馬帥：基于5G+新型短距的全無(wú)線確定性工業(yè)控制技術(shù)

基于5G+新型短距的全無(wú)線確定性工業(yè)控制技術(shù)中國(guó)移動(dòng)研究院馬帥工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化、控制開(kāi)放化需求強(qiáng)烈傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)廣泛采用有線技術(shù)，面臨層級(jí)復(fù)雜、部署難度大，柔性化不足等挑戰(zhàn)，亟需工業(yè)無(wú)線化網(wǎng)絡(luò)。以傳統(tǒng)PLC為代表的工業(yè)控制面臨架構(gòu)封閉、缺乏算力等挑戰(zhàn)，阻礙系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)流通，控制開(kāi)放化需求強(qiáng)烈。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化需求連接類(lèi)業(yè)務(wù)工業(yè)控制開(kāi)放化需求降低控制成本采集類(lèi)業(yè)務(wù)控制類(lèi)業(yè)務(wù)柔性化生產(chǎn)扁平化組網(wǎng)產(chǎn)線過(guò)程控制運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備遠(yuǎn)程控制控制-控制個(gè)性化多樣化快速化傳感器數(shù)據(jù)采集視頻檢測(cè)與采集傳感器數(shù)據(jù)采集視頻檢測(cè)與采集控制與硬件解耦控制與連接解耦I(lǐng)T/OT系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)高效流轉(zhuǎn)典型工業(yè)應(yīng)用對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求工業(yè)對(duì)開(kāi)放自動(dòng)化的需求靈活性&可擴(kuò)展性簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)層級(jí)安全定位追蹤快速故障檢測(cè)與維護(hù)傳統(tǒng)PLC控制硬件白盒化控制軟件虛擬化現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線性能有待提升，阻礙其深入工業(yè)控制的核心環(huán)節(jié)現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)在通信時(shí)延、抗干擾、穩(wěn)定性等方面有待提升，難以滿足工業(yè)對(duì)通信確定性、可靠性等極致的性能要求。因此，現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線主要服務(wù)數(shù)據(jù)采集、視頻回傳、巡檢等業(yè)務(wù)，難以深入工業(yè)控制的核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)。工業(yè)無(wú)線應(yīng)用受限，市場(chǎng)份額難以擴(kuò)張無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能有待提升低低高短精時(shí)延抖動(dòng)可靠周期同步來(lái)源：HMSNetworks《工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)分析報(bào)告》，2023?

有線連接為主：有線網(wǎng)絡(luò)占比高，無(wú)線僅占8%?

產(chǎn)線改造難度大：網(wǎng)絡(luò)部署升級(jí)難度高，柔性化不足?

無(wú)損能力需提升：現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)低時(shí)延等性能有待提升基于虛擬化PLC構(gòu)建控制開(kāi)放化，面臨技術(shù)與協(xié)同挑戰(zhàn)虛擬化PLC旨在通過(guò)操作系統(tǒng)和虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的軟硬解耦，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的開(kāi)放。如何實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)OT控制與高算力IT應(yīng)用并行，存在多種技術(shù)路徑，缺少統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)。同時(shí)，虛擬化PLC作為軟件服務(wù)部署在各類(lèi)設(shè)備上，缺乏協(xié)同，需要在集中化和性能間取得平衡。虛擬化PLC缺少統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)虛擬化PLC缺少協(xié)同，難以覆蓋所有場(chǎng)景?

虛擬化PLC存在多種技術(shù)路徑，尚未形成針對(duì)工業(yè)控制的成熟解決方案?

工控場(chǎng)景多樣，性能要求差異大工控場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)控制離散控制過(guò)程控制生化控制??AMP架構(gòu)PLC任務(wù)PLCRuntimeRTOS工控周期<1ms2-10ms10-50ms50-100msLinuxAppLinux?

