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)型標志時，管理學之父彼得·德魯克曾用“朝向自動化就是朝向進步”來定義未來工業(yè)的演進形態(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時代到來后，也變得更具說服力。隨著數(shù)字化浪潮蓬勃興起，機械化的工業(yè)制造環(huán)節(jié)正朝著高效、精準、智能、柔性、協(xié)同的趨勢轉(zhuǎn)變，進而催生著工業(yè)系統(tǒng)的蛻變。

同時作為工業(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、低時延和大帶寬特性的5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后，融合邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，并與人、機、物、系統(tǒng)等全面連接，成為工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)降本、提質(zhì)、增效、綠色、安全發(fā)展的新助力。

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5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

然而在工業(yè)自動化領(lǐng)域，并沒有很多原生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，來實現(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這些層級較高的系統(tǒng)層，很少進入到更加深入的PLC控制領(lǐng)域，包括邏輯控制，過程控制、運動控制，雖然有線連接為PLC提供了穩(wěn)定時延的通訊，但由于工廠有很多產(chǎn)線及機臺，涉及到很多臺PLC，而每一次產(chǎn)線調(diào)整，尤其是柔性制造產(chǎn)線進行，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無線網(wǎng)絡(luò)融合的契機。施耐德電氣高級副總裁、全球供應(yīng)鏈中國區(qū)負責人張開鵬向記者表示，5G有著廣泛的應(yīng)用場景，施耐德電氣希望以5G+PLC作為一個范例，讓整個行業(yè)、社會更多地認識到5G帶來的革命性，以推動整個產(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中國國際工業(yè)博覽會上，施耐德電氣攜手中國信息通信研究院、中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司聯(lián)合發(fā)布《5G+PLC深度融合解決方案》白皮書（以下簡稱“白皮書”），首度分享了其在國內(nèi)多家工廠進行的5G+PLC產(chǎn)線改造實踐方案，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)計到運維全生命周期中的5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、部署、運維及性能要求，同時輔以應(yīng)用詳解，“以線帶面”地展示了5G為制造業(yè)生產(chǎn)模式帶來的深刻改變，以此推動未來工業(yè)領(lǐng)域變革。

在為白皮書撰寫的序中，中國信息通信研究院院長余曉暉指出，PLC作為工業(yè)自動化的核心控制器，與5G技術(shù)的融合，帶來了功能、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變革，可實現(xiàn)更智能、更可靠和更安全的工業(yè)控制，受到了產(chǎn)學研用各方高度關(guān)注，其實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)的價值，使其成為實體產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的推動力，就迫切需要與實體經(jīng)濟融合應(yīng)用創(chuàng)新，需要與工業(yè)領(lǐng)域的運營技術(shù)（OT）深度融合、與工業(yè)自動化體系相融合。

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5G原生能力為工業(yè)控制領(lǐng)域變革添動能

伴隨工業(yè)柔性化生產(chǎn)的需求越來越多，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)自動化體系”：首先，分段式工藝給生產(chǎn)過程中根據(jù)不同需求定制化生產(chǎn)帶來了可能，工業(yè)柔性化生產(chǎn)需求進一步增長；其次，精益化生產(chǎn)使得離散制造企業(yè)更加需要通過OT與IT的融合網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)到企業(yè)管理側(cè)數(shù)據(jù)的流通和共享；最后，復雜的傳統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)正向工業(yè)4.0時代的端邊云三層架構(gòu)發(fā)展，MES、SCADA、ERP在邊緣計算節(jié)點或工業(yè)云上協(xié)同部署成為業(yè)界趨勢。

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

在這些趨勢下，工業(yè)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場革命性變革，新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)要求設(shè)備端與邊緣計算節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)通信具備提供大帶寬、低時延以及時延確定性的能力，這些正是5G的原生能力：柔性生產(chǎn)方面，5G網(wǎng)絡(luò)低時延、高可靠、強安全的特性可支持柔性生產(chǎn)場景下OT網(wǎng)絡(luò)通信的無線化訴求。扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，5G使能各類工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進行扁平化通信。同時，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。

