（CWW）編者按：為加速行業(yè)提質(zhì)、降本、增效，2022年9月，工信部印發(fā)了《5G全連接工廠建設(shè)指南》，面向原材料、裝備、消費(fèi)品、電子等制造業(yè)各行業(yè)以及采礦、港口、電力等重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域，推動萬家企業(yè)開展5G全連接工廠建設(shè)，推動5G融合應(yīng)用縱深發(fā)展。值此《5G全連接工廠建設(shè)指南》發(fā)布一周年之際，作為ICT行業(yè)權(quán)威媒體，通信世界全媒體特別策劃“5G工廠的量變與質(zhì)變”專題，深度剖析一年來我國5G全連接工廠的發(fā)展情況，以及規(guī)模復(fù)制遇到的挑戰(zhàn)，以推動5G產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

目前，我國工業(yè)處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)載體、實(shí)現(xiàn)路徑和應(yīng)用模式。網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提出了新的要求。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常是指工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)，作為將工廠生產(chǎn)現(xiàn)場的各種要素連接在一起并提供可靠、實(shí)時(shí)通信的設(shè)施，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要集確定性、可靠性、靈活性于一體。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)總體上歷經(jīng)模擬通信、工業(yè)總線（也稱現(xiàn)場總線）、工業(yè)以太網(wǎng)三個(gè)大的發(fā)展階段。目前，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)制式多樣，工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)Wi-Fi、4G、5G（含工業(yè)5G）均有應(yīng)用。隨著通信技術(shù)特別是5G技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通過廣泛應(yīng)用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，5G將給工業(yè)網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的變革和機(jī)遇。

(資料圖)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是工廠中各類要素互聯(lián)互通的基礎(chǔ)設(shè)施，是工業(yè)自動化的“神經(jīng)系統(tǒng)”，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)最重要的功能是實(shí)現(xiàn)傳感器、控制器、執(zhí)行器之間的通信，具有嚴(yán)格的性能指標(biāo)要求。自20世紀(jì)80年代至今，伴隨著制造業(yè)自動化、信息化、智能化需求的不斷升級演進(jìn)，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)取得長足進(jìn)步，目前工業(yè)通信正處于從工業(yè)總線到工業(yè)以太網(wǎng)的演進(jìn)過程中，未來還將向TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）、5G與TSN融合等方向不斷演進(jìn)。

20世紀(jì)80年代，工業(yè)現(xiàn)場主要通過線纜實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備間的通信。隨著生產(chǎn)現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備越來越復(fù)雜，現(xiàn)場總線技術(shù)開始發(fā)揮作用，出現(xiàn)了工業(yè)總線與現(xiàn)場設(shè)備通信控制器。工業(yè)總線是在模塊之間或者設(shè)備之間傳送信息、相互通信的一組公用信號線的集合，是系統(tǒng)在主控設(shè)備的控制下，將信息準(zhǔn)確地傳送給某個(gè)接收設(shè)備的信號載體或公共通路。總線本質(zhì)上不是連接類型而是一組協(xié)議，工業(yè)總線有很多種協(xié)議，如ABB的ControlNet、施耐德的Modbus、西門子的Profibus、貝加萊的EtherCAT等。在國際層面，經(jīng)過市場充分驗(yàn)證的20種工業(yè)總線協(xié)議已固化為IEC 61158系列標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)總線用于現(xiàn)場設(shè)備連接，簡單可靠，在網(wǎng)絡(luò)中允許環(huán)形、樹形、星形和菊花鏈等各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)省布線，信號可靠（沒有電纜電阻和壓降的影響）。但是傳統(tǒng)工業(yè)總線成本高，不同的協(xié)議之間無法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，相互兼容性差。

