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案例頻道文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）05-068-07中圖分類號：TP393
★姚維兵，吳錫杰，賀毅，楊猛（廣州明珞裝備股份有限公司，廣東廣州510535）
關鍵詞：5G通信網絡；控制系統；高實時性
1 引言
在國際上，5G技術在工業控制領域的應用正處于全球范圍內的探索和推廣階段。國外運營商、設備廠商與工業用戶聯合開展評估和測試，共同探索5G技術在自動化產線控制、設備協同作業和機器遠程控制等多個場景的應用價值。然而，在這一探索過程中，出現了一些痛點，如設備多層組網、數據傳輸難以兼容、采集效率低以及移動會造成物理通訊故障等問題。此外，協議接口多、硬接線施工周期長、網絡改造困難、靈活性差也是當前面臨的挑戰。
在國內，5G與PLC的結合已經成為工業控制系統智能化變革的先導和探索熱點。PLC作為工業自動化的核心控制器，與5G技術的融合，帶來了功能、形態和結構的變革，可實現更智能、更可靠和更安全的工業控制。目前，5G在工業控制領域已經進入規模推廣階段，國家及地方不斷發布智能制造、工業互聯網、數字化轉型等相關政策，推動5G在重點行業領域的應用。中國移動、華為、海爾等已經利用5G技術實現了工廠內的設備實時監控和自動化控制；浙江移動聯手華為助力寧波愛柯迪建成了全省首個5GLAN工廠；上海移動聯合寶山鋼鐵應用5G賦能寶鋼工廠協同智造。國內標準化組織也在積極發布一系列工業5G應用的技術標準，指導5G在工業控制領域的應用[3]。
綜上所述，5G與工業融合創新已成為產業發展的必然趨勢，將為工業控制領域帶來前所未有的技術變革和發展機遇。在高端裝備領域，實時控制系統的高性能和高效率對提高裝備的精密度、穩定性和智能化水平至關重要。5G通信網絡作為新一代通信技術[1]，具備更高的傳輸速率和更低的時延，為高端裝備中的實時控制系統的發展提供了嶄新的機遇和挑戰。
本文基于高端裝備制造領域中實時控制的需求和5G網絡通信技術在高端裝備制造中的應用，并對5G通信網絡拓撲結構進行了深入研究。通過利用5G通信技術，本研究成功實現了高端裝備中毫秒級的實時控制[10]。同時，本研究對高端裝備中毫秒級的實時控制的網絡拓撲結構進行了分析和優化，為高端裝備中的毫秒級高實時控制提供了新的解決方案，為實現工業制造數字化、柔性化、智能化提供了新的思路。
2 高端裝備的高實時控制系統需求分析
2.1 高端裝備的工作環境和任務需求
隨著科技的不斷發展和進步，高端裝備的工作環境變得越來越復雜和惡劣，高端裝備的工作環境和任務需求是影響高實時控制系統性能的重要因素。而在工業領域，高端裝備常常需要在高溫、高壓、高速等特殊工作環境下運行，它們在工作過程中，往往需要在極短的時間內做出反應和調整，以保證裝備的正常運行和安全性。例如，在工業裝備中，需要在毫秒級時間內對設備進行監控和調整，以保證生產的效率和質量。
高端裝備中的毫秒級高實時控制系統需要具備一些關鍵技術。例如，需要采用高性能的處理器和實時操作系統，以保證控制系統的快速響應和穩定運行。同時，還需要采用高精度的傳感器和執行器，以獲取和執行控制系統的精確指令。此外，為了保證系統的可靠性和安全性，還需要采用冗余設計和故障檢測與容錯技術[11]。
