5G工业应用联合创新实验室-互联网行业：5G在工业控制领域深度应用实践白皮书

领域深度应用实践白皮书画ON本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归5G工业应用联合创新实验室需联系5G工业应用联合创新实验室并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，5G工业应用联合创新实联系电话：010-63490335015G在工业控制领域的应用观状025G在工业控制领域的应用挑战5G在工业控制领域的应用实践103.3工业5G集成验收5G在工业控制领域的应用案例总结及展望联合创新实验室简介7.35G工业专网实验室32 领域深度应用实践白皮书试床验证5G工业应用场景方案，精选典型行业应用场景示编写说明5G在工业控制领域的应用处于由点到面推广阶段，本白皮书对5G在工业控制领域的应用仍为阶段性认识，后续将根据5G工业应用的发展情况和各界的反馈意见，在持续深入研究基础上适编写单位(排名不分先后):成都鼎桥通信技术有限公司上海电器科学研究所(集团)有限公司中冶赛迪信息技术(重庆)有限公司编写组成员(排名不分先后):中冶赛迪信息技术(重庆)有限公司：彭燕华领域深度应用实践白皮书发展环境不断优化，政策资金持续投入基础设施全面建设，部分环节超前布局应用效能走实向深，生态溢出效应明显技术创新强力攻关，标准专利加快研制应用现状图1全国“5G+工业互联网”发展趋势快速快速专项政策支持力度大基础设施建设进程快应用模式推广速度快创新发展驱动能力强整体发展环境较为优化基础设施建设稳步推进重点行业释放应用效能需求不断牵引技术创新起步政策与自有资源助力环境优化基础设施建设稳中求进以用带建重点地区率先探索项目呈散点布局新技术在区域头部企业中先行探索应用●国外应用现状及趋势●国内应用现状及趋势TC124、CCSA等国内标准化组织也在积极发布一系列工业5G应用的技术标准，指导5G在我国5G工业应用进入规模化发展的关键期，逐生产制造环节推广。截至目前，中国移动5G智慧工厂商业案例数达5000多个，其中国产家电Top10企业覆盖7家；19家A+钢铁企业合作16家；智慧矿山拓展项目超540个，千万吨级煤矿占比近50%。5G在工业控制领域的应用是一个技术体系和产品生态全方位融合的过程，随着5G深入到工●5G技术能力需持续演进工业控制对通信网络的确定性、实时性要求较高。5G通过URLLC、切片、关键数据QoS保障等方案提高了网络的确定性和实时性，但面向网络性能要求特别严苛的场景，还需要进一步提升·5G与工业融合程度需不断加深5G在智能工厂中应用时，需要一网多用承载管理办公、经营等信息业务和生产控制类等生产业务；面向工业运维需求，需要5G网络具备SLA性能可视化能力；同时ICT和OT领域技术也需要深度融合，可采用大数据、人工智能等技术实现5G在工业的高效应用，还可通过网业深度协同实现5G与工业双向适配，例如：通过工业应用和工业5G网络交互的方式协商业务需求，更好的·5G与工业融合生态需联合构建目前5G与工业融合的产业生态还不完善。在产品方面，工业5G终端设备不断涌现，但易用性需进一步加强，价格也需要继续降低；在人才方面，两个领域之间在技术演进及应用等方面存在着巨大的差异，对人才综合技能提出了更高的要求，需要加强复合型人才培养；在产业方面，5G在工业的应用需要依靠工业用户、集成商、运营商、设备商、科研院所等产学研用伙伴共同努力，借助联合实验室等平台进一步拓展合作，制定行业应用标准，联合构建产业融合生态。