5G工厂 | 工联院总工王宝友：5G推动工业网络转型升级

编者按

为加速行业提质、降本、增效，2022年9月，工信部印发了《5G全连接工厂建设指南》，面向原材料、装备、消费品、电子等制造业各行业以及采矿、港口、电力等重点行业领域，推动万家企业开展5G全连接工厂建设，推动5G融合应用纵深发展。

值此《5G全连接工厂建设指南》发布一周年之际，作为ICT行业权威媒体，通信世界全媒体特别策划“5G工厂的量变与质变”专题，深度剖析一年来我国5G全连接工厂的发展情况，以及规模复制遇到的挑战，以推动5G产业高质量发展。

目前，我国工业处于数字化转型阶段，工业互联网是工业数字化转型的基础设施、技术载体、实现路径和应用模式。网络是工业互联网的基础，工业互联网的发展对网络基础设施提出了新的要求。工业网络通常是指工业现场的网络，作为将工厂生产现场的各种要素连接在一起并提供可靠、实时通信的设施，工业网络需要集确定性、可靠性、灵活性于一体。工业网络总体上历经模拟通信、工业总线（也称现场总线）、工业以太网三个大的发展阶段。目前，工业网络制式多样，工业总线、工业以太网、工业Wi-Fi、4G、5G（含工业5G）均有应用。随着通信技术特别是5G技术的快速发展，工业网络通过广泛应用5G技术实现转型升级成为业界关注的焦点，5G将给工业网络带来巨大的变革和机遇。

工业网络发展历程

工业网络是工厂中各类要素互联互通的基础设施，是工业自动化的“神经系统”，工业网络最重要的功能是实现传感器、控制器、执行器之间的通信，具有严格的性能指标要求。自20世纪80年代至今，伴随着制造业自动化、信息化、智能化需求的不断升级演进，工厂内网络连接技术取得长足进步，目前工业通信正处于从工业总线到工业以太网的演进过程中，未来还将向TSN（时间敏感网络）、5G与TSN融合等方向不断演进。

20世纪80年代，工业现场主要通过线缆实现现场设备间的通信。随着生产现场传感器、执行器等设备越来越复杂，现场总线技术开始发挥作用，出现了工业总线与现场设备通信控制器。工业总线是在模块之间或者设备之间传送信息、相互通信的一组公用信号线的集合，是系统在主控设备的控制下，将信息准确地传送给某个接收设备的信号载体或公共通路。总线本质上不是连接类型而是一组协议，工业总线有很多种协议，如ABB的ControlNet、施耐德的Modbus、西门子的Profibus、贝加莱的EtherCAT等。在国际层面，经过市场充分验证的20种工业总线协议已固化为IEC 61158系列标准。工业总线用于现场设备连接，简单可靠，在网络中允许环形、树形、星形和菊花链等各种拓扑结构，节省布线，信号可靠（没有电缆电阻和压降的影响）。但是传统工业总线成本高，不同的协议之间无法统一标准，相互兼容性差。

20世纪90年代，以太网开始大规模应用。传统以太网应用广泛、成本低廉，但难以满足工业环境的实时性要求。在这种情况下，工业以太网技术应运而生，其在标准以太网协议基础上进行改进，从高速率（100M~1Gbps)、分组交换和同步机制三方面进行增强，以确保实时性和可靠性。工业以太网技术自2000年开始被业界逐渐采用，目前市场占有率已远超工业总线，成为工厂内网通信的主要手段。工业以太网协议也有多套标准，如PROFINET、ModbusTCP/IP、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、CC-Link等，存在市场“割据”、互不兼容等问题。

TSN技术是2012年国际标准组织IEEE 802.1工作组开始研制的面向工业特殊应用场景的新一代以太网标准，通过使用标准以太网的组件，改进数据链路层协议，基于QoS等级确定传输优先权，可在通用架构上实现跨越车间级、工厂级、企业级等多层级的直接通信，实现真正OT与IT的融合。目前，现有的主流工业以太网标准（PROFINET、EtherCAT、SERCOS III等）均在研究与TSN技术的兼容、互通和演进问题。

当下，企业所用的工业网络中，工业现场总线、工业以太网等多种技术通常会同时部署使用。

5G技术以其高可靠、低时延的优越特性，为无线通信在工业控制网络中的深入应用带来技术可行性。5G与TSN协同可进一步扩大无线工业网络的应用规模，扩展TSN的应用场景，提供高可靠的移动性、灵活性、可重配置能力，有效降低运维成本，是智能工厂内网中极富潜力的技术组合。