為了實現毫秒級高實時控制，5G通信網絡拓撲在高端裝備中得到了廣泛的應用[8]。5G通信網絡拓撲具有高速、低延遲、大容量等特點，可以滿足高端裝備對于實時性和可靠性的需求。通過使用5G通信網絡拓撲，高端裝備可以實現與其他設備和系統的高速數據交換和傳輸，可以實時獲取和處理各種傳感器和監測設備的數據，從而實現對裝備狀態和工作環境的實時監控和調整，保證了高端裝備的正常運行和安全性。在未來的研究中，我們還需要進一步探索和優化高實時控制系統的性能和可靠性，以滿足不斷發展的高端裝備需求。
2.2 高實時控制系統的技術要求
高實時控制系統在高端裝備中具有重要的應用價值。為了確保系統的高實時性，系統需要滿足高性能的計算和處理能力、高速的數據傳輸能力、高精度的數據采集和控制能力，以及高可靠性和安全性的要求。只有具備強大的處理器、高速的內存和存儲設備，使用高速的通信設備如5G網絡，結合高精度的傳感器和執行器，以及精確的控制算法，才能確保系統在毫秒級的時間范圍內實時響應控制指令并完成相應操作，并在各種復雜環境下穩定運行，抵御各種安全威脅。
2.3 5G通信網絡在高實時控制系統中的作用
高實時控制系統在高端裝備中起著至關重要的作用，能夠實現毫秒級的響應時間，對于提高裝備的效率和性能具有重要意義。而通信網絡作為高實時控制系統的基礎設施之一，對系統的穩定性和可靠性起著關鍵作用。本節將重點探討5G通信網絡在高實時控制系統中的作用。
5GURLLC通信網絡具有較高的傳輸速率和較低的時延[8]，能夠滿足高實時控制系統對數據傳輸的要求。在高實時控制系統中，控制指令的傳輸速度和時延是至關重要的，因為任何延遲都可能導致系統的不穩定甚至故障。而5G通信網絡能夠提供穩定的傳輸速率和低時延，確保控制指令能夠及時準確地傳輸到設備端，從而保證了系統的高實時性。
在高實時控制系統中，數據傳輸的可靠性是非常重要的，任何數據丟包或錯誤都可能導致停機。5G通信網絡具有較強的抗干擾能力和穩定性，能夠保證數據的可靠傳輸。
在工業現場環境下，往往存在大量的設備和傳感器，這些設備分布在不同的位置，面臨不同的環境條件。而5GURLLC通信網絡具有較大的覆蓋范圍和較強的穿透能力，能夠實現設備之間的遠程通信，確保了系統的高實時性。
5G通信網絡在高實時控制系統中具有重要的作用。它能夠提供穩定的傳輸速率和低時延，能夠確保控制指令的及時傳輸；它具有較強的抗干擾能力和穩定性，能夠保證數據的可靠傳輸；同時它具有較大的覆蓋范圍和較強的穿透能力，能夠滿足復雜環境下的通信需求。因此，在高端裝備中的毫秒級高實時控制系統中，5G通信網絡的應用具有重要意義。
3 毫秒級高實時控制系統5G網絡拓撲的理論研究
3.1 5G通信網絡在控制領域的應用挑戰
隨著5G通信技術被廣泛應用，工控領域也迎來了新的機遇和挑戰[4]。在高實時控制系統中，5G通信網絡可以部署實現數字化、智能化和柔性化產線控制網絡結構，但是，面對工作環境嚴峻、技術要求高的工業控制領域，5G通信網絡也同樣面臨著一些挑戰：
（1）工業控制系統的高可靠性和低時延性對5G通信網絡提出了更高的要求。在實時控制和遠程操作中，任何網絡延遲或信號丟失都可能導致生產事故或質量問題，因此需要確保5G無線網絡的穩定性和可靠性。
（2）在生產過程中，隨著工控設備的增加，設備間互聯和數據傳輸量也大大增加，對5G網絡帶寬和服務器數據處理能力提出了挑戰。如何有效管理和優化工控系統的數據流量，確保實時性和準確性，也是5G通信網絡技術需要解決的問題之一。
（3）5G網絡的開放性同時增加了安全方面的風險，工控領域對網絡安全和隱私保護有著高要求，需要采取高安全級別的措施，來防止網絡被惡意攻擊或數據泄露。
綜上所述，5G通信在工控領域的應用雖然帶來了許多機遇，但也面臨著諸多挑戰，需要在技術、管理和安全等方面持續進行創新和優化，以實現工業生產的數字化和智能化落地。
