O等通过 5G 网络进行连接，可大幅提升网络部署的效率，降低布线成本和复杂性，从而更便捷地实现生产设备、生产线根据生产订单进行灵活重组，满足定制化产品生产过程中快速换线的需求。13新型智能 网络结构 5G+PLC 在离散制造业的应用背景在扁平化网络架构方面，5G 使能各类工业生产设备进行扁平化通信，原有基于5层网络架构部署的工业设备与系统之间均可通过5G 网络实现数据流的打通，不再需要复杂的组网配置以及有线网关间端口的绑定与映射。5G 网络天然提供全域一张网的能力，结合5G LAN 特性的二层接入能力、5G 网络切片对网络资源的灵活调配，完美契合离散制造企业 OT 网络与 IT网络扁平化融合的发展趋势。云化PLC，分布式控制，标准工作站和治具快速更换能力是未来产线设计的一种方向。5G网络给传统的产线设计及生产方式乃至于控制方式都带来了极大的变革，使得柔性化生产等理念变得可实现。2.3 5G深入工业内网，赋能PLC南向控制领域历经3GPP R15、R16、R17三个版本，5G技术正不断迭代，以更好的满足行业应用需求。5G LAN、5G切片、高精度授时等技术及配套产业链也逐渐成熟。5Gww行业应用在中国规模发展，据工信部统计数据，5G应用已融入了制造、港口、金融、钢铁、电网、医疗、教育、轨交等97个国民经济大类中的60个，5G行业虚拟专网已超过1.6万个，给制造业生产模式和生产形态带来了深刻改变。虽然5G在工业领域的应用正逐年增加，但应用的深度仍有待扩展。目前，在工厂网络中，5G 更为广泛的应用于ERP/MES/SCADA 层级，更加深入的PLC 控制领域，包括逻辑控制，过程控制、运动控制等仍鲜有涉及。随着5G 技术的不断演进，R16关键特性的引入，5G 可靠的低时延能力使得5G使能 PLC控制领域，即支持PLC南向通信渐成为了可能。全新的通信技术在和工业控制架构深入融合时，所产生的“水土不服”等问题也不容忽视。其一是CT和OT的性能标准的不一致性。服务于消费者领域，通常以平均时延作为5G网络的性能指标，但工业领域却更加关注时延的稳定性。其二，相比于设备有线直连的极低时延，基于5G无线网络的设备接入会带来生产效率上的损失，如何客观判断、权衡价值和损失是深入融合时需要考虑的因素。其三，网络的不稳定性会给部分机械运动设备带来安全隐患，而生产安全是工业制造的第一要务，如何解决在控制系统领域引入5G带来的安全性风险也是需要考虑的因素。这些问题都依赖于工业企业、通信企业和基础电信企业的相互配合，共同完善彼此兼容的方式，设计新的电气/机械安全架构，产线设计工具和配套方案。本白皮书旨在从工业产线初期分析调研开始，至全面落地进行生产为终，提供一个全面的5G+PLC 深度融合的工业产线的解决方案。其中涉及到产线选择、设计、制造、验收全生命周期的管理以及产线配套的质量追溯、生产管理系统架构方案为践行未来工业领域变革踏出探索性的第一步。14 5G+PLC深度融合解决方案白皮书3 5G+PLC 应用典型系统架构15 5G+PLC 在离散制造业的应用背景3.1 系统架构为了实现 5G 深度融合PLC南向工业控制的目标，打造新一代的生产模式，施耐德电气提出了以下的 5G+PLC 典型系统架构。此架构承袭了传统 PLC 控制架构，尽可能的做到了对控制程序编写人员和设备制造人员的无感化，降低了其实施的难度，提高了便捷性和可复制性。上层承 载应用边缘集 中部署模拟量信号电缸，变频器仪器仪表程控电源工业相机人机界面机器人伺服电机电压、电流NI采集 模块过程控制运动控制外部设备现场接 入设备管控追溯平台HCI 服务器MEC 服务器5G 核心网主 PLC CPUMES ServerEnterprise Cloud5G 基站5G LAN CPE5G LAN CPE5G LAN CPE5G通讯:ETH IP,MODBUS,.