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17中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期工业5G本期主题5G技术在工业领域的研究Research on 5G Technology in the Industrial Field韩丹涛 赵艳领 郑秋平（机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055）Han Dantao,Zhao Yanling,Zheng Qingping(Instrumentation Technology and Economy Institute，Beijing 100055)摘要：自5G商用以来在工业领域得到广泛应用，5G大带宽、低时延、广连接的设计特性符合工业通信要求。随着国家5G+工业互联网项目的持续推进，5G正在与各行各业进行深入融合应用，开始从生产外围辅助环节逐步深入至生产核心控制环。通过研究5G在工业领域中的典型应用场景，对5G在工业应用中的适用性进行分析，给出在典型行业的5G应用解决方案，对于指导和推动5G在工业应用落地具有重要意义。关键词：5G 工业通信 工业互联网 应用场景Abstract：5G has been widely used in the industrial field,the features of large bandwidth,low delay,and wide connection meet the requirements of industrial communication.It is deeply integrated on industries with the 5G+Industrial Internet project,from the auxiliary links to the control of production.The 5G solutions in industries is provided by analyzing the typical application scenarios of 5G in the industrial field.Key words：5G industrial communication Industrial Internet application scenarios收稿日期：2023-04-21基金项目：国家重点研发计划资助“面向5G工业应用质量保障关键技术研究”（2021YFF0600300）。作者简介：韩丹涛（1985-），高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为智能制造、工业互联网等领域的基础共性技术与标准制定，包括OPC UA、5G工业应用、工业通信与集 成等。技术的出现，从根本上解决了之前无线通信网络的各种问题。5G具有超大带宽、超低延时、大规模连接等特性，在设计之初就考虑了工业高实时、高可靠、高安全的通信要求，是新一代信息通信技术演进升级的重要方向。工业互联网和5G融合创新发展，可以很好地满足制造业企业在不确定的市场环境中对于更快的产品和服务响应时间的需求，将加快推动制造业网络化、智能化的转型升级。虽然当前国内外推进5G与工业互联网融合创新的积极性不断提升，应用范围向生产制造核心环节持续延伸，叠加倍增效应和巨大应用潜力不断释放。但是，5G与工业互联网融合创新仍处于发展前期。1 5G工业应用通信要求随着智能制造，工业互联网以及新一代信息技术的快速发展，工业由原来比较封闭的自动 引言无线通信技术在工业应用存在干扰、不稳定等各种问题，导致当前工业体系以有线工业网络为基础，实现设备的互联互通、OT和IT的融合等。虽然工业有线网络在性能、稳定性、可靠性的方面满足工业的应用需求，但有线网络布线复杂、布线难等问题一直是阻碍工业进一步发展的源头。5G无线通信18 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期本期主题工业5G制、无人控制等场景。在电子设备制造、装备制造、钢铁、采矿、电力等典型行业率先发展；形成协同研发设计，远程设备操控，设备协同作业，柔性生产制造，现场辅助装配，机器视觉质检，设备故障诊断，厂区智能物流，无人智能巡检，生产现场监测等典型应用场景。每个应用场景中对5G工业应用有不同的业务通信需求，归为3类基础共性应用：带宽类、视觉类、控制类。带宽类应用主要是以大带宽、高并发类业务，对时延和丢包不敏感；视觉类应用主要是视觉检测、云控制类业务；控制类应用主要是控制类以及协作类业务。如图2所示。图2 5G工业应用场景5G与工业应用融合场景，一方面要聚焦当前企业网络化、数字化建设的现实需求，另一方面要兼顾智能化应用的未来发展趋势。目前，5G已形成典型应用场景和重点行业实践，已从生产外围辅助环节逐步深入至生产核心控制环节。通过实现IT和OT的深度融合，进一步挖掘和发挥5G应用价值，结合大数据、边缘计算、人工智能等新一代信息技术，带动智能巡检、智能运维等新场景、新模式、新业务不断成熟，目前典型的5G工业应用场景如表1所示。3 5G典型装备5G工业融合装备是新型工业互联网建设的基化/运营技术（Operation Technology，OT）领域向信息技术（Information Technology，IT）领域开放，OT和IT融合发展是必然的发展趋势。