3.2 5G網絡拓撲在毫秒級高實時控制系統中的應用場景分析
5G作為新一代移動通信技術，具有大帶寬、高可靠、低時延、廣連接的特點，不僅可以應用到簡單的數據采集，還能在實時控制等多個層面發揮作用。在工業應用實時等級與應用領域的劃分中，5G的空口時延可以達到1ms，能夠支撐端到端時延要求在毫秒級的應用場景。5G在工業領域的通用場景分析如下：
（1）5G+實時控制：利用5G實現實時控制，可以讓設備之間（如機器人與機器人）實現協同操作，提升了生產效率和靈活性。
（2）5G+視覺檢測：使用工業相機對工件或產品進行質量檢測，并通過5G網絡傳輸拍攝的視頻或圖片以及質量分析結果，可以實現實時監測和質量把控。
（3）5G+數字孿生：通過對生產線進行信息建模，可以實現生產線數字孿生，利用5G網絡的大帶寬可以實現物理世界與信息空間的雙向流通，提升了生產效率和質量管理水平。
（4）5G+智能運維：依靠5G通信的高速數據交互特性，傳輸制造裝備的健康狀態和故障診斷數據，可以實現跨工廠跨地域的遠程運維與預測性維護，提高了設備利用率和生產效率。
（5）5G+遠程控制：借助5G無線網絡技術可以實現遠距離作業下對現場設備的遠程操控，提高了工作效率和安全性，實現了“無人工廠”。
這些應用場景充分展示了5G在工業控制領域的潛力和廣泛應用前景[2]，也說明了5G網絡拓撲可以在毫秒級高實時控制系統中成為重要的角色。通過優化網絡拓撲結構，結合數字化應用，可以提高系統的實時性、可靠性和安全性[9]，從而為用戶制定生產計劃和故障處理策略。因此，5G網絡拓撲的加入，有助于擴大工業控制系統的應用場景范圍、提高產線性能和保證生產過程中數據的傳輸可靠性，為工業生產帶來了數字化、智能化、柔性化的工業數字化智能制造解決方案，推動了工業制造向數字化轉型。
3.3 毫秒級高實時控制系統中5G網絡拓撲的方案構想
5G通信技術的快速發展和廣泛應用，為高端裝備中的毫秒級高實時控制系統提供了更為可靠和高效的通信手段。在毫秒級高實時控制系統中，5G網絡拓撲的構建和優化成為了一個重要的研究方向。本章將重點探討在高實時控制系統方案中構建5G網絡拓撲的相關內容。
構建5G網絡拓撲需要考慮到系統的實時性和穩定性。在高實時控制系統中，數據的傳輸延遲要求非常高，因此需要采用低延遲的5G通信技術[6]。為了提高系統的穩定性，需要設計多層次的網絡結構，將控制節點和數據節點分開，并采用冗余設計，以保證系統的可靠性和容錯性。
傳統的焊裝車間工業網絡如圖1所示，采用雙絞線的有線工業以太網和現場總線，結合多層交換機進行匯聚和疊加，實現了IT網絡與OT網絡的軟隔離。它通過L3交換機路由互通，實現了系統間的高效通信與數據交換。此外，PMC、AVI和Andon系統單獨服務器部署，雖然成本較高，但提供了更高的可靠性和性能表現[12]。
圖1 焊裝車間傳統網絡拓撲架構
這種網絡架構在焊裝車間中發揮著重要作用，確保了生產設備的穩定運行和數據的可靠傳輸。同時，軟隔離的設計使得IT網絡和OT網絡能夠獨立運行，提高了系統的安全性和穩定性。通過多層交換機的匯聚和疊加，網絡能夠支持大規模設備的連接，實現了高效的數據傳輸和處理。總的來說，這種網絡架構為焊裝車間提供了可靠、高效的通信和數據交換基礎，為生產運營提供了有力的支持。
5G通信技術優化后的工業網絡拓撲結構如圖2所示，除伺服/變頻器之外的所有設備通過5G工業網關/5GCPE/5G模組聯網，實現了IT/OT的深度融合，大大節省了線纜與現場的空間成本。同時，PMC、AVI和Andon等服務器也部署在5G網絡的邊緣平臺上，實現了網絡與業務的融合，進一步節省了服務器成本。
