5G+PLC典型系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用方案

在提及現(xiàn)代工業(yè)的轉(zhuǎn)型標(biāo)志時(shí)，管理學(xué)之父彼得·德魯克曾用“朝向自動(dòng)化就是朝向進(jìn)步”來(lái)定義未來(lái)工業(yè)的演進(jìn)形態(tài)。這一論斷，在輔以智能化、網(wǎng)絡(luò)化為主要特征的工業(yè)4.0時(shí)代到來(lái)后，也變得更具說(shuō)服力。隨著數(shù)字化浪潮蓬勃興起，機(jī)械化的工業(yè)制造環(huán)節(jié)正朝著高效、精準(zhǔn)、智能、柔性、協(xié)同的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而催生著工業(yè)系統(tǒng)的蛻變。

同時(shí)作為工業(yè)生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，工業(yè)控制的角色也在工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下占據(jù)愈發(fā)重要的位置。尤其是在擁有高速度、低時(shí)延和大帶寬特性的5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后，融合邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，并與人、機(jī)、物、系統(tǒng)等全面連接，成為工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本、提質(zhì)、增效、綠色、安全發(fā)展的新助力。

01

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

然而在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，并沒(méi)有很多原生5G的產(chǎn)品，需要工業(yè)廠商在產(chǎn)線額外加入一些連接設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)與5G的連接。另外一方面，目前在工廠網(wǎng)絡(luò)中，5G更為廣泛地應(yīng)用于ERP、MES、SCADA這些層級(jí)較高的系統(tǒng)層，很少進(jìn)入到更加深入的PLC控制領(lǐng)域，包括邏輯控制，過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制，雖然有線連接為PLC提供了穩(wěn)定時(shí)延的通訊，但由于工廠有很多產(chǎn)線及機(jī)臺(tái)，涉及到很多臺(tái)PLC，而每一次產(chǎn)線調(diào)整，尤其是柔性制造產(chǎn)線進(jìn)行，布線和程序調(diào)試的工作量都非常大。

這些短板的存在，也讓PLC更為迫切地尋求著5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合的契機(jī)。施耐德電氣高級(jí)副總裁、全球供應(yīng)鏈中國(guó)區(qū)負(fù)責(zé)人張開(kāi)鵬向記者表示，5G有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，施耐德電氣希望以5G+PLC作為一個(gè)范例，讓整個(gè)行業(yè)、社會(huì)更多地認(rèn)識(shí)到5G帶來(lái)的革命性，以推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的建設(shè)。

在此背景之下，在剛剛結(jié)束的2023中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，施耐德電氣攜手中國(guó)信息通信研究院、中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司聯(lián)合發(fā)布《5G+PLC深度融合解決方案》白皮書(shū)（以下簡(jiǎn)稱“白皮書(shū)”），首度分享了其在國(guó)內(nèi)多家工廠進(jìn)行的5G+PLC產(chǎn)線改造實(shí)踐方案，為業(yè)界提供了5G+PLC賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的可行思路，并闡述5G+PLC在離散制造業(yè)的應(yīng)用，涉及產(chǎn)線設(shè)計(jì)到運(yùn)維全生命周期中的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、部署、運(yùn)維及性能要求，同時(shí)輔以應(yīng)用詳解，“以線帶面”地展示了5G為制造業(yè)生產(chǎn)模式帶來(lái)的深刻改變，以此推動(dòng)未來(lái)工業(yè)領(lǐng)域變革。

在為白皮書(shū)撰寫(xiě)的序中，中國(guó)信息通信研究院院長(zhǎng)余曉暉指出，PLC作為工業(yè)自動(dòng)化的核心控制器，與5G技術(shù)的融合，帶來(lái)了功能、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變革，可實(shí)現(xiàn)更智能、更可靠和更安全的工業(yè)控制，受到了產(chǎn)學(xué)研用各方高度關(guān)注，其實(shí)踐正逐步從物流控制等生產(chǎn)外圍輔助環(huán)節(jié)應(yīng)用向生產(chǎn)控制等核心環(huán)節(jié)應(yīng)用深化拓展。

然而，要真正發(fā)揮5G 技術(shù)的價(jià)值，使其成為實(shí)體產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的推動(dòng)力，就迫切需要與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合應(yīng)用創(chuàng)新，需要與工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）深度融合、與工業(yè)自動(dòng)化體系相融合。

02

5G原生能力為工業(yè)控制領(lǐng)域變革添動(dòng)能

伴隨工業(yè)柔性化生產(chǎn)的需求越來(lái)越多，工業(yè)領(lǐng)域自身更新?lián)Q代逐步加快，以離散制造作為制造業(yè)的典型代表，經(jīng)受工業(yè)數(shù)字化的洗禮，不斷邁向“定制化柔性產(chǎn)線”、“OT/IT網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合”、“新型融合的工業(yè)自動(dòng)化體系”：首先，分段式工藝給生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)不同需求定制化生產(chǎn)帶來(lái)了可能，工業(yè)柔性化生產(chǎn)需求進(jìn)一步增長(zhǎng)；其次，精益化生產(chǎn)使得離散制造企業(yè)更加需要通過(guò)OT與IT的融合網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)到企業(yè)管理側(cè)數(shù)據(jù)的流通和共享；最后，復(fù)雜的傳統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)正向工業(yè)4.0時(shí)代的端邊云三層架構(gòu)發(fā)展，MES、SCADA、ERP在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)或工業(yè)云上協(xié)同部署成為業(yè)界趨勢(shì)。

