马帅：基于5G+新型短距的全无线确定性工业控制技术

基于5G+新型短距的全无线确定性工业控制技术中国移动研究院马帅工业网络无线化、控制开放化需求强烈传统工业网络广泛采用有线技术，面临层级复杂、部署难度大，柔性化不足等挑战，亟需工业无线化网络。以传统PLC为代表的工业控制面临架构封闭、缺乏算力等挑战，阻碍系统集成和数据流通，控制开放化需求强烈。工业网络无线化需求连接类业务工业控制开放化需求降低控制成本采集类业务控制类业务柔性化生产扁平化组网产线过程控制运动控制设备远程控制控制-控制个性化多样化快速化传感器数据采集视频检测与采集传感器数据采集视频检测与采集控制与硬件解耦控制与连接解耦IT/OT系统集成数据高效流转典型工业应用对无线网络的需求工业对开放自动化的需求灵活性&可扩展性简化网络层级安全定位追踪快速故障检测与维护传统PLC控制硬件白盒化控制软件虚拟化现有工业无线性能有待提升，阻碍其深入工业控制的核心环节现有无线技术在通信时延、抗干扰、稳定性等方面有待提升，难以满足工业对通信确定性、可靠性等极致的性能要求。因此，现有工业无线主要服务数据采集、视频回传、巡检等业务，难以深入工业控制的核心生产环节。工业无线应用受限，市场份额难以扩张无线网络性能有待提升低低高短精时延抖动可靠周期同步来源：HMSNetworks《工业网络市场分析报告》，2023•

有线连接为主：有线网络占比高，无线仅占8%•

产线改造难度大：网络部署升级难度高，柔性化不足•

无损能力需提升：现有无线技术低时延等性能有待提升基于虚拟化PLC构建控制开放化，面临技术与协同挑战虚拟化PLC旨在通过操作系统和虚拟化技术实现工业控制的软硬解耦，实现工业控制的开放。如何实现高实时OT控制与高算力IT应用并行，存在多种技术路径，缺少统一技术架构。同时，虚拟化PLC作为软件服务部署在各类设备上，缺乏协同，需要在集中化和性能间取得平衡。虚拟化PLC缺少统一技术架构虚拟化PLC缺少协同，难以覆盖所有场景Ø

虚拟化PLC存在多种技术路径，尚未形成针对工业控制的成熟解决方案Ø

工控场景多样，性能要求差异大工控场景运动控制离散控制过程控制生化控制••AMP架构PLC任务PLCRuntimeRTOS工控周期<1ms2-10ms10-50ms50-100msLinuxAppLinuxØ

vPLC可以部署在各类设备上，设备间缺少协同，难以覆盖所有场景CPU0ETH1CPU1ETH0CPU2WiFi通用硬件集中度高PLC任务Docker架构PLCRuntimeLinuxAppDocker5G工业BBU5G工业UPFMEC边缘服务器Linux-RT通用硬件•Hypervisor架构PLC任务PLCRuntimeRTOSLinuxAppLinux边缘控制器IPC网关Hypervisor工控周期短通用硬件中国移动研发5G+现场网关键技术能力，推动OICT深度融合针对工业无线和工控发展面临的挑战，研发5G新型短距融合技术实现南向无线化，研发5G确定性传输技术实现北向确定性通信，研发5G虚拟化控制技术实现vPLC协同编排，助力工业无线服务生产制造核心环节，推动OICT技术深度融合。5G虚拟化工业控制（vPLC）技术系统工控成本降低为虚拟化PLC提供统一技术架构和协同编排服务50%应用层•

符合IEC-61131-3•

vPLC端边协同•

Container/VM统一架构•

动态编排扩展5G确定性通信技术链路丢包率降低内生双发选优、时延控制，增强工业无线确定性传输性能回传层40%•

双发选收•

流量整型•

授时精度<500ns•

时延抖动<1ms5G新型短距融合通信技术无线融合星闪短距，实现网关南向无线化，简化现场维护难度单向时延接入层＜100μs•

更高确定性传输•

一体化融合网络•

数据分发策略增强•

替代工业有线5G确定性通信能力，提供北向可靠性传输保障5G网络逐渐向生产控制环节拓展，在电力、矿山、工厂、港口等领域，涌现出了大量控制业务无线化的需求，但行业现场环境复杂、干扰大，对保障企业核心生产控制业务稳定运行构成挑战，需要5G确定性通信能力，提供更加可靠稳定的传输连接。5G确定性通信能力架构技术特色能力p

确定性保障能力确定性保障能力多路径冗余传输毫秒级时延控制高精度时钟同步p

异构网络融合能力异构网络融合能力网络原生二层互通微秒级隧道封装跨域QoS标识映射5G确定性通信能力的创新应用面向汽车智能制造、大型设备远程控制等场景对确定性无线传输的需求，基于5G行业现场确定性通信技术方案，创新研发“e灵石”5G确定性网关产品，实现多设备集中控制、工程设备远程控制场景下的数据与控制可靠传输，助力5G深入行业核心生产控制环节。在汽车制造行业，多设备集中控制的实践•