圖2 5G改造后的焊裝車間網絡拓撲架構
通過5G技術網絡拓撲優化后的工業網絡提升了車間的智能化水平和生產效率，實現了設備的無線聯網，提升了網絡的靈活性和可擴展性[9]，給生產過程提供了更高的數據傳輸速率和穩定性，奠定了未來工業制造與網絡通信技術融合應用的基礎。
4 毫秒級高實時控制系統5G網絡拓撲的應用和效果分析
4.1 毫秒級高實時控制系統5G網絡拓撲應用場景
（1）實驗室應用場景
如圖3所示，I/O（ET 200SP）上安裝了兩個安全模塊、兩個普通I/O模塊，IPC427E上運行軟PLC組態軟件，對IO設備進行讀寫操作。
I/O（ET 200SP）網線連接SE6100，通過雙模組業務鏈路配置FRER，業務設定CT=8ms，WDT=24ms，IPC427E上運行業務監控軟件，通過5G網絡檢測PLC與I/O狀態。
網絡配置4.9G雙小區，采用DS幀結構，切片+5QI預調度；兩臺綜測儀配置C2IO同樣大小交互報文進行ping包測試，記錄報文的RTT時延。
圖3 實驗室業務組網
（2）展廳焊裝車間應用場景
如圖4所示，機器人、閥島、遠程I/O等設備通過網關SE6100接入5G網絡，網關SE6100雙模組業務鏈路配置FRER，業務設定CT=8ms,WDT=24ms，PLC（1516F）通過5G網絡控制現場機器人、閥島等設備。
網絡配置4.9G雙小區，采用DS幀結構，切片+5QI預調度；兩臺綜測儀配置C2IO同樣大小交互報文進行ping包測試，記錄報文的RTT時延。
4.2 毫秒級高實時控制系統5G網絡拓撲應用測試
作為5G-A新技術時延第二階段測試目的之一，中國移動集團組織廠家在各省分公司聯合企業進行工業基站驗證，以推動5G賦能工業場景5G工業基站在廣州明珞的測試驗證表明5G工業基站以及當前5G網絡能力可以滿足在汽車生產行業中的應用，進一步推動了5G與工業OT網的融合。
測試目標如下：
（1）驗證工業基站可以用于C2IO業務場景，即PLC到IO的實時邏輯控制，PLC控制安全I/O的場景，即通過PLC可以控制安全DI/DO；
（2）考慮業務測試的可靠性，因此本次測試分為實驗室測試和展廳產線測試兩個場景；
（3）明珞實驗室環境里，PLC-安全I/O運行7×24h不斷連；
（4）基于明珞展廳焊裝車間的場景，驗證在PLC通過5G網絡，并由5G工業基站連接到現場I/O進行控制，即PLC-5G工業基站-I/O-執行機構的穩定運行，PLC-安全I/O控制下無斷鏈告警，業務可不間斷運行7×24h；
（5）測量網絡時延可靠性要求達到業務單向8ms@99.99%，也即網絡雙向16ms@99.99%，要求至少達到30萬包的Ping包測試量，Ping包間隔及大小同PLC-I/O實際業務場景。
4.3 毫秒級高實時控制系統5G網絡拓撲的效果分析
實驗室組網測試數據如表1所示。
表1 實驗室組網測試數據表
實驗室Ping包測試如圖5所示。
（a） 實驗室業務ping包時延區間統計表
（b） 實驗室ping包時延散點分布圖
圖5 實驗室Ping包測試圖
經過連續10天的ping包業務拷機測試：
（1）業務丟包率為0%；
（2）RTT平均時延為8.092ms；
（3）網絡RTT雙向時延可靠性16ms@99.99999%；
（4）網絡RTT雙向時延可靠性10ms@99.999%。測試結果：網絡性能達到預期效果。
表2 展廳焊裝車間組網測試數據表
展廳產線Ping包測試如圖6所示。