因此，工业通信的范围也逐步扩大，从现场控制一直到云端都存在着工业通信的需求。与IT通信领域相比，工业现场使用的通信技术，应满足工业应用的特殊需求，包括数据传输实时性（Real-time）、确定性（Deterministic）、可用性（Availability）、可靠性（Reliability）、安全性（Functional Safety&Security）等要求。工业现场应用至少满足过程数据（周期性数据采集控制与执行）、变量数据（参数配置等）、报警数据（现场工艺及设备报警灯）3类数据不同数据量级、不同传输优先级等要求的数据传输。5G作为新一代移动通信技术，具有大带宽、高可靠、低时延、广连接的特点，可以应用到简单的数据采集，也可以应用到实时控制等多个层面。在主流的工业应用实时等级与应用领域的划分中，理论上，5G空口时延可以达到毫秒级，加上端到端的传输时延，可以支撑端到端时延要求在毫秒级的应用场景，如图1所示。图1 工业应用实时等级与应用领域2 5G典型工业应用场景分析针对不同应用场景下工业现场的信息流动行为及特性，结合不同类型5G工业终端的大带宽、低时延、广连接等业务通信需求，5G理论上可支持毫秒级空口时延，能够满足很多垂直行业的数字化场景，比如：港口、采矿、钢铁、建筑、仓储等行业的远程控19中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期工业5G本期主题表2 典型的5G融合装备序号 设备类型主要作用1仪表5G仪表通过5G远程采集标定校准现场的设备运行状态、工序完成情况等相关数据，对设备间远程校准标定方式进行优化，根据优化结果下发标定校准策略等相关指令，实现多个设备的实时远程标定校准合作，提高设备标定校准效率，实现了仪器仪表5G+远程监控校准场景。2传感器5G检测传感器主要包括5G工业智能手机、温振传感器及红外热测温传感器等构成，载体一般可由专业技术人员、机器人或者无人机等实现，通过5G将设备运行数据、运行状态数据及现场生产环境音视频图片等信息实时上传至服务管理平台，提高现场沟通效率。实现5G+智能巡检场景。3PLC5G PLC主要实现远程控制，连锁控制等，采用5G低时延特性，确保控制指令下发，实现远程设备精准控制，利用5G网络实现生产线不同单元的安全信号连锁控制，实现PLC与PLC之间的协同。实现5G+实时控制场景。4工业 机器人5G+远程控机器人与机器人之间通过5G网络实现协同操作。移动机器人采用无线连接，通信时延需要达到毫秒级别甚至更低才能保证机器人之间的精确控制，时延过长导致产品不良率上升。实现5G+M2M场景。5数控机床5G+数控机床设备数据通过基于5G在数字空间对应设备上进行实时展示，远程技术服务人员可以在PC端或者手机端登录获取现场机床实时数据。实现人工智能管理，降低企业运营成本，提高产品质量，提高生产效率。实现5G+智能运维场景。6AGV5G+AGV组成柔性生产搬运系统，运行路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。5G为AGV机器人之间的通信提供高速网络支持，使AGV机器人具备自组织与协同能力。实现5G+车间物流场景。7网关5G+工业网关，作为5G通信承载设备，主要实现工业装备的内部集成，支持多种硬件通信接口适配，实现工业设备的5G通信集成及复杂建模。支持多种工业协议自适配功能，为现有工业设备提供5G灵活组网能力。实现5G+智能运维场景。8路由器5G+路由器从运营商的基站接收5G信号并将其转换为WiFi或有线信号，让更多本地设备接入互联网，同时让不具备5G能力的设备支持5G无线网络。实现5G+智能运维场景。9边缘计算设备5G+边缘计算设备支持阿里等主流IoT云平台，在物联网边缘节点实现数据优化、实时响应、敏捷连接、智能分析，显著减少现场与中心端的数据流量，为用户降低运营费用并减轻云端压力。实现5G+智能运维场景。10高清 摄像机5G+高清摄像机通过5G高速率的特性，将采集的监测视频/图像实时回传，实现人员违规、厂区的环境风险监控的实时分析和报警，实现厂区移动设备的安全监控并进行实时处理。大大提高作业安全规范性。实现5G+视频监控场景。础设施，是新建或者改造单元、产线、车间、工厂的基本设备，在每个应用场景中对5G工业终端有不同的业务通信需求。5G行业终端向多样化方向发展。5G三大应用场景使其能覆盖更多的行业，行业应用的多样性需要终端以不同的形态去承载。除了室内外CPE、网关等传统终端类型，还有机器人、车载路由器、工业相机、无人机、AGV等5G终端形态，终端外延持续扩大，终端类型更加多样化。5G行业终端向定制化方向发展。不同于5G消费类终端，行业用户的专业化程度高，对5G行业终端性能、可靠性等要求更高。同时行业终端的作业环境更加复杂，如高温、粉尘等工业环境，要确保终端稳定、可靠运行，5G终端从单纯的通信终端向信息化应用承载终端演变。目前形成了5G+仪表、传感器、PLC、工业机器人、数控机床、AGV、网关、路由器、边缘计算设备、高清摄像机等10种融合装备，如表2所示。4 5G典型行业应用场景（1）煤化工行业5G智能巡检典型应用场景水泵房、皮带巷、罐区等特殊场景环境复杂恶表1 5G典型工业应用场景序号场景名称场景描述15G+实时控制主要用于解决移动控制器和设备之间的通信，如旋转设备。