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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2024）05-068-07中圖分類號(hào)：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(guān)鍵詞：5G通信網(wǎng)絡(luò)；控制系統(tǒng)；高實(shí)時(shí)性

1　引言

在國際上，5G技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用正處于全球范圍內(nèi)的探索和推廣階段。國外運(yùn)營商、設(shè)備廠商與工業(yè)用戶聯(lián)合開展評(píng)估和測(cè)試，共同探索5G技術(shù)在自動(dòng)化產(chǎn)線控制、設(shè)備協(xié)同作業(yè)和機(jī)器遠(yuǎn)程控制等多個(gè)場(chǎng)景的應(yīng)用價(jià)值。然而，在這一探索過程中，出現(xiàn)了一些痛點(diǎn)，如設(shè)備多層組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸難以兼容、采集效率低以及移動(dòng)會(huì)造成物理通訊故障等問題。此外，協(xié)議接口多、硬接線施工周期長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)改造困難、靈活性差也是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。

在國內(nèi)，5G與PLC的結(jié)合已經(jīng)成為工業(yè)控制系統(tǒng)智能化變革的先導(dǎo)和探索熱點(diǎn)。PLC作為工業(yè)自動(dòng)化的核心控制器，與5G技術(shù)的融合，帶來了功能、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變革，可實(shí)現(xiàn)更智能、更可靠和更安全的工業(yè)控制。目前，5G在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模推廣階段，國家及地方不斷發(fā)布智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型等相關(guān)政策，推動(dòng)5G在重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。中國移動(dòng)、華為、海爾等已經(jīng)利用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工廠內(nèi)的設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)化控制；浙江移動(dòng)聯(lián)手華為助力寧波愛柯迪建成了全省首個(gè)5GLAN工廠；上海移動(dòng)聯(lián)合寶山鋼鐵應(yīng)用5G賦能寶鋼工廠協(xié)同智造。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織也在積極發(fā)布一系列工業(yè)5G應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)5G在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用^[3]。

綜上所述，5G與工業(yè)融合創(chuàng)新已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，將為工業(yè)控制領(lǐng)域帶來前所未有的技術(shù)變革和發(fā)展機(jī)遇。在高端裝備領(lǐng)域，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的高性能和高效率對(duì)提高裝備的精密度、穩(wěn)定性和智能化水平至關(guān)重要。5G通信網(wǎng)絡(luò)作為新一代通信技術(shù)^[1]，具備更高的傳輸速率和更低的時(shí)延，為高端裝備中的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了嶄新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

本文基于高端裝備制造領(lǐng)域中實(shí)時(shí)控制的需求和5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在高端裝備制造中的應(yīng)用，并對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。通過利用5G通信技術(shù)，本研究成功實(shí)現(xiàn)了高端裝備中毫秒級(jí)的實(shí)時(shí)控制^[10]。同時(shí)，本研究對(duì)高端裝備中毫秒級(jí)的實(shí)時(shí)控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，為高端裝備中的毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制提供了新的解決方案，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造數(shù)字化、柔性化、智能化提供了新的思路。

2　高端裝備的高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)需求分析

2.1　高端裝備的工作環(huán)境和任務(wù)需求

隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，高端裝備的工作環(huán)境變得越來越復(fù)雜和惡劣，高端裝備的工作環(huán)境和任務(wù)需求是影響高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)性能的重要因素。而在工業(yè)領(lǐng)域，高端裝備常常需要在高溫、高壓、高速等特殊工作環(huán)境下運(yùn)行，它們?cè)诠ぷ鬟^程中，往往需要在極短的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)和調(diào)整，以保證裝備的正常運(yùn)行和安全性。例如，在工業(yè)裝備中，需要在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整，以保證生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

高端裝備中的毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)需要具備一些關(guān)鍵技術(shù)。例如，需要采用高性能的處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以保證控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，還需要采用高精度的傳感器和執(zhí)行器，以獲取和執(zhí)行控制系統(tǒng)的精確指令。此外，為了保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，還需要采用冗余設(shè)計(jì)和故障檢測(cè)與容錯(cuò)技術(shù)^[11]。