逻辑控制按钮，开关传感器气缸，阀接触器，继电器5G LAN CPE 图 3-1 5G+PLC工厂级系统架构16现场接入设备实际生产场景进行了四类的划分，分别为逻辑控制场景，过程控制场景，运动控制场景和外部设备场景。根据场景不同，使用设备不同和应用要求不同，其组网架构也会出现改变。在R16阶段，南向5G通讯可覆盖约80%左右的应用场景，剩余的20%推荐以添加子 PLC（Sub PLC）的方式进行东西向通讯。具体的分类指南请见 5G+PLC 应用场景分类及网络时延需求。PLC与现场设备的连接称为 PLC 南向通信，图3-1蓝色线所示。主 PLC 与其他线 PLC，MES系统，数据采集平台等软硬件的连接称为 PLC东西向和北向通信（文中统一称为 PLC 北向通信），图3-1绿色线所示。在利用 5G 连接提供灵活便捷的同时，也要保障设备控制的可靠性，主要是设备控制的时延和稳定性的可靠，5G 通信方式应用于PLC南向或是北向对于其网络性能的要求是不 同的。5G连接的最小工作单元可以为单设备，也可根据复杂程度选择远程背板通信，或远程 I/O 进行多个设备的连接。通常情况下，如果连接需要进行工业协议转换，则可采用远程背板，通过远程背板外接工业 CPE/DTU进行 5G通信。如果连接较简单，只涉及I/O信号读写的简单工站，则可使用带有通信功能的远程 I/O，并外接工业 CPE/DTU进行5G通信即可。实际现场中所有需要和主 PLC 连接的工业设备包含但不限于：sub PLC，I/O 模块，各种类型的感应器，伺服电机，步进电机，气缸，电缸，程控电源，工控机，屏幕，安全光栅/扫描仪，数字量和模拟量信号设备，以及工业/协作机器人。示意图可见图3-2。)*$*&+,-&.#Main PLC-BMEP58X040 Digital I/O Analog I/O Temperature High Counting Serial Link RS232/RS485 Digital I/O Analog I/O Temperature High Counting Serial Link RS232/RS485 Network module PTO Module Remote IO Various Actuators Power source Digital I/O Analog I/O Temperature High Counting Vijeo Designer EOTE EMSE Power Meter RFID Picking Sensor Servo Frequency.Local VLAN:ETH IP,MODBUS,.EIO Bus RackSub PLC-M580/M340/M262(SoMachine)Other deviceTM3 Sensors MotionRobotVisionHMI5G Gateway5G GatewaySwitchStep Motor control by PTO module 图 3-2 PLC南向设备连接示意图 5G+PLC深度融合解决方案白皮书17 5G+PLC 应用典型系统架构边缘集中部署值得注意的是，在生产现场，5G 承接 PLC南向通信，意味着 5G 需要承接工业 OT 网络和各类工业协议。因此，5G 需要支持二层组网，即5G 终端和 5G 网络需要支持 5G LAN 功能。在边缘集中部署层，除了主 PLC 以外，还有与其连接的 5G 核心网以及边缘服务器MEC。以上设备均在同一物理位置，其连接方式为网线或光纤。上层承载应用上层应用属于管理层和操作层级，大部分部署在企业分布式计算节点或私有云/服务器上。这些应用包括了MES 系统服务端，质量管控追溯平台，生产信息数据库及其他。