（圖：工業(yè)3.0至工業(yè)4.0的工業(yè)自動(dòng)化體系架構(gòu)演進(jìn)）

在這些趨勢(shì)下，工業(yè)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)革命性變革，新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要求設(shè)備端與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)通信具備提供大帶寬、低時(shí)延以及時(shí)延確定性的能力，這些正是5G的原生能力：柔性生產(chǎn)方面，5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、高可靠、強(qiáng)安全的特性可支持柔性生產(chǎn)場(chǎng)景下OT網(wǎng)絡(luò)通信的無(wú)線化訴求。扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，5G使能各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行扁平化通信。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)天然提供全域一張網(wǎng)的能力，結(jié)合5G LAN特性的二層接入能力、5G網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)配，完美契合離散制造企業(yè)OT網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)扁平化融合的發(fā)展趨勢(shì)。

03

5G+PLC深度融合破除5G落地工業(yè)的“水土不服”

工業(yè)控制是工業(yè)生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，5G+PLC的深度融合將為制造業(yè)生產(chǎn)模式和生產(chǎn)形態(tài)帶來(lái)革新。隨著5G技術(shù)的不斷演進(jìn)，R16關(guān)鍵特性的引入，5G可靠的低時(shí)延能力使得5G使能PLC控制領(lǐng)域，即支持PLC南向通信逐漸成為了可能。

注：PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接稱為 PLC 南向通信

（圖：PLC南向設(shè)備連接示意圖）

值得注意的是，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，5G 承接 PLC 南向通信，意味著 5G 需要承接工業(yè) OT 網(wǎng)絡(luò)和各類(lèi)工業(yè)協(xié)議。因此，5G 需要支持二層組網(wǎng)，即 5G 終端和 5G 網(wǎng)絡(luò)需要支持 5G LAN 功能。在邊緣集中部署層，除了主 PLC 以外，還有與其連接的 5G 核心網(wǎng)以及邊緣服務(wù)器 MEC 。以上設(shè)備均在同一物理位置，其連接方式為網(wǎng)線或光纖。

據(jù)悉，在工業(yè)制造現(xiàn)場(chǎng)，由于最靠近底層的工業(yè)設(shè)備是以PLC為代表的工控系統(tǒng)軟硬件，它通常作為重要的底層控制部件應(yīng)用出現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的具體操作與工藝控制。由于涉及到許多設(shè)備的精準(zhǔn)配合，因此對(duì)時(shí)延的控制與誤差要求非常高，這也使得長(zhǎng)期以來(lái)，控制系統(tǒng)與采集單元的連接都常常采用有線的方式，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不在考慮之中。

基于以上因素，白皮書(shū)從工業(yè)產(chǎn)線初期分析調(diào)研開(kāi)始，至全面落地進(jìn)行生產(chǎn)，提供了一個(gè)全面的5G+PLC深度融合的工業(yè)產(chǎn)線的解決方案，涵蓋系統(tǒng)架構(gòu)、5G+PLC應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)、5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃/部署/運(yùn)維及性能要求等多個(gè)層面的信息。

在系統(tǒng)架構(gòu)層面，白皮書(shū)將5G+PLC典型系統(tǒng)架構(gòu)分為現(xiàn)場(chǎng)接入設(shè)備、邊緣集中部署和上層承載應(yīng)用三個(gè)層級(jí)，如下圖所示：

（圖：5G+PLC工廠級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)）

此架構(gòu)承襲了傳統(tǒng)PLC控制架構(gòu)，盡可能地做到了對(duì)控制程序編寫(xiě)人員和設(shè)備制造人員的無(wú)感化，降低了其實(shí)施的難度，提高了便捷性和可復(fù)制性。

在場(chǎng)景層面，白皮書(shū)將5G+PLC應(yīng)用場(chǎng)景歸納為四類(lèi)：邏輯控制場(chǎng)景、過(guò)程控制場(chǎng)景、運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景和外部設(shè)備。我們知道，日常生活中，消費(fèi)者會(huì)根據(jù)自己的需求訂購(gòu)手機(jī)卡套餐，有的對(duì)流量有較高要求，有的需要更多的通話時(shí)間，有的需要更高的網(wǎng)速……工業(yè)場(chǎng)景與之類(lèi)似，四類(lèi)不同場(chǎng)景中的設(shè)備和機(jī)器也有自己的通信要求，比如視頻傳輸類(lèi)設(shè)備需要更大的帶寬，控制類(lèi)設(shè)備則更加關(guān)注時(shí)延穩(wěn)定性。