vPLC可以部署在各類(lèi)設(shè)備上，設(shè)備間缺少協(xié)同，難以覆蓋所有場(chǎng)景CPU0ETH1CPU1ETH0CPU2WiFi通用硬件集中度高PLC任務(wù)Docker架構(gòu)PLCRuntimeLinuxAppDocker5G工業(yè)BBU5G工業(yè)UPFMEC邊緣服務(wù)器Linux-RT通用硬件?Hypervisor架構(gòu)PLC任務(wù)PLCRuntimeRTOSLinuxAppLinux邊緣控制器IPC網(wǎng)關(guān)Hypervisor工控周期短通用硬件中國(guó)移動(dòng)研發(fā)5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)能力，推動(dòng)OICT深度融合針對(duì)工業(yè)無(wú)線和工控發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，研發(fā)5G新型短距融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)南向無(wú)線化，研發(fā)5G確定性傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)北向確定性通信，研發(fā)5G虛擬化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)vPLC協(xié)同編排，助力工業(yè)無(wú)線服務(wù)生產(chǎn)制造核心環(huán)節(jié)，推動(dòng)OICT技術(shù)深度融合。5G虛擬化工業(yè)控制（vPLC）技術(shù)系統(tǒng)工控成本降低為虛擬化PLC提供統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)和協(xié)同編排服務(wù)50%應(yīng)用層?

符合IEC-61131-3?

vPLC端邊協(xié)同?

Container/VM統(tǒng)一架構(gòu)?

動(dòng)態(tài)編排擴(kuò)展5G確定性通信技術(shù)鏈路丟包率降低內(nèi)生雙發(fā)選優(yōu)、時(shí)延控制，增強(qiáng)工業(yè)無(wú)線確定性傳輸性能回傳層40%?

雙發(fā)選收?

流量整型?

授時(shí)精度<500ns?

時(shí)延抖動(dòng)<1ms5G新型短距融合通信技術(shù)無(wú)線融合星閃短距，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)南向無(wú)線化，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)難度單向時(shí)延接入層＜100μs?

更高確定性傳輸?

一體化融合網(wǎng)絡(luò)?

數(shù)據(jù)分發(fā)策略增強(qiáng)?

替代工業(yè)有線5G確定性通信能力，提供北向可靠性傳輸保障5G網(wǎng)絡(luò)逐漸向生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)拓展，在電力、礦山、工廠、港口等領(lǐng)域，涌現(xiàn)出了大量控制業(yè)務(wù)無(wú)線化的需求，但行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、干擾大，對(duì)保障企業(yè)核心生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成挑戰(zhàn)，需要5G確定性通信能力，提供更加可靠穩(wěn)定的傳輸連接。5G確定性通信能力架構(gòu)技術(shù)特色能力p

確定性保障能力確定性保障能力多路徑冗余傳輸毫秒級(jí)時(shí)延控制高精度時(shí)鐘同步p

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合能力異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合能力網(wǎng)絡(luò)原生二層互通微秒級(jí)隧道封裝跨域QoS標(biāo)識(shí)映射5G確定性通信能力的創(chuàng)新應(yīng)用面向汽車(chē)智能制造、大型設(shè)備遠(yuǎn)程控制等場(chǎng)景對(duì)確定性無(wú)線傳輸?shù)男枨螅?G行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)確定性通信技術(shù)方案，創(chuàng)新研發(fā)“e靈石”5G確定性網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備集中控制、工程設(shè)備遠(yuǎn)程控制場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)與控制可靠傳輸，助力5G深入行業(yè)核心生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)。在汽車(chē)制造行業(yè)，多設(shè)備集中控制的實(shí)踐?

場(chǎng)景：汽車(chē)制造產(chǎn)線PLC-IO無(wú)線化控制在鋼鐵行業(yè)，無(wú)人天車(chē)遠(yuǎn)程控制的實(shí)踐?

場(chǎng)景：鋼廠無(wú)人天車(chē)遠(yuǎn)程控制?

方案部署：基于網(wǎng)關(guān)完成產(chǎn)線設(shè)備的無(wú)線化連接改造，通過(guò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、雙發(fā)選收保障、確定性時(shí)延控制等能力實(shí)現(xiàn)多設(shè)備確定性無(wú)線互聯(lián)互通?

方案部署：基于網(wǎng)關(guān)完成工程設(shè)備無(wú)線連接改造，通過(guò)雙發(fā)選收、時(shí)延控制等硬件能力，實(shí)現(xiàn)端到端確定性傳輸保障?

部署效果：現(xiàn)場(chǎng)丟包率降低40%以上，抖動(dòng)降低至1ms以?xún)?nèi)，保障鋼廠內(nèi)天車(chē)遠(yuǎn)控業(yè)務(wù)連續(xù)運(yùn)行無(wú)故障，生產(chǎn)效率大幅提升?

