數字經濟時代，企業(yè)的生產模式、運營模式和商業(yè)模式都在發(fā)生變革。在驅動工業(yè)數字化轉型多股交織的力量中，不斷演進的5G新一代信息通信技術以其大帶寬、低時延、高可靠、廣覆蓋等“天然”特性，為工業(yè)領域的數字化、網絡化、智能化轉型提供了強大的基礎設施，成為緩解傳統(tǒng)制造痛點的強大引擎。
在剛剛結束的中國國際工業(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)合網絡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”)，闡述5G+PLC在離散制造業(yè)的應用，涉及產線設計到運維全生命周期中的5G網絡規(guī)劃、部署、運維及性能要求，同時輔以應用詳解，“以線帶面”地展示了5G為制造業(yè)生產模式帶來的深刻改變，以此推動未來工業(yè)領域變革。
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技術的融合，帶來了功能、形態(tài)和結構的變革，可實現更智能、更可靠和更安全的工業(yè)控制，受到了產學研用各方高度關注，其實踐正逐步從物流控制等生產外圍輔助環(huán)節(jié)應用向生產控制等核心環(huán)節(jié)應用深化拓展。
然而，要真正發(fā)揮5G 技術的價值，使其成為實體產業(yè)高質量發(fā)展的推動力，就迫切需要與實體經濟融合應用創(chuàng)新，需要與工業(yè)領域的運營技術(OT)深度融合，與工業(yè)自動化體系相融合。
5G原生能力為工業(yè)控制領域變革添動能
伴隨工業(yè)柔性化生產的需求越來越多，工業(yè)領域自身更新?lián)Q代逐步加快，以離散制造作為制造業(yè)的典型代表，經受工業(yè)數字化的洗禮，不斷邁向“定制化柔性產線”、“OT/IT網絡緊密結合”、“新型融合的工業(yè)自動化體系”：首先，分段式工藝給生產過程中根據不同需求定制化生產帶來了可能，工業(yè)柔性化生產需求進一步增長;其次，精益化生產使得離散制造企業(yè)更加需要通過OT與IT的融合網絡來實現現場生產要素數據到企業(yè)管理側數據的流通和共享;最后，復雜的傳統(tǒng)組網結構則正向工業(yè)4.0時代的端邊云三層架構發(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)自動化體系架構演進
在這些趨勢下，工業(yè)控制領域正經歷著一場革命性變革，新一代網絡架構要求設備端與邊緣計算節(jié)點之間的網絡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：柔性生產方面，5G網絡低時延、高可靠、強安全的特性可支持柔性生產場景下OT網絡通信的無線化訴求。扁平化網絡架構方面，5G使能各類工業(yè)生產設備進行扁平化通信。同時，5G網絡天然提供全域一張網的能力，結合5G LAN特性的二層接入能力、5G網絡切片對網絡資源的靈活調配，完美契合離散制造企業(yè)OT網絡與IT網絡扁平化融合的發(fā)展趨勢。
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)生產的核心環(huán)節(jié)，5G+PLC的深度融合將為制造業(yè)生產模式和生產形態(tài)帶來革新。隨著5G技術的不斷演進，R16關鍵特性的引入，5G可靠的低時延能力使得5G使能PLC控制領域，即支持PLC南向通信漸成為了可能。
據悉，在工業(yè)制造現場，由于最靠近底層工業(yè)設備，以PLC為代表的工控系統(tǒng)軟硬件，通常作為重要的底層控制部件應用出現，以實現工業(yè)設備的具體操作與工藝控制由于涉及到許多設備的精準配合，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，而無線網絡不在考慮之中。
在工廠網絡中，5G更為廣泛地應用于ERP、MES、SCADA這些層級較高的系統(tǒng)層，但很少進入到更加深入的PLC控制領域。雖然有線連接為PLC提供了穩(wěn)定時延的電信號，但由于工廠有很多產線及機臺，涉及到很多臺PLC，而每一次產線調整，尤其是柔性制造產線進行調整時，布線和程序調試的工作量都非常大。
基于此，白皮書從工業(yè)產線初期分析調研開始，至全面落地進行生產為終，提供了一個全面的5G+PLC深度融合的工業(yè)產線的解決方案，涵蓋系統(tǒng)架構、5G+PLC應用場景分類、5G網絡規(guī)劃/部署/運維及性能要求等多個層面的信息。