大容量规模部暑，工业5G模组生态数据采集等IT非实时业务降时延，极致性能探索运动控制新应用确定性时延①为了实现5G和工业的融合，5G和工业网络的集成应用非常关键。5G在工业控制领域的集成应用可以分为应用设计、应用实施、验收和运维等几个阶段。通过梳理分析5G工业应用在各个阶段的建设应用经验，总结形成5G在工业控制领域应用的知识，并形成工业5G标准体系，为5G管Ⅲ工业应用企业T图车间生产网”服务器工业集成应用设计分为场景设计和需求提取两个步骤。首先需要梳理设计可采用5G网络的应用场景以及生产要求等，得到5G网络所需提供连接的位置及服务要求。需求提取则需要将用户的服务要求映射为对5G网络的要求，作为5G网络设计和建设的输入。详细的需求提取过程可以参考《基于蜂窝网络的工业无线通信规范第5部分应用要求》(国家标准计划号：20213051-T-604)。在项目实施过程中，场景设计和需求提取阶段通常会将有线连接方式时设置的工程参数直接应用于工业5G网络，导致业网不匹配，工业5G网络不能使用或者认为不能满足业务性能要求。因此在5G工业集成应用设计阶段需要工业用户、运营商、集成商等协同参与，共同完成工业5G的场景设计和需求提取，并获取对工业5G网络通信的准确要求。在该阶段，各方还可根据工业5G网络能力给出业务配置的调整建议，在保障业务需求的基础上提升工业5G网络的业务连接能力，将工业5G网络应用于更多工业场景中，为工业生产提供更多的价值。5G在工业控制领域的集成应用是一个系统工程，在实施过程中需要通过工业现场网络与工业 领域深度应用实践白皮书工业5G终端通常是指具备5G通信功能的工业终端，包含集成5G模组的集成式工业5G终端和通过外挂工业5G网关、CPE等实现5G通信功能的外挂式工业5G终端。在工厂进行5G的3专用硬件专用硬件复用公网的建网方案，包括可复用公网的基站、频率等无线资源，建网速度快且成本低。可采用定制化建网方案，包括网络架构定制、基站站型定制、网络规划指标定制等方面：※首先是网络架构定制，由于部分工业用户有数据不出厂的需求，需要核心网的部分功能下※其次是基站站型定制，工业部署场景多种多样，需根据部署场景选择合适的基站站型，如部署在矿井内，对设备有防爆要求，需要特定的矿山基站；再如部署在工厂内，要求高确定性，则※最后是网络规划指标定制，由于工业场景对小区容量、边缘速率等要求不同，因此需根据不同需求，定制规划和建设5G网络，包括频段、站间距、小区合并数、基站通道数等。5G阶段性能力可以满足大多数场景需要，但在确定性等方面还面临一些挑战，需持续提升5GSLA保障能力，现阶段已有内生确定性提升方案包括：※一是提升空口能力，采用专用组网，专用配置，专用算法等组合方式，解决突发干扰问题，提升传输时延的确定性，同时提升空口的容量。※二是依托5G工业基站与工业系统的网业协同方案，保障时延抖动范围有界，同时使网络资连接优化网业协同可靠组网 领域深度应用实践白皮书工业5G集成验收方式是面向工业5G网络验收的原生工具，还需工业有线终端工业有线终端工业有线终端①②①③句③B为了解决工业5G网络的验收问题，中国机械工业标准化技术协会发布了T/CMAS90-2022《基于蜂窝网络的工业无线通信规范验收规范》,规范了统一的验收流程、验收指标以及验收方法。联合实验室也已经研制了适用各种场景的5G工业应用模拟器，可以模拟工业应用场景中工业5G终端设备与测试相关的通信、应用等信息，为工业5G网络的验收提供服务。5G在工业领域规模应用过程中，工业用户对运行在5G网络上的终端运行质量和终端通信质量缺少监控管理工具。传统工业平台无法监控工业终端是否在线，对网络运行质量无感知，无法定量分析工业5G网络状况。