部署效果：在工業(yè)看門(mén)狗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下實(shí)現(xiàn)PLC-IO無(wú)線通信7x24小時(shí)不斷鏈，測(cè)試結(jié)果可滿足汽車(chē)制造控制業(yè)務(wù)需求PLC確定性控制器確定性網(wǎng)關(guān)IO模塊基于5G確定性網(wǎng)關(guān)的PLC-IO高可靠無(wú)線通信驗(yàn)證鋼廠無(wú)人天車(chē)遠(yuǎn)控現(xiàn)場(chǎng)5G確定性網(wǎng)關(guān)部署天車(chē)確定性控制器部署機(jī)房5G虛擬化工業(yè)控制，提供開(kāi)放協(xié)同的統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)依托5G網(wǎng)元的資源和通信優(yōu)勢(shì)，基于端邊云架構(gòu)打造5G虛擬化工業(yè)控制技術(shù)架構(gòu)，支持在vPLC在工業(yè)網(wǎng)關(guān)、BBU、UPF泛在部署，通過(guò)統(tǒng)一運(yùn)行環(huán)境和端邊云統(tǒng)一編排，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)控制場(chǎng)景全覆蓋。PLC應(yīng)用開(kāi)發(fā)門(mén)戶(hù)開(kāi)發(fā)層應(yīng)用開(kāi)發(fā)編譯下載性能監(jiān)控vPLC云開(kāi)發(fā)層編排管理vPLC編排管理平臺(tái)服務(wù)層PLC應(yīng)用部署運(yùn)維統(tǒng)一開(kāi)發(fā)門(mén)戶(hù)用戶(hù)vPLC編排vPLC管理設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)時(shí)性測(cè)量冗余熱備vPLC運(yùn)行環(huán)境5GC服務(wù)層5C5G核心網(wǎng)5G基站工控安全服務(wù)編排調(diào)度管理vPLC部署管理統(tǒng)一編排平臺(tái)通信能力TAN/TSN5GLANvPLC5G網(wǎng)元ContainerizedPLCRuntime運(yùn)行層PLC運(yùn)行層RTOSLinux5G工控網(wǎng)關(guān)VM/Container統(tǒng)一運(yùn)行環(huán)境Hypervisor通用硬件現(xiàn)場(chǎng)I/O5G虛擬化工業(yè)控制的創(chuàng)新應(yīng)用基于5G虛擬化工業(yè)控制技術(shù)架構(gòu)，打造軟硬解耦的5G工控網(wǎng)關(guān)，提供“5G連接+現(xiàn)場(chǎng)算力+PLC工控”的OICT融合能力，實(shí)現(xiàn)“傳統(tǒng)PLC+數(shù)采網(wǎng)關(guān)”二合一，降低工控成本，構(gòu)建扁平化的工控架構(gòu)。5G工控網(wǎng)關(guān)是“傳統(tǒng)PLC+數(shù)采網(wǎng)關(guān)”的二合一設(shè)備5G工控網(wǎng)關(guān)簡(jiǎn)化工控層級(jí)，降低工控成本與國(guó)內(nèi)某新能源企業(yè)合作，在電池組裝PAC產(chǎn)線完成對(duì)國(guó)外傳統(tǒng)PLC替代SCADA/MES5G5G虛擬化工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)ModbusModbusHMIProfinetEtherCAT擰緊槍-1擰緊槍-2機(jī)械臂-1攝像頭簡(jiǎn)化控制層級(jí)降低工控成本PLC+數(shù)采網(wǎng)關(guān)二合一替換設(shè)備與運(yùn)維成本下降50%左右機(jī)械臂-2測(cè)距儀全國(guó)產(chǎn)自主可控柔性編排擴(kuò)展國(guó)產(chǎn)硬件+國(guó)產(chǎn)軟件支持虛擬化PLC編排互聯(lián)5G+新型短距融合通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)南向無(wú)線化結(jié)合5G和新型短距通信的技術(shù)特點(diǎn)，基于異構(gòu)融合組網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，從安全、質(zhì)量、功耗、控制等方面開(kāi)展系統(tǒng)創(chuàng)新，通過(guò)5G與新型短距的融合通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的南向無(wú)線化，助推5G和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新。廣域與局域、微域異構(gòu)融合組網(wǎng)的一體化架構(gòu)面向安全、質(zhì)量、功耗、控制的技術(shù)創(chuàng)新安全：異構(gòu)融合組網(wǎng)及統(tǒng)一接入鑒權(quán)認(rèn)證質(zhì)量：全局鏈路質(zhì)量管理及最優(yōu)策略協(xié)同配置測(cè)量5GC結(jié)果反饋5G蜂窩n