5G技术特点及工业网络应用

5G具有高传输速率、低时延和大连接密度的技术特点。首先，5G技术能够实现更高的数据传输速率，这意味着工业网络可以实时传输大量的数据，从而提高数据的采集、处理和分析效率。其次，5G网络时延更低，可以快速响应工业设备的指令和控制信号，提高工业生产的实时性和灵活性。最后，5G技术支持更大的连接密度，可以同时连接多种设备，实现工业网络的高密度布局和更强大的设备协作能力。

5G网络技术基于3GPP标准版本规范，于2018年冻结的R15版本支持端到端低于30ms的时延和99.99%的可靠性，能够满足多种工业应用的数字化场景。2020年冻结的R16版本侧重于URLLC场景，对无线接入与核心网功能进行增强，面向工业互联网应用支持1微秒同步精度、0.5~1毫秒空口时延，网络可靠性提升至99.999%，并增强工业级时间敏感网络服务能力等。R17版本于2022年6月冻结，支持大连接、低功耗海量机器类通信，并推动轻量版5G NR（NewRadio，新无线/新空口）的发展，支持NR定位增强。R18版本命名为5G-Advanced，将面向垂直行业增强需求，技术发展方向包括智慧、融合与使能等方面的特征。

5G技术的高速率、低时延和高可靠性，使其可以作为工业通信载体，实现高效的远程设备控制和数据传输。5G技术为工业网络提供了更多的应用场景和技术手段，5G技术的高密度连接能力，可以实现大规模设备的互联互通，通过工业物联网和边缘计算技术的支持，5G工业网络可以实现智能感知、自动控制和数据共享，从而推动工业自动化水平的提升。

5G推动工业网络转型升级

5G对工业网络的转型升级具有重要意义。它提供了更高的数据传输速率、更低的时延和更大的连接密度，为工业网络安全、效率和自动化水平的提升拓展了巨大的空间。5G技术极大丰富了工业网络的功能和场景，推动工业网络转型升级。在5G的推动下，工业网络将更加灵活、高效、智能、安全。

同时，5G对工业网络的基础设施提出了更高的要求。企业需要建设更加稳定、高效和安全的网络基础设施，包括网络硬件设备、数据中心等，以支持5G技术的应用。5G用作工业承载网络时，需要进行系统集成和平台建设，以实现工业网络的整体优化和协同。企业需要选择合适的工业互联网平台，建立统一的管理和控制中心，实现设备管理、数据分析和业务监控的全面协同。另外，要实现5G在工业网络中的广泛应用，企业需要加大对基础设施建设、数据安全保障、人才培养和技术创新的投入，并积极进行系统集成和合作共享。

5G工厂典型组网架构及实现

5G工厂典型组网架构包括工业终端、5G终端、5G无线接入网、5G核心网、工厂内网等部分，个别工厂还有工厂外网。工业终端是指通过5G无线连接的工厂设备，包括各类工业传感器、PLC、控制I/O模块、HMI设备、工业摄像头等；5G终端支持3GPP定义的终端功能，用于将各种类型工业设备接入至5G网络，5G终端包括5G工业路由器、5G工业网关、5G CPE等；5G无线接入网负责与5G终端的无线连接、物理层信号处理、无线资源管理等，主要由5G基站（包括AAU/BBU、CU、DU）以及配套前传、中传与回传的传输设备组成；5G核心网负责5G核心控制以及用户数据路由，主要由控制面（CP）与用户数据面(UP)组成，控制面基于SBA架构，负责5G用户开通、鉴权、计费、移动性管理、会话管理、QoS策略管理、切片等，用户数据面主要指UPF网元，负责用户数据路由、流量上报、QoS策略执行等；工厂内网包括工厂内的OT环网及IT网络，在OT环网中部署SCADA、主PLC和工业应用，IT网络中部署企业ERP、SCM等管理系统及PLM等业务系统；工厂外网则可以通过Internet或者运营商提供的通信网络（包括5G网络）来实现。当然，为保障数据和网络安全，企业应采取各种安全措施。

从这个典型组网架构来看，5G技术可以广泛应用于工厂的各个层级，覆盖从工业终端到企业广域网的各个方面。其中的重要创新是将5G作为统一无线接入传输介质，通信技术（CT）不再是外在或外挂的载体，而是实现与OT和IT的深度融合。

当前，5G在工业上的应用还处在初级阶段，虽然初见成效，但规模不够大。我们相信，随着5G技术的快速发展、R16及后续标准商用的成熟，以及终端芯片、模组成本的快速下降，5G在工业网络、工业现场的深度应用和大规模应用并不遥远。通过云边一体、算网融合、智慧网络，5G技术和5G网络将为工业应用提供更快、更稳定的通信网络，以及更高效的计算和储存能力，为工业数字化转型和智能工厂的建设提供强有力的技术支持。

*本文刊载于《通信世界》

总第926期 2023年9月10日 第17期

作者：中国工业互联网研究院总工程师

王宝友

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