【AII】2024工控应用需求与5G网络指标转译技术报告（离散制造领域）_54页_1mb

工控应用需求与5G网络指标转译技术报告总结 —— 离散制造领域

核心内容概述

本报告由工业互联网产业联盟组织编写，旨在探讨“5G+工业互联网”在离散制造领域中进入PLC级现场级控制的核心生产环节的可行性与挑战。报告重点分析了工控业务场景对5G网络指标的需求映射与转译方法，提出了网络KPI指标的定义，并通过具体案例展示了5G网络在提升生产效率、降低运维成本、保障生产安全等方面的应用价值。

主要观点

• 5G在离散制造中的价值：

  • 5G技术在时延、带宽、可靠性等方面能够满足工业控制的严苛要求，尤其在超低时延和超高可靠性（uRLLC）方面表现突出。
  • 5G可替代传统有线通信，简化网络结构，提高生产灵活性，支持柔性生产。

• 5G面临的挑战：

  • 不同工业协议对网络指标需求不同，需进行业务KQI到网络KPI的精准映射。
  • 网络性能与容量之间存在权衡，需平衡业务需求与网络能力。
  • 高精度控制场景对5G网络的时延、抖动和时间同步精度要求极高。

关键信息

一、5G进入现场级工控领域的价值与挑战

1. 典型场景

• 工艺AGV：5G无线化可提高通信质量、连接数和漫游能力，支持本地PLC云化，提升生产节拍。
• EMS：5G可减少物理连接维护，提升系统开放性和可靠性，降低运维成本。
• 机器人协同控制：减少线缆部署，提高产线灵活性，实现高效协同。
• 无线阀岛/IO设备：支持多型号共线生产，提升生产效率。
• 随行夹具/转台/滑台：减少物理通讯故障，提高设备开工率和生产节拍。

2. 关键价值

• 5G支持扁平化网络结构，提升设备布局灵活性。
• 提供高可靠性、低时延的网络能力，解决有线通信的痛点。
• 与边缘计算、AI等技术融合，推动智能制造发展。

3. 主要挑战

• 网络指标需满足不同业务需求，实现一网多能。
• 工业协议差异导致通信指标转译复杂。
• 极端场景对5G性能要求极高，需权衡网络容量与性能。

二、基于工控业务需求的应用KQI指标描述

1. 应用KQI概述

• 可用性：确保产线正常运行时间占比。
• 生产节拍：决定产线产能，与网络平均时延相关。
• 安全（Safety）：确保系统安全，与网络最大时延和抖动相关。
• 控制精度：影响产品质量，与网络时延、抖动及时间同步精度相关。

2. 通信服务可用性

• 网络需求：时延RTT有界，丢包率低，确保通信链路不超时。
• 看门狗机制：工业以太网协议（如Modbus TCP、Profinet）对网络指标有不同的要求。

3. 生产节拍

• 机制：生产节拍受限于瓶颈工岛的总耗时。
• 网络需求：平均时延控制在合理范围内，减少对生产节拍的影响。

4. 安全（Safety）

• SIL等级：衡量安全功能拒动概率，需确保安全系统不误动。
• 网络需求：最大时延、抖动需满足安全看门狗要求。

5. 控制精度

• 机理：控制精度依赖于控制回路的响应时间。
• 网络需求：最大时延、抖动及时间同步精度需满足高精度控制要求。

三、网络KPI指标定义

• RTT最大时延：网络往返时延最大值，需满足业务需求。
• RTT平均时延：网络往返时延平均值，影响生产节拍。
• 最大RTT时延抖动：网络时延波动范围，影响控制精度。
• 最大接收包间隔抖动：接收端报文间隔波动，影响看门狗机制。
• 丢包率：影响通信服务可用性。
• 时间同步精度：影响高精度控制场景。

四、业务KQI对网络KPI需求的转译方法

1. 指标转译及映射方法

• 构建业务到网络需求的转译模型，实现KQI指标到KPI指标的映射。
• 提供标准化分级分档网络能力，支持不同业务需求。

2. 工控KQI与5G KPI的映射模型

• Level 0：MES-工厂级，支持事件触发或周期触发（≥100ms）。
• Level 1：SCADA-车间级，支持周期触发（≥50ms）。
• Level 2：WiFi/小无线-设备级，支持周期触发（≥16/32ms）。
• Level 3：有线RT60%-设备级，支持周期触发（≥8ms）。
• Level 4：有线RT80%-设备级，支持周期触发（≥4ms）。
• Level 5：有线IRT-设备级，支持超低时延（~1ms）和高时间同步精度（1us）。

3. 5G网络指标的分级分档

• 根据业务需求与网络能力，将5G网络能力分为5个等级（L0-L5），支持不同场景下的网络性能需求。

4. 转译工具工作原理

• 集成到OT/CT平台，支持业务需求到网络配置的自动转译。
• 提供标准化网络能力，便于评估业务影响程度。
• 工具流程包括：项目设计、组态配置、业务需求转译、网络能力评估、业务参数调整。

五、应用案例

1. 通信服务可用性转译应用案例

• EMS系统：100个吊具无线接入5G，提升系统可用性。
• 网络需求：确保单包可靠性≥99.99%，调整看门狗门限次数为4。
• 结果：16个吊具连续稳定运行，满足项目验收。

2. 生产节拍转译案例

• 瓶颈工岛：有线CT=2ms，无线CT=8ms，网络平均时延=10ms。
• 影响计算：无线化对生产节拍的绝对影响为592ms，影响占比0.538%。
• 优化：调整CT为4ms，网络平均时延为4ms，影响占比降至0.204%。

3. 生产安全转译案例

• 机器人安全控制：光栅检测后触发PLC紧急制动。
• 网络需求：最大时延13ms，看门狗设置裕量需满足安全要求。
• 结果：确保机器人在光栅检测后及时停止，保障人员安全。

总结

本报告系统分析了5G在离散制造领域现场级控制场景中的应用需求与网络指标转译方法，明确了5G网络在提升生产效率、降低运维成本、保障生产安全等方面的关键作用。同时，也指出了当前5G在工业控制领域应用中面临的挑战，如协议差异、性能与容量的权衡、极端场景需求等。通过构建业务KQI到网络KPI的映射模型，以及开发转译工具，可以实现对5G网络的精准配置与部署，为5G在工业控制领域的广泛应用提供支持。