25G+智能巡检由巡检设备、载体等对现场进行数据采集和监测，通过5G将数据上传到平台进行分析。35G+质量检测主要用于设备、产品等的质量进行移动视觉检测，通过5G网络进行传输，并参与产线协同控制。45G+智能运维利用5G网络传输制造装备的健康状态及故障诊断数据，实现跨工厂地域的制造装备远程运维与预测性维护。55G+数字孪生 利用5G网络的大带宽打通物理世界与信息空间的双向流通。65G+远程控制通过5G网络实现远距离作业下对现场设备远程操控。75G+AR 远程指导通过5G实现设备、产线等远程指导维修、在线检测。85G+车间物流利用5G网络传输物料配送、路径、设备状态等信息，实现按需调度分配资源、库存监控，物流与加工、装配等协同。95G+安全监控实现厂区移动设备的安全监控并进行实时处理，防止碰撞人员等危险情况。20 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期本期主题工业5G随着视觉质量检测的准确度提升，高清图片传输数据量大，AGV在移动过程中实时接收边缘计算的结果到达不同的工作站，可靠性及时延要求高，通过5G复合AGV移动视觉检测和控制可以实现机器人与不同工作站的配合，提高产线柔性，如图4 所示。图4 5G复合AGV移动视觉检测和控制通过在AGV上加装高清机器视觉模块，对加工工件的表面质量和几何尺寸进行自动检测。视觉模块所拍摄高清图像由5G传输至边缘计算服务器上，通过内置视觉分析算法模块给出质量判定结果，并以检测结果实时驱动AGV，控制产品流入不同的工作站。在转运过程中同步完成工件缺陷检验，缩短了生产周期，实现产线的柔性生产。5 小结目前，5G工业应用融合发展刚刚起步，还存在劣，智能巡检机器人代替人工进行巡检，提高了工作效率，降低了人员受伤危险。巡检机器人能够实现巡检任务的全自主运行，无需人工干预。通过采用AI智能识别技术，能够进行设备外观异常检测、开关分合状态识别、仪表读取等功能，实现对设备故障的判别和自动报警，并为故障信息大数据综合分析决策提供必要的数据和技术支撑。巡检机器人对通信带宽、移动性要求较高。目前，巡逻机器人通信方式主要有线、近距离无线等通信方式，工作范围、数据回传、实时控制操作都受到一定的限制。智能巡检典型应用场景应用的巡检机器人由移动轨道、自主移动式云台高清摄像头、环境传感器、拾音器、5G通信设备等构成，基于5G及MEC高带宽广覆盖特性，可以移动采集实时视频、拾取环境声音，采集甲烷、温度、烟雾等数据，并通过5G通信系统将音视频数据和环境数据、报警数据传输到云运维平台，与云运维平台一起，构成变电所无人值守系统。5G智能巡检主要现场应用方案如图3所示。（2）3C行业柔性生产电子制造行业在产品的生产过程中，具有需求多样、生命周期短、短时间内产品需求量大等特点。以手机产品为例，产品更新换代快，工艺变换频繁，工单切换时间长，在同一个时间点上，面临着多款机型同时生产和交付的挑战。生产过程中的设备故障、工单切换、视觉检测结果等情况对正常生产造成停机、停线、返工等负面影响。图3 5G智能巡检现场应用方案21中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第10期工业5G本期主题产业发展综述J.电信科学.2022（S1）1727.4 5G工业应用联合创新实验室 5G工业应用白皮书EB/OL.2020.http：/www.5g- 陈洁，卢斌，张琳峰.5G专网业务能力需求及端到端网络技术实现J.广东通信技术，2021（06）26.6 黎卓芳，刘慧敏，解博森.5G高可靠低时延通信标准现状及产业进展J.信息通信技术与政策，2022（04）3742.7 林高全，郑海彤，陈嘉敏.一种5G空口单向时延及其可靠性的测量方法J.移动通信，2022（04）8590.8 夏旭，袁欣，梁云.5G网络切片技术在智能电网的应用研究J.电子技术应用，2020（01）1721.着很多问题。但是相信随着我国5G网络新基建的快速稳步推进，5G技术与各行各业的融合发展是大势所趋。通过工业企业、基础电信企业、设备制造企业、解决方案服务商、高校、科研机构等各方深化合作，积极探索协同建设与创新发展模式，产生的新技术、新产品、新业态以及商业新模式将会对企业数字化转型具有重要的作用。参考文献1 刘丹，魏剑嵬，赵艳领.从需求和要求两角度分析5G工业应用J.自动化仪表.2020，41（10）162 欧阳劲松，刘丹，方毅芳.测控网、物联网、互联网，于工业“是什么”与“干什么”（二）J.中国仪器仪表.2020（08）26313 郑师应，李源，杨博涵.5G+行业现场网技术与中国仪器仪表杂志创刊于1981年，由中国机械工业联合会主管，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中国仪器仪表行业协会主办的专业学术期刊。长期以来不断有来自各行业生产一线的工程师、专家，大专院校及设计院的学者、设计师提供优秀的科技论文，使 中国仪器仪表 杂志在行业内被广大读者认可。为了使杂志内容与时俱进，更加贴近读者需求，本刊现面向仪器仪表行业的厂商、用户及设计院所的专家诚征稿件。一、征稿范围 智能制造与工业4.0 智能仪表与新能源 工业信息安全工业控制网络/以太网、物联网/现场总线 传感器 人工智能电力自动化/供电系统 机器人 科学仪器二、投稿方式请通过电子邮箱投稿，主题请注明“投稿”字样。请注明所投稿件的所属的主题；如需要指定时间刊登，请标明。征稿启事