（1）5G+PLC 应用场景的单个 5G 终端的话务模型在 5G+PLC应用场景，考虑工业现场设备种类和数量众多且5G 芯片模组价格仍较高，目前通常在单个工作站部署一个或若干个 5G 终端，单个工站内的多个工业现场设备通过短距离有线的方式统一连接到某个5G 终端并与控制类设备进行通信。单个 5G 终端的典型通信话务模型 如下：3.2 5G+PLC应用场景分类及 对5G网络的需求单个5G 终端下连接的工业现场设备数多数情况10每个包大小100 bytes每个连接单次通讯平均发包数1.5个发包频率和数量频率约30ms/次总数量约500个/秒（1000/30*1.5*10）存在工业现场设备同时发包情况表3-1 单5G终端下通信话务模型18 5G+PLC深度融合解决方案白皮书（2）5G+PLC 应用场景分类及网络时延需求逻辑控制场景逻辑控制针对的是工业场景适用的开关量信号，包括输入信号和输出信号,在PLC数据类型定义为布尔型变量(BOOL).开关量信号主要来源：按钮，开关，传感器，指示灯，蜂鸣器，气缸，阀，接触器，继电器等。在5G应用场景下，5G支持通过总线方式连接主PLC与远程背板、远程IO。总线方式包括：Ethernet/IP,Modbus TCP,Profinet 等.基于PLC轮询运行机制，所有逻辑控制通过 5G连接将 带来额外时延，该时延需控制在 20ms50ms 之间，具体数据需根据产线/设备整体时延影响造成的效率损失来决定。逻辑控制场景往往在所有设备控制种类中占比最多，所以在设计阶段要考虑尽量减少设备串行动作，增加并行动作的可能性，以最小化引入 5G 带来的生产效率 损失。特定情况下，某些I/O信号需通过高速扫描（-85dbm）需要结合生产具体室内环境，设计pRRU的部署位置，以满足95%的区域内覆盖电平大于-85dbm，满足要求。C.5G 网络可用性保证达到99.9%-99.99%如果将核心网的可用达到99.98%，无线网的可用性达到99.97%，全网络系统可达到可用性99.95%的要求。如果需要达到更高的可用性，可以考虑在无线网BBU处进行单板冗余，RHUB冗余，pRRU交叉组网等方式。4.4 精细化5G网络运营工业生产安全是生产过程中的重中之重，将原有的有线方式更替为5G方式，需针对网络可靠性、时延等SLA指标进行精准管理监控，确保5G在工业内网应用过程中的安全稳定。采用 FMEA管理模式进行 5G专网的精细化运维体系建设：A.业务端到端风险梳理梳理端到端各个网元的容灾备份是否完善，详细剖析对应设备故障的可能性评级与故障严重性评级，得到端到端网络风险评级。对各项风险提前分析可能原因，设计容灾机制，规划应对措施，降低网络带来的业务风险影响。B.业务端到端失效模式分析根据业务的具体位置定位到相应的网络设备，得到不同业务端到端失效模式。因数通设备、核心网设备、无线BBU与 5G+PLC 业务类型关联性不大，而无线网 PRRU、RHUB设备与业务强相关，因此将集中式 PLC 控制产线下的 PRRU、RHUB 设置为关键控 制点。28C.业务运维等级匹配根据工厂对不同业务的重要性等级评估，结合5G专网运维要求，将各应用场景划分为四个运维等级，并设置不同的响应、处理、反馈时限。可参考以下运维等级划分模式进行规划：运维等级划分对业务影响说明响应时限阶段反馈时限处理时限P1业务全阻、PLC产线、AMR业务受影响半小时每小时反馈4小时P2AI、墨水屏等其他非关键业务受影响1小时每小时反馈12小时P3当前所有业务无影响但存在隐患需现场处理时2小时联系（工作时间）；软件配置等后台自行处理后邮箱反馈每4小时反馈根据告警严重性另分为24、48小时P4对业务无影响自行签收知晓表 4-5 5G 专网运维等级划分运维体系建设后，仍需通过专网自服务平台对工业5G专网进行实时、准确的网元状态、SLA 指标监控。