為了實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制，5G通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诟叨搜b備中得到了廣泛的應(yīng)用^[8]。5G通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈咚佟⒌脱舆t、大容量等特點(diǎn)，可以滿足高端裝備對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性的需求。通過使用5G通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌叨搜b備可以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備和系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)交換和傳輸，可以實(shí)時(shí)獲取和處理各種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備狀態(tài)和工作環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，保證了高端裝備的正常運(yùn)行和安全性。在未來的研究中，我們還需要進(jìn)一步探索和優(yōu)化高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的性能和可靠性，以滿足不斷發(fā)展的高端裝備需求。

2.2　高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求

高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在高端裝備中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。為了確保系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)需要滿足高性能的計(jì)算和處理能力、高速的數(shù)據(jù)傳輸能力、高精度的數(shù)據(jù)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(qiáng)大的處理器、高速的內(nèi)存和存儲(chǔ)設(shè)備，使用高速的通信設(shè)備如5G網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合高精度的傳感器和執(zhí)行器，以及精確的控制算法，才能確保系統(tǒng)在毫秒級(jí)的時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)時(shí)響應(yīng)控制指令并完成相應(yīng)操作，并在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，抵御各種安全威脅。

2.3　5G通信網(wǎng)絡(luò)在高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的作用

高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在高端裝備中起著至關(guān)重要的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于提高裝備的效率和性能具有重要意義。而通信網(wǎng)絡(luò)作為高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施之一，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起著關(guān)鍵作用。本節(jié)將重點(diǎn)探討5G通信網(wǎng)絡(luò)在高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的作用。

5GURLLC通信網(wǎng)絡(luò)具有較高的傳輸速率和較低的時(shí)延^[8]，能夠滿足高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ诟邔?shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，控制指令的傳輸速度和時(shí)延是至關(guān)重要的，因?yàn)槿魏窝舆t都可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至故障。而5G通信網(wǎng)絡(luò)能夠提供穩(wěn)定的傳輸速率和低時(shí)延，確保控制指令能夠及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)皆O(shè)備端，從而保證了系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性。

在高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允欠浅Ｖ匾模魏螖?shù)據(jù)丟包或錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致停機(jī)。5G通信網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，能夠保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，往往存在大量的設(shè)備和傳感器，這些設(shè)備分布在不同的位置，面臨不同的環(huán)境條件。而5GURLLC通信網(wǎng)絡(luò)具有較大的覆蓋范圍和較強(qiáng)的穿透能力，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的遠(yuǎn)程通信，確保了系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性。

5G通信網(wǎng)絡(luò)在高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中具有重要的作用。它能夠提供穩(wěn)定的傳輸速率和低時(shí)延，能夠確保控制指令的及時(shí)傳輸；它具有較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，能夠保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸；同時(shí)它具有較大的覆蓋范圍和較強(qiáng)的穿透能力，能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的通信需求。因此，在高端裝備中的毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，5G通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有重要意義。

3　毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞睦碚撗芯?/strong>

3.1　5G通信網(wǎng)絡(luò)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用挑戰(zhàn)

隨著5G通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用，工控領(lǐng)域也迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)^[4]。在高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，5G通信網(wǎng)絡(luò)可以部署實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化和柔性化產(chǎn)線控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是，面對(duì)工作環(huán)境嚴(yán)峻、技術(shù)要求高的工業(yè)控制領(lǐng)域，5G通信網(wǎng)絡(luò)也同樣面臨著一些挑戰(zhàn)：

（1）工業(yè)控制系統(tǒng)的高可靠性和低時(shí)延性對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。在實(shí)時(shí)控制和遠(yuǎn)程操作中，任何網(wǎng)絡(luò)延遲或信號(hào)丟失都可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故或質(zhì)量問題，因此需要確保5G無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）在生產(chǎn)過程中，隨著工控設(shè)備的增加，設(shè)備間互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸量也大大增加，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器數(shù)據(jù)處理能力提出了挑戰(zhàn)。如何有效管理和優(yōu)化工控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量，確保實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，也是5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要解決的問題之一。

（3）5G網(wǎng)絡(luò)的開放性同時(shí)增加了安全方面的風(fēng)險(xiǎn)，工控領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護(hù)有著高要求，需要采取高安全級(jí)別的措施，來防止網(wǎng)絡(luò)被惡意攻擊或數(shù)據(jù)泄露。