单纯的5G网络运维平台无法监控业务侧的质量，对于业务执行情况无工业5G集成运维可通过从网管等设备采集网络数据、从工业终端设备采集运行数据，并对数据进行聚合统计，建立异常告警机制，从而推断工业5G网络和终端的运行情况。※部分工业用户使用专业监控工具，可进行详细的指标测试与分析，判断工业网络是否满足业务要求，基本符合工业用户需求运维需求。当前市场上的专业监控工具多数针对有线连接网络，缺少对工业场景下5G无线网络的管理监测和运行数据，暂未大规模应用。※通过使用具备数据采集、数据分析的工业5G终端设备，来监控工业5G网络的运行，显示详细的网络性能指标。例如：市面上有很多带监控功能的工业5G终端，可以通过监控蜂窝模组CPU占用率、在线状态、上行速率、下行速率等，进而表征业务监控指标。该方式需要工业用户掌握一定的5G专业知识，同时需要将数据与工业5G监控平台打通，实现工业5G网络和终端运行 领域深度应用实践白皮书3.53.5工业5G标准体系针对实践中发现的5G在工业领域应用时存在的问题，仪综所联合工业用户、运营商、设备商等在TC124构建了ICT和OT两个领域都认可的5G工业应用的标准体系，用以指导5G在工厂的工业5工业5G标准体系※通用技术要求(标准号：GB/T42126.1-2022)统一ICT和OT对5G在工业应用的语言和认识，为后续5G的应用打下基础。该标准计划制※应用要求(计划号：20213051-T-604)梳理工业应用5G的流程，规范从需求提出到工业5G网络验收阶段各方的职责，指导工业5G规定了统一的测试验收方法，有利于定职定责，缩短项目交付工期。※测试规范(团标征询意见阶段)规定了工业5G终端的协议一致性和互操作测试。※安全要求(草案阶段)规定了工业5G网络在工业领域应用时应遵循的安全规范。※通信行规(草案阶段)规范了工业5G和工业应用的深度集成，以支持双OPCUA和5G的集成部署，正在起草《工业5G终端通用技术要求及测试规范》,保障工业5G用场景设计完成后，再进行工业5G网络的建设和交付，因此工业现场对5G提出的确定性、实时性、易用性等要求和工业5G网络的匹配程度缺乏系统级别的测试和验证。为了解决上述问题，5G工业应用联合创新实验室建设了5G工业应用测试床(以下简称案整合等方式，从系统的级别评估工业5G网络是否5G5G工业应用测试床图105G+实时控制场景 领域深度应用实践白皮书※控制周期毫秒级的闭环控制过程；必多业务并行通信，运行实时控制业务的工业设备与多个工业设备和平台进行通信，工业设备上同时存在数据优先级、实时性等不同诉求的多项业务。未来测试床将不断增加工业典型应用场景并完善测试验证功能，提供整合网络、计算、应用等综合要素的高性价比解决方案，指导不同行业和场景更高效的应用5G,缩短项目交付工期。为满足各行业多样化通信能力要求，5G网络针对不同行业应用场景提供差异性的网络方案。测试床的工业5G网络是基于3GPPR15的商用网络，后续会根据标准的演进进行升级。工业产线的5G+智能运维、5G+实时控制、5G+视觉检测、5G+AGV等典型场景的配置参数可根据需求进行修改或者模拟。在进行每个场景的测试时，其他场景可配置为产线正支持系统级别的验证。以5G+实时控制为例，该场景的测试配置如下：表1是5G工业应用联合创新实验室测试床中装配PLC和数控铣床结果。测试过程中分别配置了不同应用数据包大小以及多个传输周期并分别进行时延、抖动等测试。测试地点时延@99%时延@99.9%5G工业应用联合创新实验室5G网关注：表1数据为未使用网业协同等确定性增强技术的测试结果。为了验证工业应用场景和不同工业5G网络方案下的匹配度，5G工业专网实验室部署了以3GPPR16版本为基础的5G实验网，可采用精准预调度、流量编排及精准门控和数据包重保调度等网业协同技术，实现端到端的确定性服务质量保障。