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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)帶來革新。隨著5G技術(shù)的不斷演進，R16關(guān)鍵特性的引入，5G可靠的低時延能力使得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，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，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)備的精準配合，因此對時延的控制與誤差要求非常高，這也使得長期以來，控制系統(tǒng)與采集單元的連接都常常采用有線的方式，而無線網(wǎng)絡(luò)不在考慮之中。

基于以上因素，白皮書從工業(yè)產(chǎn)線初期分析調(diào)研開始，至全面落地進行生產(chǎn)，提供了一個全面的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)用場景分類、5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃/部署/運維及性能要求等多個層面的信息。

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

（圖：5G+PLC工廠級系統(tǒng)架構(gòu)）

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

在場景層面，白皮書將5G+PLC應(yīng)用場景歸納為四類：邏輯控制場景、過程控制場景、運動控制場景和外部設(shè)備。我們知道，日常生活中，消費者會根據(jù)自己的需求訂購手機卡套餐，有的對流量有較高要求，有的需要更多的通話時間，有的需要更高的網(wǎng)速……工業(yè)場景與之類似，四類不同場景中的設(shè)備和機器也有自己的通信要求，比如視頻傳輸類設(shè)備需要更大的帶寬，控制類設(shè)備則更加關(guān)注時延穩(wěn)定性。

施耐德電氣認為，此架構(gòu)將使未來云、邊、端更加扁平化，現(xiàn)場設(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。

在中國信息通信研究院副院長王志勤看來，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)更加開放；同時，過去的PLC從一個多層級的線程網(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。

在運維層面，為滿足不同場景的網(wǎng)絡(luò)需求，中國聯(lián)通除提供定制網(wǎng)能力外，同時提供5種標準化網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，通過“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)深入融合的過程中，難免也會出現(xiàn)各種“水土不服”：其一是CT和OT的性能標準的不一致性；其二是相比于設(shè)備有線直連的極低時延，基于5G無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備接入會帶來生產(chǎn)效率上的損失；其三是網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性會給部分機械運動設(shè)備帶來安全隱患，而生產(chǎn)安全是工業(yè)制造的第一要務(wù)。

這些問題將依賴于工業(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)計新的電氣/機械安全架構(gòu)，產(chǎn)線設(shè)計工具和配套方案，保障工業(yè)5G專網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行，從而為工業(yè)行業(yè)用戶提供真正具備價值的專網(wǎng)服務(wù)。

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5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐步成熟

5G是驅(qū)動工業(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。目前我國正積極發(fā)布5G產(chǎn)業(yè)政策的支持引導，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)認為，這終將推動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，5G新版本標準和新技術(shù)的持續(xù)迭代，也會加快IT和OT在工廠控制層面進行深度融合，提高生產(chǎn)過程的柔性和透明性——通過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，在5G的工業(yè)應(yīng)用場景上做了大量的研究和實踐，助力5G全連接工廠建設(shè)，為踐行未來工業(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錫和廣州的工廠部署5G網(wǎng)絡(luò)，并進行了大量的性能和安全測試，提出了5GC（5G 核心網(wǎng)）全下沉，分散部署，集團統(tǒng)一管理的架構(gòu)和運維模式。同時，施耐德電氣也在2022年開始落地5G多園區(qū)專網(wǎng)方案，遍布全國二十幾家智慧工廠和物流中心，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標準，應(yīng)用快速復制和管理統(tǒng)一集中。在未來的工廠場景中，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、維護保養(yǎng)、遠程培訓等場景中，可大量降低硬件和運維成本約50%，實現(xiàn)資產(chǎn)輕量化的目標。

END

總的來看，目前5G+PLC也在進一步拓展其應(yīng)用的行業(yè)，以進一步加深應(yīng)用深度，未來5G新版本標準和新技術(shù)將會加快IT 和OT在工廠控制層面的深度融合，同時，越來越多的傳統(tǒng)自動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)型過程中遇到的實際難題。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)驗與業(yè)界共同推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進程，共享數(shù)字技術(shù)帶來的紅利。

編輯：黃飛

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