（a） 展廳網絡ping包時延區間統計
（b） 展廳網絡ping包時延散點分布圖
圖6 展廳產線Ping包測試圖
經過連續7天的ping包業務拷機測試：
（1）業務丟包率為0%；
（2）RTT平均時延為8.055ms；
（3）網絡RTT雙向時延可靠性16ms@99.9999%；
（4）網絡RTT雙向時延可靠性10ms@99.999%。
測試結果：網絡性能達到預期效果。
測試結論：本次通過實驗室與產線真實生產環境相結合，對網絡業務做了充分的測試驗證，結論如下：
（1）在開啟DS幀結構、FRER雙發選收的情況下，端到端時延16ms的可靠性可以達到99.999%以上，從而滿足WDT=24ms的業務要求；
（2）從業務測試來看，在C2IO業務場景下，CT=8ms、WDT=24ms的業務配置，能夠滿足7×24h業務不間斷連續運行；
（3）測試開始發現PLC回包中有超過1500字節的大包，導致業務不通，經過定位發現模組不支持大包，移遠通過版本解決，建議針對工業場景，模組對MTU不要做限制。
4.4 毫秒級高實時控制系統5G網絡拓撲應用的價值影響
本文研究了5G通信網絡在高端裝備中毫秒級高實時控制系統中的拓撲結構，分析了其效果及在不同應用場景下的適用性。5G通信網絡采用分布式拓撲結構和多小區部署，能實現低時延、高可靠性和大容量，提高了控制系統性能。在未來研究中我們可進一步優化拓撲結構以滿足不同需求。明珞、移動、中興在控制產線的各個方面發揮了各自的優勢，他們通過測試應用，將融合5G技術和工業解決方案落地，在技術創新上帶來了巨大的價值影響。毫秒級高實時控制系統的5G網絡拓撲架構為離散制造行業帶來了創新的解決方案，幫助了企業應對痛點和業務需求，推動了行業向智能化、數字化轉型，實現了產線現場的實時控制，提高了生產效率，實現了降本增效，優化了資源利用，為制造行業帶來了更好的質量和更強的競爭力，引領了行業革命性變革。
5 總結與展望
綜合以上研究成果，我們對高端裝備中的毫秒級高實時控制系統與5G通信網絡拓撲的研究與應用進行了深入探討，并通過分析高端裝備的工作環境和任務需求，引入了5G通信網絡技術。我們發現5G技術在優化高端裝備制造產線架構和提高產能方面具有巨大的潛力。在毫秒級高實時控制系統的研究中，我們應用了5G網絡拓撲結構對車間工作站方案進行了優化設計，實現了更高效、更穩定的控制系統，提高了產線的生產性能和生產可靠性。
盡管我們的研究取得了一定成果，但仍存在一些不足。如實驗數據和案例研究少，不具有說服力，需要進一步驗證方法和結論的可行性和有效性。我們計劃進行充分的測試和驗證以證明5G網絡可以滿足關鍵業務需求，通過此來消除項目部門對5G網絡技術能力的顧慮。同時，我們將繼續現場的組網優化設計研究，確保5G網絡與現有系統無縫對接，實現業務數據的高效流動和共享，進一步優化工業數字化智能制造解決方案，為未來的研究和實踐提供更多的參考和借鑒。這些工作將為5G與工業網絡集成提供寶貴經驗，將推動相關領域的發展。
★廣州市產業領軍人才集聚工程項目支持：廣州市創新領軍團隊（合同編號：201909010005）。
作者簡介：
姚維兵（1979-），男，湖北荊州人，碩士，現任廣州明珞裝備股份有限公司董事長兼CEO，主要從事智能裝備關鍵核心技術和設備的研究開發和產業化應用方面的工作。
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摘自《自動化博覽》2024年5月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號