施耐德電氣認(rèn)為，此架構(gòu)將使未來(lái)云、邊、端更加扁平化，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也更加智能化，從而更好地利用云端和邊緣端的算力，使得產(chǎn)線的開(kāi)放性更高，成本更低，用戶的選擇也更多，最終讓控制系統(tǒng)能用在成本更低的控制設(shè)備上。

在中國(guó)信息通信研究院副院長(zhǎng)王志勤看來(lái)，一方面，5G+PLC打破了傳統(tǒng)PLC比較封閉的工業(yè)體系，令其架構(gòu)更加開(kāi)放；同時(shí)，過(guò)去的PLC從一個(gè)多層級(jí)的線程網(wǎng)絡(luò)，變成了目前三層的扁平化架構(gòu)。施耐德電氣在5G+PLC領(lǐng)域的探索突破，為5G能夠進(jìn)入到工業(yè)的核心控制環(huán)節(jié)發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。

在運(yùn)維層面，為滿足不同場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)需求，中國(guó)聯(lián)通除提供定制網(wǎng)能力外，同時(shí)提供5種標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，通過(guò)“基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)+增值業(yè)務(wù)”方式提供快速高效建網(wǎng)能力。

然而，在5G這種全新的通信技術(shù)和工業(yè)控制架構(gòu)深入融合的過(guò)程中，難免也會(huì)出現(xiàn)各種“水土不服”：其一是CT和OT的性能標(biāo)準(zhǔn)的不一致性；其二是相比于設(shè)備有線直連的極低時(shí)延，基于5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備接入會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)效率上的損失；其三是網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性會(huì)給部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)備帶來(lái)安全隱患，而生產(chǎn)安全是工業(yè)制造的第一要?jiǎng)?wù)。

這些問(wèn)題將依賴于工業(yè)企業(yè)、通信企業(yè)和基礎(chǔ)電信企業(yè)的相互配合，共同完善彼此兼容的方式，設(shè)計(jì)新的電氣/機(jī)械安全架構(gòu)，產(chǎn)線設(shè)計(jì)工具和配套方案，保障工業(yè)5G專網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，從而為工業(yè)行業(yè)用戶提供真正具備價(jià)值的專網(wǎng)服務(wù)。

04

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐步成熟

5G是驅(qū)動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G規(guī)模化應(yīng)用的主陣地。目前我國(guó)正積極發(fā)布5G產(chǎn)業(yè)政策的支持引導(dǎo)，尤其是隨著工信部《5G全連接工廠建設(shè)指南》的發(fā)布，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，這終將推動(dòng)5G由生產(chǎn)外圍輔助環(huán)節(jié)向核心控制環(huán)節(jié)深化拓展。同時(shí)，5G新版本標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的持續(xù)迭代，也會(huì)加快IT和OT在工廠控制層面進(jìn)行深度融合，提高生產(chǎn)過(guò)程的柔性和透明性——通過(guò)5G在工廠的全覆蓋，最終助力制造業(yè)提質(zhì)、降本、增效。

作為全球能源管理和自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型專家，施耐德電氣基于自身在精益生產(chǎn)、綠色智能制造和OT技術(shù)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，在5G的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景上做了大量的研究和實(shí)踐，助力5G全連接工廠建設(shè)，為踐行未來(lái)工業(yè)領(lǐng)域變革踏出了探索性的第一步。

據(jù)了解，自2019年起，施耐德電氣在位于無(wú)錫和廣州的工廠部署5G網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了大量的性能和安全測(cè)試，提出了5GC（5G 核心網(wǎng)）全下沉，分散部署，集團(tuán)統(tǒng)一管理的架構(gòu)和運(yùn)維模式。同時(shí)，施耐德電氣也在2022年開(kāi)始落地5G多園區(qū)專網(wǎng)方案，遍布全國(guó)二十幾家智慧工廠和物流中心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用快速?gòu)?fù)制和管理統(tǒng)一集中。在未來(lái)的工廠場(chǎng)景中，施耐德電氣工廠還可將5G與VDI PAD結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用在質(zhì)量控制、維護(hù)保養(yǎng)、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等場(chǎng)景中，可大量降低硬件和運(yùn)維成本約50%，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)輕量化的目標(biāo)。

END

總的來(lái)看，目前5G+PLC也在進(jìn)一步拓展其應(yīng)用的行業(yè)，以進(jìn)一步加深應(yīng)用深度，未來(lái)5G新版本標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)將會(huì)加快IT 和OT在工廠控制層面的深度融合，同時(shí)，越來(lái)越多的傳統(tǒng)自動(dòng)化廠家也在積極擁抱ICT新技術(shù)，共同解決工業(yè)企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中遇到的實(shí)際難題。作為5G工業(yè)應(yīng)用的積極踐行者，施耐德電氣將結(jié)合自身的成功經(jīng)驗(yàn)與業(yè)界共同推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程，共享數(shù)字技術(shù)帶來(lái)的紅利。

編輯：黃飛

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