綜上所述，5G通信在工控領(lǐng)域的應(yīng)用雖然帶來了許多機(jī)遇，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要在技術(shù)、管理和安全等方面持續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化和智能化落地。

3.2　5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诤撩爰?jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景分析

5G作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，具有大帶寬、高可靠、低時(shí)延、廣連接的特點(diǎn)，不僅可以應(yīng)用到簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集，還能在實(shí)時(shí)控制等多個(gè)層面發(fā)揮作用。在工業(yè)應(yīng)用實(shí)時(shí)等級(jí)與應(yīng)用領(lǐng)域的劃分中，5G的空口時(shí)延可以達(dá)到1ms，能夠支撐端到端時(shí)延要求在毫秒級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景。5G在工業(yè)領(lǐng)域的通用場(chǎng)景分析如下：

（1）5G+實(shí)時(shí)控制：利用5G實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，可以讓設(shè)備之間（如機(jī)器人與機(jī)器人）實(shí)現(xiàn)協(xié)同操作，提升了生產(chǎn)效率和靈活性。

（2）5G+視覺檢測(cè)：使用工業(yè)相機(jī)對(duì)工件或產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，并通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸拍攝的視頻或圖片以及質(zhì)量分析結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量把控。

（3）5G+數(shù)字孿生：通過對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行信息建模，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)字孿生，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬可以實(shí)現(xiàn)物理世界與信息空間的雙向流通，提升了生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理水平。

（4）5G+智能運(yùn)維：依靠5G通信的高速數(shù)據(jù)交互特性，傳輸制造裝備的健康狀態(tài)和故障診斷數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)跨工廠跨地域的遠(yuǎn)程運(yùn)維與預(yù)測(cè)性維護(hù)，提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率。

（5）5G+遠(yuǎn)程控制：借助5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離作業(yè)下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，提高了工作效率和安全性，實(shí)現(xiàn)了“無人工廠”。

這些應(yīng)用場(chǎng)景充分展示了5G在工業(yè)控制領(lǐng)域的潛力和廣泛應(yīng)用前景^[2]，也說明了5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢栽诤撩爰?jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中成為重要的角色。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合數(shù)字化應(yīng)用，可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性^[9]，從而為用戶制定生產(chǎn)計(jì)劃和故障處理策略。因此，5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募尤耄兄跀U(kuò)大工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景范圍、提高產(chǎn)線性能和保證生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的傳輸可靠性，為工業(yè)生產(chǎn)帶來了數(shù)字化、智能化、柔性化的工業(yè)數(shù)字化智能制造解決方案，推動(dòng)了工業(yè)制造向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

3.3　毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆桨笜?gòu)想

5G通信技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為高端裝備中的毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)提供了更為可靠和高效的通信手段。在毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)建和優(yōu)化成為了一個(gè)重要的研究方向。本章將重點(diǎn)探討在高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)方案中構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南嚓P(guān)內(nèi)容。

構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰紤]到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。在高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)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(shù)^[6]。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將控制節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分開，并采用冗余設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性。

傳統(tǒng)的焊裝車間工業(yè)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，采用雙絞線的有線工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線，結(jié)合多層交換機(jī)進(jìn)行匯聚和疊加，實(shí)現(xiàn)了IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)的軟隔離。它通過L3交換機(jī)路由互通，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間的高效通信與數(shù)據(jù)交換。此外，PMC、AVI和Andon系統(tǒng)單獨(dú)服務(wù)器部署，雖然成本較高，但提供了更高的可靠性和性能表現(xiàn)^[12]。

圖1 焊裝車間傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在焊裝車間中發(fā)揮著重要作用，確保了生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的可靠傳輸。同時(shí)，軟隔離的設(shè)計(jì)使得IT網(wǎng)絡(luò)和OT網(wǎng)絡(luò)能夠獨(dú)立運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。通過多層交換機(jī)的匯聚和疊加，網(wǎng)絡(luò)能夠支持大規(guī)模設(shè)備的連接，實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理。總的來說，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為焊裝車間提供了可靠、高效的通信和數(shù)據(jù)交換基礎(chǔ)，為生產(chǎn)運(yùn)營提供了有力的支持。