在系統(tǒng)架構層面，白皮書將5G+PLC典型系統(tǒng)架構分為現場接入設備、邊緣集中部署和上層承載應用三個層級，如下圖所示：
圖：5G+PLC工廠級系統(tǒng)架構
此架構承襲了傳統(tǒng)PLC控制架構，盡可能的做到了對控制程序編寫人員和設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備。我們知道，日常生活中，消費者會根據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，有的需要更高的網速……工業(yè)場景與之類似，四類不同場景中的設備和機器也有自己的通信要求，比如視頻傳輸類設備需要更大的帶寬，控制類設備則更加關注時延穩(wěn)定性。
施耐德電氣認為，此架構將使未來云、邊、端更加扁平化，現場設備也更加智能化，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，令其架構更加開放;同時，過去的PLC從一個多層級的線程網絡，變成了目前三層的扁平化架構。施耐德電氣在5G+PLC領域的探索突破，為5G能夠進入到工業(yè)的核心控制環(huán)節(jié)發(fā)揮了非常關鍵的作用。
在運維層面，為滿足不同場景的網絡需求，中國聯(lián)通除提供定制網能力外，同時提供5種標準化網絡產品，通過“基礎網絡+增值業(yè)務”方式提供快速高效建網能力。
然而，在5G這種全新的通信技術和工業(yè)控制架構深入融合的過程中，難免也會出現各種“水土不服”：其一是CT和OT的性能標準的不一致性;其二是相比于設備有線直連的極低時延，基于5G無線網絡的設備接入會帶來生產效率上的損失;其三是網絡的不穩(wěn)定性會給部分機械運動設備帶來安全隱患，而生產安全是工業(yè)制造的第一要務。
這些問題將依賴于工業(yè)企業(yè)、通信企業(yè)和基礎電信企業(yè)的相互配合，共同完善彼此兼容的方式，設計新的電氣/機械安全架構，產線設計工具和配套方案，保障工業(yè)5G專網穩(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服務。
5G+工業(yè)互聯(lián)網應用逐步成熟
5G是驅動工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展的關鍵技術，工業(yè)互聯(lián)網是5G規(guī)?；瘧玫闹麝嚨?。隨著5G不斷扎根工業(yè)領域，5G網絡開始向與工廠控制層面的OT網絡深度融合方向拓展，以提高生產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、降本、增效。
作為全球能源管理和自動化領域的數字化轉型專家，施耐德電氣基于自身在精益生產、綠色智能制造和OT技術領域的豐富經驗，在5G的工業(yè)應用場景上做了大量的研究和實踐，助力5G全連接工廠建設。
據了解，自2019年起，施耐德電氣在位于無錫和廣州的工廠部署5G網絡，并進行了大量的性能和安全測試，提出了5GC(5G 核心網)全下沉，分散部署，集團統(tǒng)一管理的架構和運維模式。同時，施耐德電氣也在2022年開始落地5G多園區(qū)專網方案，遍布全國二十幾家智慧工廠和物流中心，實現網絡統(tǒng)一標準，應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結合的技術應用在質量控制、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%，實現資產輕量化的目標。
展望未來，5G新版本標準和新技術將會加快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，共同解決工業(yè)企業(yè)在數字化轉型過程中遇到的實際難題。在實際場景中，5G的技術自身的特性已經與施耐德電氣在制造領域的深厚積淀融為一體，帶來靈活性、韌性和效率的極大提升。作為5G工業(yè)應用的積極踐行者，施耐德電氣期待將自身的成功經驗分享給更多工業(yè)企業(yè)，與業(yè)界共同推動產業(yè)數字化進程，共享數字技術帶來的紅利。
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