表2是增强技术下5G工业专网实验室单业务实时控制场景的一组测试结果。测试将PLC到伺服驱动器之间有线(Profinet)更换为无线连接后，在网络环境优质情况下开启精准预调度和门控功能后业务稳定在8ms左右。表25G工业专网实验室测试结果测试地点专网实验室5G网关测试床为5G技术在工业控制领域的应用和研究提供了一个综合的平台，该平台具有以下特征：※系统级场景构造测试床是基于实际智能产线为载体，综合数据优先级、可靠性、实时性、带宽等不同要求的多业务系统级测试，比单独的端到端业务测试更复杂。※真实业务数据测试测试床基于实际工业通信协议数据进行测试，并且工业应用的配置可根据需求调整，确保数据包大小、传输周期等参数与实际业务一致，与采用Ping包等方式相比测试床中工业5G网络的配置可调整，可根据业务需求确定是否开启增强配置，并基于不同的※被测设备5G化方式多样实验室可提供工业设备的多种5G接入方式，主要包括集成工业5G模组、外挂5G网关或者 目前测试床已成功完成工业控制领域复杂应用场景产线级工业5G网络性能综合测试，测试结果表明工业5G网络的性能和网络配置相关，在建设5G工厂时可根据业务需求选择对应的工业5G解决方案，达到降本增效的目标。同时，工业5G专网性能指标达到端到控制平台8ms±1ms@99.99%,可满足多数工业控制类应用场景的要求。详细数据可与实验室联系获取。测试床目前已具备完整的对外测试验证服务能力，可对新产品、新技术、新方案等进行测试和验证，在实验室测试的基础上，可在现场环境进行应用验证，如存在问题可进行优化改进，形成实验室测试-现场应用验证-实验室优化的闭环，对于保障和推动5G工业应用稳定可靠运行具有重要意义。下面以榆林化学典型5G应用场景验证为例。化工行业生产复杂、对资源依赖性强，在生产、安全、环保化工行业进行数字化、智能化改造在满足相关的技术指标要求外，还需要保证安全生产不中断、人员安全有保障、安全管理有措施。榆林化学针对目前现状及问题难点，采用5G新一代技术，通过厂区新增了设施装置及建筑物，造成在某些区域工业5G网络应用效果不好，针对以上问题，委托仪综所进行了厂区的5G工业应用场景的测试。仪综所测试人员依据T/CAMS91-2022《基于蜂窝网络的无线通信规范应用规范》标准对榆林化学的5G智能巡检等场景的应用和指标需求进行了提取，并在测试床上根据提取的配置进行验证测试，测试结果表明榆林厂区的工业5G部署方案可行。依据T/CAMS90-2022《基于蜂窝网络的无线通信规范验收规范》标准对5G网络质量进行了现场评测，并对厂区5G工业应用中的问题进行分析与定位，提供了改进建议，保障厂区的工业5G网络可以满足场景需求，5G工业应用稳图12现场5G网络质量评测 领域深度应用实践白皮书5.15.1榆林化学5G智能工厂“安全、高效、智能”生产陕煤集团榆林化学有限责任公司构建了5G化工生产智慧园区与智能工厂平台，形成基于5G行业痛点典型场景应用成效※各关键工艺参数的标准偏差降低30%以上；※能源利用率提高1%,生产效率提升2%,运行成本降低2%;※人力投入成本降低20%。美的集团正以全面数字化、智能化驱动数智化转型升级，在5G工业互联网应用采用行业痛点典型场景荆州美的5G工厂现已投产运营，一期已上线15类应用，接入2500+终端。应用场景包括制应用成效 领域深度应用实践白皮书行业痛点典型场景应用成效※5G+大规模数采每日24万/条生产数据实时上传，环境点位增10倍；※5G+RFID系统盘活呆滞物资2000万元；※5G+Al视觉过检检测过检挽回率提升5%,挽回损失1200万元；54京东物流智