5G通信技術(shù)優(yōu)化后的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，除伺服/變頻器之外的所有設(shè)備通過5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)/5GCPE/5G模組聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了IT/OT的深度融合，大大節(jié)省了線纜與現(xiàn)場(chǎng)的空間成本。同時(shí)，PMC、AVI和Andon等服務(wù)器也部署在5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的融合，進(jìn)一步節(jié)省了服務(wù)器成本。

圖2 5G改造后的焊裝車間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

通過5G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化后的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提升了車間的智能化水平和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)，提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性^[9]，給生產(chǎn)過程提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和穩(wěn)定性，奠定了未來工業(yè)制造與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)融合應(yīng)用的基礎(chǔ)。

4　毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膽?yīng)用和效果分析

4.1　毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)用場(chǎng)景

（1）實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用場(chǎng)景

如圖3所示，I/O（ET 200SP）上安裝了兩個(gè)安全模塊、兩個(gè)普通I/O模塊，IPC427E上運(yùn)行軟PLC組態(tài)軟件，對(duì)IO設(shè)備進(jìn)行讀寫操作。

I/O（ET 200SP）網(wǎng)線連接SE6100，通過雙模組業(yè)務(wù)鏈路配置FRER，業(yè)務(wù)設(shè)定CT=8ms，WDT=24ms，IPC427E上運(yùn)行業(yè)務(wù)監(jiān)控軟件，通過5G網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)PLC與I/O狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)配置4.9G雙小區(qū)，采用DS幀結(jié)構(gòu)，切片+5QI預(yù)調(diào)度；兩臺(tái)綜測(cè)儀配置C2IO同樣大小交互報(bào)文進(jìn)行ping包測(cè)試，記錄報(bào)文的RTT時(shí)延。

圖3 實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)組網(wǎng)

（2）展廳焊裝車間應(yīng)用場(chǎng)景

如圖4所示，機(jī)器人、閥島、遠(yuǎn)程I/O等設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)SE6100接入5G網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)SE6100雙模組業(yè)務(wù)鏈路配置FRER，業(yè)務(wù)設(shè)定CT=8ms,WDT=24ms，PLC（1516F）通過5G網(wǎng)絡(luò)控制現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人、閥島等設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)配置4.9G雙小區(qū)，采用DS幀結(jié)構(gòu)，切片+5QI預(yù)調(diào)度；兩臺(tái)綜測(cè)儀配置C2IO同樣大小交互報(bào)文進(jìn)行ping包測(cè)試，記錄報(bào)文的RTT時(shí)延。

4.2　毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)用測(cè)試

作為5G-A新技術(shù)時(shí)延第二階段測(cè)試目的之一，中國移動(dòng)集團(tuán)組織廠家在各省分公司聯(lián)合企業(yè)進(jìn)行工業(yè)基站驗(yàn)證，以推動(dòng)5G賦能工業(yè)場(chǎng)景5G工業(yè)基站在廣州明珞的測(cè)試驗(yàn)證表明5G工業(yè)基站以及當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)能力可以滿足在汽車生產(chǎn)行業(yè)中的應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)了5G與工業(yè)OT網(wǎng)的融合。

測(cè)試目標(biāo)如下：

（1）驗(yàn)證工業(yè)基站可以用于C2IO業(yè)務(wù)場(chǎng)景，即PLC到IO的實(shí)時(shí)邏輯控制，PLC控制安全I(xiàn)/O的場(chǎng)景，即通過PLC可以控制安全DI/DO；

（2）考慮業(yè)務(wù)測(cè)試的可靠性，因此本次測(cè)試分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和展廳產(chǎn)線測(cè)試兩個(gè)場(chǎng)景；

（3）明珞實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里，PLC-安全I(xiàn)/O運(yùn)行7×24h不斷連；

（4）基于明珞展廳焊裝車間的場(chǎng)景，驗(yàn)證在PLC通過5G網(wǎng)絡(luò)，并由5G工業(yè)基站連接到現(xiàn)場(chǎng)I/O進(jìn)行控制，即PLC-5G工業(yè)基站-I/O-執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行，PLC-安全I(xiàn)/O控制下無斷鏈告警，業(yè)務(wù)可不間斷運(yùn)行7×24h；

（5）測(cè)量網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可靠性要求達(dá)到業(yè)務(wù)單向[email protected]%，也即網(wǎng)絡(luò)雙向[email protected]%，要求至少達(dá)到30萬包的Ping包測(cè)試量，Ping包間隔及大小同PLC-I/O實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