5G網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)工廠環(huán)境下秒級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和宏觀調(diào)度、區(qū)域集成級(jí)數(shù)據(jù)采集，以及毫秒級(jí)動(dòng)作時(shí)序處理的廣域網(wǎng)絡(luò)連接n

新型短距：延伸5G服務(wù)，深入工業(yè)生產(chǎn)核心環(huán)節(jié)最后10-100米，實(shí)現(xiàn)終端之間的低時(shí)延、可靠的無(wú)線連接星閃功耗：業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)的低功耗傳輸控制：微秒級(jí)狀態(tài)保障/跨域網(wǎng)絡(luò)異常上報(bào)5G+新型短距融合通信技術(shù)的創(chuàng)新成果面向超低時(shí)延、超高可靠的工業(yè)傳輸需求，基于5G+新型短距融合通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)南向無(wú)線化和可靠性傳輸，打造基于5G+新型短距的工控系統(tǒng)，可服務(wù)于運(yùn)動(dòng)控制、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)線無(wú)線化控制等應(yīng)用場(chǎng)景?；?G+新型短距的電機(jī)同步控制原型系統(tǒng)基于5G+新型短距的工控系統(tǒng)?聯(lián)合產(chǎn)業(yè)發(fā)布基于5G+新型短距?發(fā)布業(yè)界首臺(tái)基于5G+新型短距的電機(jī)同步控制原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)5G+新型短距融合通信向工廠生產(chǎn)核心環(huán)節(jié)延伸。的工控系統(tǒng)，為5G智慧工廠提供全新技術(shù)方案。基于5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)能力，打造全無(wú)線確定性工控系統(tǒng)在5G基礎(chǔ)上融合新型短距、確定性傳輸、虛擬化PLC三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)能力，打造全無(wú)線確定性工業(yè)控制系統(tǒng)，破解南向剪辮子、PLC軟硬一體、確定性難以保障等難題，構(gòu)建自主可控的新型工業(yè)控制架構(gòu)，協(xié)同推動(dòng)傳統(tǒng)工控架構(gòu)向扁平、無(wú)線、確定、開(kāi)放方向演進(jìn)。旨在提供高可靠、高性能的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)傳統(tǒng)工控架構(gòu)向端邊云開(kāi)放協(xié)同方向演進(jìn)核心網(wǎng)UPF云工廠外網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)云側(cè)融合應(yīng)用工控主機(jī)ERPPLMMESWMS用戶(hù)UPF網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)工業(yè)邊緣APPAI遠(yuǎn)程監(jiān)控集控vPLC2.6G4.9G數(shù)據(jù)分析5G連接區(qū)域邊緣邊5G工控網(wǎng)關(guān)（虛擬化PLC+確定性傳輸）5G車(chē)間內(nèi)網(wǎng)新型短距連接現(xiàn)場(chǎng)TANvPLC新型短距現(xiàn)場(chǎng)邊緣IO設(shè)備I/O設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線1現(xiàn)場(chǎng)總線2端......傳感器傳感器伺服電機(jī)控制旋鈕全無(wú)線確定性工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用展望基于全無(wú)線確定性工控技術(shù)架構(gòu)，聯(lián)合某鋼鐵廠圍繞天車(chē)無(wú)人行車(chē)開(kāi)展試點(diǎn)驗(yàn)證，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)有線連接和傳統(tǒng)PLC的替換，相比傳統(tǒng)方案，具有靈活組網(wǎng)、扁平部署、可靠性高等特點(diǎn)，可以顯著降低設(shè)備和運(yùn)維成本。邊緣集中化主控中控室5GCBBU工業(yè)UPFMES（主vPLC）服務(wù)器5G確定性工控網(wǎng)關(guān)5G確定性工控網(wǎng)關(guān)（從vPLC）（從vPLC）HMI（車(chē)間）車(chē)間輔助設(shè)備遠(yuǎn)程I/O天車(chē)1天車(chē)2x-電機(jī)y-電機(jī)z-電機(jī)x-電機(jī)y-電機(jī)z-電