基于5GToB切片专网一站式自助运营服务，通过“七元二阶”方法采集对接物联网卡，终端、基站、承载、边缘云、5GC、私有云等网元节点，跨专业关联基础设施、业务应用两个阶层，对网络设备、关键KPI指标进行实时监控，如时延、速率、丢包等指标，实现便捷的专网运行下网络排障分析、端到端分段定界、业务SLA动态优化闭环，推进网络与业务一体化融合的可视、可管、可维、可控，实现工业5G 专网自服务定制化、网络能力显性化。保障工业 5G专网稳定可靠运行，为工业行业用户提供真正具备价值的专网服务。5G+PLC深度融合解决方案白皮书29 转型成功案例5 案例详解 5G+PLC自动化线体改造30前面章节描述了5G深度融合工业控制领域的背景、系统架构及应用场景分类及对5G网络的需求、5G网络规划及部署的通用要求，以下两个章节将以实际生产场景和制造实施过程为例，分别结合全自动高速产线和半自动柔性产线两个案例给出实际指导，以供同行参考。5.1产线改造前状态及痛点原产线共四台设备组成高速自动产线，节拍时间CT为3秒。有线 PLC南向组网采用主机架+本地扩展控制本地IO+工业以太网或工业现场总线节点控制变频，伺服，视觉等方式。原产线使用了4个M580 PLC进行南北向及东西向通讯，单个PLC架构如下：图 5-1 原产线单个PLC架构本地扩展控制本地 IO31 案例详解 5G+PLC 自动化线体改造改造方案可参考图3-2，此产线采用了远程背板的通信方式，由4个远程背板替换了原先产线的4台PLC，南向连接了气缸、阀岛、电脑、HMI、工业相机、传感器等多种设备。图 5-2 内存利用率分别为 45%、33%、29%和45%基于原来系统架构，实测单PLC内存利用率约为30%，利用率较低（如图5-2所示），计划使用5G+PLC集中化部署方式进行PLC整合，提高利用率，减少投资成本。内部存储器（程序和保存数据）55.8%68.8%PLC 172.2%67.3%PLC 287.4%71.7%PLC 355.4%67.2%PLC 4325.2网络性能测试施耐德电气为形成 5G深度融合工业控制网络标准解决方案，搭建5G+PLC测试验证平台，针对前期拟定的工业控制场景与 5G 时延SLA测试，希望形成面向不同控制需求的5G网络建设指标建议，提供一个全面的5G工业产线解决方案。主要测试场景包括：逻辑控制、过程控制、运动控制、外部设备通讯四类场景，涉及集中化部署的主PLC与远程背板、远程IO、现场子PLC及各类驱动器、传感设备间的5G 通讯。这些测试也为前面章节的网络性能要求和运动器件的通信需求提供了数据支撑。（1）测试内容以下为2022.12月在施耐德某工厂环境下的详细测试内容，其中各部分测试的必要性可以根据阅读者的实际情况进行选取参考：A.工厂环境下，不同SLA设计下网络质量保障测试M580 集中式PLC与远程背板、远程IO、子站PLC、伺服驱动器之间的5G无线通讯网络质量B.不同SLA设计下，5G无线通信对四类工业控制场景业务的影响测试，每类场景测试三大指标，包括平均时延（15ms,25ms,50ms）、最大时延（30ms,50ms,100ms）和时延溢出（千分之一，万分之一）a.逻辑控制：场景为M580与远程背板、远程IO 间的通讯，涉及Modbus TCP协议与 Ethernet/IP 协议b.过程控制：涉及 M580与远程背板、远程 IO 间的通讯，涉及Modbus TCP 协议与 Ethernet/IP 协议c.运动控制：涉及M580与变频器、伺服控制器间的通讯，涉及M o d b u s T C P 协议与 E t h e r n e t/I P 协议，涉及 E t h e r C A T 协议的高精度控制不在该测试内d.其他设备通讯：其他工业设备通讯，大部分采用 M o d b u s T C P 协议C.5G LAN工业控制网络优化效果测试D.工业5G网关可靠性及性能对比测试E.