20世紀(jì)90年代，以太網(wǎng)開始大規(guī)模應(yīng)用。傳統(tǒng)以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛、成本低廉，但難以滿足工業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)性要求。在這種情況下，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，從高速率（100M~1Gbps)、分組交換和同步機(jī)制三方面進(jìn)行增強(qiáng)，以確保實(shí)時(shí)性和可靠性。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)自2000年開始被業(yè)界逐漸采用，目前市場占有率已遠(yuǎn)超工業(yè)總線，成為工廠內(nèi)網(wǎng)通信的主要手段。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議也有多套標(biāo)準(zhǔn)，如PROFINET、ModbusTCP/IP、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、CC-Link等，存在市場“割據(jù)”、互不兼容等問題。

TSN技術(shù)是2012年國際標(biāo)準(zhǔn)組織IEEE 802.1工作組開始研制的面向工業(yè)特殊應(yīng)用場景的新一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，通過使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的組件，改進(jìn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，基于QoS等級確定傳輸優(yōu)先權(quán)，可在通用架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)跨越車間級、工廠級、企業(yè)級等多層級的直接通信，實(shí)現(xiàn)真正OT與IT的融合。目前，現(xiàn)有的主流工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（PROFINET、EtherCAT、SERCOS III等）均在研究與TSN技術(shù)的兼容、互通和演進(jìn)問題。

當(dāng)下，企業(yè)所用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等多種技術(shù)通常會同時(shí)部署使用。

5G技術(shù)以其高可靠、低時(shí)延的優(yōu)越特性，為無線通信在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的深入應(yīng)用帶來技術(shù)可行性。5G與TSN協(xié)同可進(jìn)一步擴(kuò)大無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用規(guī)模，擴(kuò)展TSN的應(yīng)用場景，提供高可靠的移動性、靈活性、可重配置能力，有效降低運(yùn)維成本，是智能工廠內(nèi)網(wǎng)中極富潛力的技術(shù)組合。

5G技術(shù)特點(diǎn)及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

5G具有高傳輸速率、低時(shí)延和大連接密度的技術(shù)特點(diǎn)。首先，5G技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這意味著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)傳輸大量的數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)的采集、處理和分析效率。其次，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延更低，可以快速響應(yīng)工業(yè)設(shè)備的指令和控制信號，提高工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)性和靈活性。最后，5G技術(shù)支持更大的連接密度，可以同時(shí)連接多種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的高密度布局和更強(qiáng)大的設(shè)備協(xié)作能力。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)版本規(guī)范，于2018年凍結(jié)的R15版本支持端到端低于30ms的時(shí)延和99.99%的可靠性，能夠滿足多種工業(yè)應(yīng)用的數(shù)字化場景。2020年凍結(jié)的R16版本側(cè)重于URLLC場景，對無線接入與核心網(wǎng)功能進(jìn)行增強(qiáng)，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支持1微秒同步精度、0.5~1毫秒空口時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)可靠性提升至99.999%，并增強(qiáng)工業(yè)級時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力等。R17版本于2022年6月凍結(jié)，支持大連接、低功耗海量機(jī)器類通信，并推動輕量版5G NR（NewRadio，新無線/新空口）的發(fā)展，支持NR定位增強(qiáng)。R18版本命名為5G-Advanced，將面向垂直行業(yè)增強(qiáng)需求，技術(shù)發(fā)展方向包括智慧、融合與使能等方面的特征。

5G技術(shù)的高速率、低時(shí)延和高可靠性，使其可以作為工業(yè)通信載體，實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程設(shè)備控制和數(shù)據(jù)傳輸。5G技術(shù)為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供了更多的應(yīng)用場景和技術(shù)手段，5G技術(shù)的高密度連接能力，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模設(shè)備的互聯(lián)互通，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算技術(shù)的支持，5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)智能感知、自動控制和數(shù)據(jù)共享，從而推動工業(yè)自動化水平的提升。

5G推動工業(yè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型升級

5G對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。它提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的時(shí)延和更大的連接密度，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全、效率和自動化水平的提升拓展了巨大的空間。5G技術(shù)極大豐富了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的功能和場景，推動工業(yè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型升級。在5G的推動下，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將更加靈活、高效、智能、安全。