场景：汽车制造产线PLC-IO无线化控制在钢铁行业，无人天车远程控制的实践•

场景：钢厂无人天车远程控制•

方案部署：基于网关完成产线设备的无线化连接改造，通过异构网络融合、双发选收保障、确定性时延控制等能力实现多设备确定性无线互联互通•

方案部署：基于网关完成工程设备无线连接改造，通过双发选收、时延控制等硬件能力，实现端到端确定性传输保障•

部署效果：现场丢包率降低40%以上，抖动降低至1ms以内，保障钢厂内天车远控业务连续运行无故障，生产效率大幅提升•

部署效果：在工业看门狗实时监测下实现PLC-IO无线通信7x24小时不断链，测试结果可满足汽车制造控制业务需求PLC确定性控制器确定性网关IO模块基于5G确定性网关的PLC-IO高可靠无线通信验证钢厂无人天车远控现场5G确定性网关部署天车确定性控制器部署机房5G虚拟化工业控制，提供开放协同的统一技术架构依托5G网元的资源和通信优势，基于端边云架构打造5G虚拟化工业控制技术架构，支持在vPLC在工业网关、BBU、UPF泛在部署，通过统一运行环境和端边云统一编排，实现各类控制场景全覆盖。PLC应用开发门户开发层应用开发编译下载性能监控vPLC云开发层编排管理vPLC编排管理平台服务层PLC应用部署运维统一开发门户用户vPLC编排vPLC管理设备管理网络管理实时性测量冗余热备vPLC运行环境5GC服务层5C5G核心网5G基站工控安全服务编排调度管理vPLC部署管理统一编排平台通信能力TAN/TSN5GLANvPLC5G网元ContainerizedPLCRuntime运行层PLC运行层RTOSLinux5G工控网关VM/Container统一运行环境Hypervisor通用硬件现场I/O5G虚拟化工业控制的创新应用基于5G虚拟化工业控制技术架构，打造软硬解耦的5G工控网关，提供“5G连接+现场算力+PLC工控”的OICT融合能力，实现“传统PLC+数采网关”二合一，降低工控成本，构建扁平化的工控架构。5G工控网关是“传统PLC+数采网关”的二合一设备5G工控网关简化工控层级，降低工控成本与国内某新能源企业合作，在电池组装PAC产线完成对国外传统PLC替代SCADA/MES5G5G虚拟化工业控制网关ModbusModbusHMIProfinetEtherCAT拧紧枪-1拧紧枪-2机械臂-1摄像头简化控制层级降低工控成本PLC+数采网关二合一替换设备与运维成本下降50%左右机械臂-2测距仪全国产自主可控柔性编排扩展国产硬件+国产软件支持虚拟化PLC编排互联5G+新型短距融合通信技术，实现南向无线化结合5G和新型短距通信的技术特点，基于异构融合组网的技术架构，从安全、质量、功耗、控制等方面开展系统创新，通过5G与新型短距的融合通信，实现网关设备的南向无线化，助推5G和现场网技术的协同创新。广域与局域、微域异构融合组网的一体化架构面向安全、质量、功耗、控制的技术创新安全：异构融合组网及统一接入鉴权认证质量：全局链路质量管理及最优策略协同配置测量5GC结果反馈5G蜂窝n

5G网络：实现工厂环境下秒级的数据存储和宏观调度、区域集成级数据采集，以及毫秒级动作时序处理的广域网络连接n

新型短距：延伸5G服务，深入工业生产核心环节最后10-100米，实现终端之间的低时延、可靠的无线连接星闪功耗：业务信道数据的低功耗传输控制：微秒级状态保障/跨域网络异常上报5G+新型短距融合通信技术的创新成果面向超低时延、超高可靠的工业传输需求，基于5G+新型短距融合通信技术实现南向无线化和可靠性传输，打造基于5G+新型短距的工控系统，可服务于运动控制、生产数据采集、产线无线化控制等应用场景。基于5G+新型短距的电机同步控制原型系统基于5G+新型短距的工控系统•联合产业发布基于5G+新型短距•发布业界首台基于5G+新型短距的电机同步控制原型系统，实现5G+新型短距融合通信向工厂生产核心环节延伸。的工控系统，为5G智慧工厂提供全新技术方案。基于5G+现场网关键技术能力，打造全无线确定性工控系统在5G基础上融合新型短距、确定性传输、虚拟化PLC三项关键技术能力，打造全无线确定性工业控制系统，破解南向剪辫子、PLC软硬一体、确定性难以保障等难题，构建自主可控的新型工业控制架构，协同推动传统工控架构向扁平、无线、确定、开放方向演进。旨在提供高可靠、高性能的工业无线网络推动传统工控架构向端边云开放协同方向演进核心网UPF云工厂外网工厂内网云侧融合应用工控主机ERPPLMMESWMS用户UPF网络交换机工业边缘APPAI远程监控集控vPLC2.6G4.9G数据分析5G连接区域边缘边5G工控网关（虚拟化PLC+确定性传输）5G车间内网新型短距连接现场TANvPLC新型短距现场边缘IO设备I/O设备现场总线1现场总线2端......传感器传感器伺服电机控制旋钮全无线确定性工业控制技术的应用展望基于全无线确定性工控技术架构，联合某钢铁厂围绕天车无人行车开展试点验证，有望实现对传统有线连接和传统PLC的替换，相比传统方案，具有灵活组网、扁平部署、可靠性高等特点，可以显著降低设备和运维成本。边缘集中化主控中控室5GCBBU工业UPFMES（主vPLC）服务器5G确定性工控网关5G确定性工控网关（从vPLC）（从vPLC）HMI（车间）车间辅助设备远程I/O天车1天车2x-电机y-电机z-电机x-电机y-电机z-电