双发选收网络保障效果测试 5G+PLC深度融合解决方案白皮书33 案例详解 5G+PLC 自动化线体改造（2）测试架构工厂测试基于集中化 PLC布置的架构，使用了多种支持 5G LAN功能的DTU用于测试，各工 业网关均具备5G LAN功能。涉及到的硬件设备见下表：设备名称设备型号备注M580PLCBMEP584040集中式PLC远程背板BMEXBP0800分布式模组M340CPUBMXP342020通讯数字量输入输出模块BMXDDM16022逻辑控制模拟量输入输出模块BMXAMM0600过程控制TM3总线耦合器TM3BCEIP远程I/OTM3数字量输入输出模块TM3DM8RG逻辑控制TM3模拟量输入输出模块TM3AM6G过程控制变频器ATV630U07M3运动控制、通讯伺服驱动器LXM16DU07M2X运动控制、通讯马达BCH16LB01330A5C2运动控制机构工业5G网关1NR1305G 终端工业5G网关2Z25G 终端工业5G网关3R5115G 终端工业5G网关4CPE ins2.05G 终端DISDIS LampSite5G基站设备5G COREE9000H-25G核心网表 5-1 5G+PLC测试硬件清单34测试用硬件连接和系统架构如下图：图 5-3 5G+PLC 测试用网络架构示意图机 房 侧现 场 侧施耐德 M580:主背板+电源+CPU+EIP通讯模块核心交换机5G 核心网M580 远程背板:从站背板+电源+IO模块+EIP通讯模块M340:背板+电源+IO模块+EIP通讯模块TM3变频器伺服马达马达施耐德HMIGTO5GA MFS MFU PFU DM工业5G网关 5G+PLC深度融合解决方案白皮书35 案例详解 5G+PLC 自动化线体改造（3）测试网络环境及特性基于施耐德某工厂车间内5G专网环境进行测试，5G 小区信息如下：业务测试过程中，网络具备以下特性：D-MIMO 特性：D-MIMO解决方案，区别于传统NR同频部署带来小区间干扰严重，从而影响覆盖区域内用户性能，创新性引入分布式Massive MIMO技术，通过将工作在相同频段上的射 频模块所连续覆盖的区域合并成一个nTnR的小区来消除小区边界，降低小区间干扰。合并后形成的D-MIMO 小区还可以通过 MU-MIMO 功能来提升系统的上下行容量和频谱效率。D-MIMO 解决方案适用于半封闭高大型厂房、空间开阔场景，例如制造、钢铁厂房室内空旷、无吊顶、抱杆点位丰富场景，通过宏站天线增益大、覆盖广、抱杆侧装方便，所需点位少，安装便捷优势，解决厂区部署5G toB的难题。业务差异化低时延：业务差异化低时延特性实现了 QCI（QoS Class Identifier）级别的上行预调度、SR 周期可配、SR 首包大小可配和上、下行 IBLER 目标值可配，节省调度处理时间及减少误块率和减少重传次数，降低空口时延。低时延高可靠：低时延高可靠主要通过实现数据信道可靠性和控制信道可靠性来达到提高业务可靠性的目的。PDCP Duplication：通过PDCP层复制报文，并在多载波冗余发送数据包，提升空口的可靠性。针对制造、港口、电网等短时延高可靠网络，进一步提升业务可靠性，助力达成RAN RTT时延可靠性。Slot 聚合：Slot 聚合功能可以在多个连续的slot上采用不同 HARQ 冗余版本传输同一个数据块，充分利用 HARQ 合并增益，提升空口传输的可靠性。表 5-2 5G小区信息组网SA制式NR TDD带宽100M子帧配比7:3专网部署模式5GC控制面下沉厂区，厂区内部鉴权，开卡、网管位于北京36（4）测试结果测试选取了主流工业以太网协议 Modbus TCP、Ethernet/IP、Ethernet/IO 进行测试，并分 别配置不同的协议轮询周期，通过持续发包测试不同协议下终端的响应时间。为模拟工业控制场景下实际电气动作执行的响