同時(shí)，5G對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求。企業(yè)需要建設(shè)更加穩(wěn)定、高效和安全的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，包括網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)中心等，以支持5G技術(shù)的應(yīng)用。5G用作工業(yè)承載網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要進(jìn)行系統(tǒng)集成和平臺建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化和協(xié)同。企業(yè)需要選擇合適的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，建立統(tǒng)一的管理和控制中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析和業(yè)務(wù)監(jiān)控的全面協(xié)同。另外，要實(shí)現(xiàn)5G在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，企業(yè)需要加大對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、數(shù)據(jù)安全保障、人才培養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新的投入，并積極進(jìn)行系統(tǒng)集成和合作共享。

5G工廠典型組網(wǎng)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

5G工廠典型組網(wǎng)架構(gòu)包括工業(yè)終端、5G終端、5G無線接入網(wǎng)、5G核心網(wǎng)、工廠內(nèi)網(wǎng)等部分，個(gè)別工廠還有工廠外網(wǎng)。工業(yè)終端是指通過5G無線連接的工廠設(shè)備，包括各類工業(yè)傳感器、PLC、控制I/O模塊、HMI設(shè)備、工業(yè)攝像頭等；5G終端支持3GPP定義的終端功能，用于將各種類型工業(yè)設(shè)備接入至5G網(wǎng)絡(luò)，5G終端包括5G工業(yè)路由器、5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、5G CPE等；5G無線接入網(wǎng)負(fù)責(zé)與5G終端的無線連接、物理層信號處理、無線資源管理等，主要由5G基站（包括AAU/BBU、CU、DU）以及配套前傳、中傳與回傳的傳輸設(shè)備組成；5G核心網(wǎng)負(fù)責(zé)5G核心控制以及用戶數(shù)據(jù)路由，主要由控制面（CP）與用戶數(shù)據(jù)面(UP)組成，控制面基于SBA架構(gòu)，負(fù)責(zé)5G用戶開通、鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)、移動性管理、會話管理、QoS策略管理、切片等，用戶數(shù)據(jù)面主要指UPF網(wǎng)元，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)路由、流量上報(bào)、QoS策略執(zhí)行等；工廠內(nèi)網(wǎng)包括工廠內(nèi)的OT環(huán)網(wǎng)及IT網(wǎng)絡(luò)，在OT環(huán)網(wǎng)中部署SCADA、主PLC和工業(yè)應(yīng)用，IT網(wǎng)絡(luò)中部署企業(yè)ERP、SCM等管理系統(tǒng)及PLM等業(yè)務(wù)系統(tǒng)；工廠外網(wǎng)則可以通過Internet或者運(yùn)營商提供的通信網(wǎng)絡(luò)（包括5G網(wǎng)絡(luò)）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，為保障數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全，企業(yè)應(yīng)采取各種安全措施。

從這個(gè)典型組網(wǎng)架構(gòu)來看，5G技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于工廠的各個(gè)層級，覆蓋從工業(yè)終端到企業(yè)廣域網(wǎng)的各個(gè)方面。其中的重要創(chuàng)新是將5G作為統(tǒng)一無線接入傳輸介質(zhì)，通信技術(shù)（CT）不再是外在或外掛的載體，而是實(shí)現(xiàn)與OT和IT的深度融合。

當(dāng)前，5G在工業(yè)上的應(yīng)用還處在初級階段，雖然初見成效，但規(guī)模不夠大。我們相信，隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展、R16及后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)商用的成熟，以及終端芯片、模組成本的快速下降，5G在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)現(xiàn)場的深度應(yīng)用和大規(guī)模應(yīng)用并不遙遠(yuǎn)。通過云邊一體、算網(wǎng)融合、智慧網(wǎng)絡(luò)，5G技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)將為工業(yè)應(yīng)用提供更快、更穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，以及更高效的計(jì)算和儲存能力，為工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能工廠的建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。