中国移动：5G确定性工业生产网白皮书_49页_5mb

中国移动5G确定性工业生产网白皮书总结

核心内容

本白皮书由中国移动发布，聚焦于“5G+工业互联网”的融合发展，提出以“跨域融合、确定可靠、算网一体”为核心理念的“5G确定性工业生产网”体系架构。白皮书分析了5G在工业生产网络中的三大主要挑战，并提出了22项关键技术，明确了三个阶段的演进路径，展示了在运动控制、DTU配电自动化、智能仓储物流、全连接工厂、基于虚拟化PLC的柔性产线等场景中的探索与实践成果。

主要观点

• 5G与工业互联网融合：5G技术具备大带宽、低时延、广覆盖等特性，是工业互联网的重要载体，能够推动工业生产向数字化、网络化、智能化发展。
• 三大挑战：5G在融入工业生产网络时面临组网融通、确定性通信能力、算网一体化等挑战。
• 三大演进阶段：5G确定性工业生产网的演进分为辅助生产、融入生产、改变生产三个阶段，逐步推进5G在工业生产中的深度应用。
• 技术体系：白皮书提出了组网融合、性能保障、算网一体化三大类共22项关键技术。
• 实践成果：在多个工业场景中，5G已实现初步应用，包括运动控制、配电自动化、智能仓储物流、全连接工厂、虚拟化PLC等。

关键信息

2.1 5G融入生产的组网融通挑战

• 多样化工业协议兼容适配：需支持工业以太、工业总线等协议，实现与现有网络的互通。
• 多模态接入制式融合：需整合WiFi、Bluetooth、ZigBee、UWB等接入方式，形成统一纳管体系。
• 多层级工业生产环网简化：需简化多层级控制环网，实现统一管理。
• 挑战示例：闭环控制：需兼容不同PLC控制器和伺服电机的通信协议，统一纳管采集数据。

2.2 生产控制对5G确定性能力的挑战

• 时延抖动确定性：需支持高精度时间同步和确定性时延服务。
• 数据通信可靠性：需提升系统和节点级可靠性，避免数据丢包和传输不稳定。
• 异构融合安全性：需满足工业网络的安全隔离和数据加密要求。
• 挑战示例：滑环控制：需实现5G对滑环通信的替代，具备确定性时延、高精度时间同步等能力。

2.3 工业控制算力的算网一体化挑战

• 工业控制算网整合统一：需实现PLC与机械装置的解耦，支持集中化部署。
• 基于5G的实时性调度：需构建兼容分时与实时应用的算网一体化算力底座。

3.1 5G嵌入工业生产环节的主要模式

• 模式一：无线化SCADA/HMI与PLC之间的通信链路，支持生产数据的集中采集与控制。
• 模式二：无线化PLC主站与从站之间的通信链路，解决旋转、摆动等场景下的通信问题。
• 模式三：无线化PLC与现场伺服/IO设备之间的通信链路，实现PLC程序的灵活调试与集中处理。

3.2 网络架构

• 四层架构：设备接入层、融合组网层、确定性服务层、工业算力层。
• 确定性服务层：提供确定性时延、高精度时间同步、确定性可靠与安全等能力。
• 工业算力层：通过5G UPF和边缘计算平台实现统一算网基座，支持实时算力构建与算网一体化。

3.3 技术体系

• 组网融合技术：支持工业协议适配、多层级环网简化、IT+OT一网融合。
• 性能保障技术：包括确定性时延保障、高精度时间同步、确定性可靠保障、确定性安全保障。
• 算网一体化服务技术：包括实时操作系统、虚拟化PLC、5G工业UPF一体化方案、工业边缘计算一体化方案。

5.1 阶段一：辅助生产

• 关键技术：网络切片、QoS增强、边缘计算、超级上行、二次鉴权、安全等。
• 应用场景：工厂、冶金、矿山、港航等行业，实现数据采集、质检、AGV控制等。
• 商用现状：已实现初步商用，支持TCP/IP协议的控制参数下发、协商、数据采集等。

5.2 阶段二：融入生产

• 两条技术路线：
  • 路线一：工业协议不做改变，5G直接承载传统工业协议（如EtherNet/IP）。
  • 路线二：工业协议融合TSN，5G基于TSN承载工业协议。
• 应用场景：运动控制、移动机器人、协同控制等。
• 商用现状：已实现基于5G的差动保护业务验证，支持高精度时间同步与业务隔离。

5.3 阶段三：改变生产

• 关键技术：内生式确定性服务、多方向时间同步、算网一体化。
• 应用场景：支持更复杂的工业控制逻辑，提供机器视觉、高精度定位、数字化运维等能力。
• 商用展望：推动边缘算力基座增强，实现低成本、高灵活性的组网方案。

6.1 运动控制

• 应用场景与需求：实现机械运动部件的高精度控制，对通信时延、抖动、同步精度要求高。
• 方案架构：支持EtherNet/IP协议，实现高精度时间同步与确定性通信。
• 应用效果：授时精度偏差在300纳秒以内，网络抖动在1微秒以内，满足运动控制需求。
• 商用展望：推动终端支持多种授时协议，提升5G网络的承载能力。

6.2 DTU配电自动化

• 应用场景与需求：实现差动保护，对时间同步精度、通信时延和可靠性要求高。
• 方案架构：支持IEEE802.1AS时间同步协议，实现差动保护业务流的传输保障。
• 应用效果：授时精度偏差在300纳秒以内，网络抖动在1毫秒以内，验证了5G在配电自动化中的能力。
• 商用展望：推动5G工业终端支持多种授时协议，提升网络兼容性。

6.3 智能仓储物流

• 应用场景与需求：实现多设备协同，对确定性通信和灵活组网需求高。
• 方案架构：支持工业协议适配和业务隔离，实现MES终端与下挂设备的即插即用。
• 应用效果：确定性时延保障，满足工业机器人操作需求。
• 商用展望：推动5G工业终端支持多制式时间同步，提升算力集成能力。

6.4 全连接工厂

• 应用场景与需求：实现大规模设备互联，对网络配置和组网灵活性要求高。
• 方案架构：支持工业协议适配和分组通信，实现MES终端免隧道配置。
• 应用效果：验证了5G在简化网络配置和降低运维成本方面的可行性。
• 商用展望：推动5G工业网关支持更多协议，实现网络精简服务。

6.5 基于虚拟化PLC的柔性产线

• 应用场景与需求：实现产线灵活调整，对PLC的兼容性、维护成本要求高。
• 方案架构：支持虚拟化PLC和双发选收机制，实现多控制系统的集中部署。
• 应用效果：降低设备维护和运营成本，提升PLC硬件利用率。
• 商用展望：推动边缘算力基座增强，实现低成本、高灵活性的组网方案。

演进策略

• 以用促研：通过实际应用推动技术融合与标准制定。
• 以终为始：围绕终端、网络、应用等环节，牵引产品演进。
• 由点及面：聚焦典型场景，打造标杆示范工程，推动产业生态繁荣。

未来展望

中国移动将持续与OT、IT、CT产业合作伙伴协作，推动5G确定性工业生产网的成熟，助力工业生产向数字化、网络化、智能化升级，实现“技术融合、产品演进、生态繁荣”的目标。