4.3　毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男Ч治?/strong>

實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)室Ping包測(cè)試如圖5所示。

（a） 實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)ping包時(shí)延區(qū)間統(tǒng)計(jì)表

（b） 實(shí)驗(yàn)室ping包時(shí)延散點(diǎn)分布圖

圖5 實(shí)驗(yàn)室Ping包測(cè)試圖

經(jīng)過連續(xù)10天的ping包業(yè)務(wù)拷機(jī)測(cè)試：

（1）業(yè)務(wù)丟包率為0%；

（2）RTT平均時(shí)延為8.092ms；

（3）網(wǎng)絡(luò)RTT雙向時(shí)延可靠性[email protected]%；

（4）網(wǎng)絡(luò)RTT雙向時(shí)延可靠性[email protected]%。測(cè)試結(jié)果：網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到預(yù)期效果。

表2 展廳焊裝車間組網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表

展廳產(chǎn)線Ping包測(cè)試如圖6所示。

（a） 展廳網(wǎng)絡(luò)ping包時(shí)延區(qū)間統(tǒng)計(jì)

（b） 展廳網(wǎng)絡(luò)ping包時(shí)延散點(diǎn)分布圖

圖6 展廳產(chǎn)線Ping包測(cè)試圖

經(jīng)過連續(xù)7天的ping包業(yè)務(wù)拷機(jī)測(cè)試：

（1）業(yè)務(wù)丟包率為0%；

（2）RTT平均時(shí)延為8.055ms；

（3）網(wǎng)絡(luò)RTT雙向時(shí)延可靠性[email protected]%；

（4）網(wǎng)絡(luò)RTT雙向時(shí)延可靠性[email protected]%。

測(cè)試結(jié)果：網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到預(yù)期效果。

測(cè)試結(jié)論：本次通過實(shí)驗(yàn)室與產(chǎn)線真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境相結(jié)合，對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)做了充分的測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)論如下：

（1）在開啟DS幀結(jié)構(gòu)、FRER雙發(fā)選收的情況下，端到端時(shí)延16ms的可靠性可以達(dá)到99.999%以上，從而滿足WDT=24ms的業(yè)務(wù)要求；

（2）從業(yè)務(wù)測(cè)試來看，在C2IO業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，CT=8ms、WDT=24ms的業(yè)務(wù)配置，能夠滿足7×24h業(yè)務(wù)不間斷連續(xù)運(yùn)行；

（3）測(cè)試開始發(fā)現(xiàn)PLC回包中有超過1500字節(jié)的大包，導(dǎo)致業(yè)務(wù)不通，經(jīng)過定位發(fā)現(xiàn)模組不支持大包，移遠(yuǎn)通過版本解決，建議針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景，模組對(duì)MTU不要做限制。

4.4　毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)用的價(jià)值影響

本文研究了5G通信網(wǎng)絡(luò)在高端裝備中毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了其效果及在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的適用性。5G通信網(wǎng)絡(luò)采用分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多小區(qū)部署，能實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠性和大容量，提高了控制系統(tǒng)性能。在未來研究中我們可進(jìn)一步優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足不同需求。明珞、移動(dòng)、中興在控制產(chǎn)線的各個(gè)方面發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，他們通過測(cè)試應(yīng)用，將融合5G技術(shù)和工業(yè)解決方案落地，在技術(shù)創(chuàng)新上帶來了巨大的價(jià)值影響。毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)為離散制造行業(yè)帶來了創(chuàng)新的解決方案，幫助了企業(yè)應(yīng)對(duì)痛點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求，推動(dòng)了行業(yè)向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了降本增效，優(yōu)化了資源利用，為制造行業(yè)帶來了更好的質(zhì)量和更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，引領(lǐng)了行業(yè)革命性變革。

5　總結(jié)與展望

綜合以上研究成果，我們對(duì)高端裝備中的毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)與5G通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯颗c應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，并通過分析高端裝備的工作環(huán)境和任務(wù)需求，引入了5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。我們發(fā)現(xiàn)5G技術(shù)在優(yōu)化高端裝備制造產(chǎn)線架構(gòu)和提高產(chǎn)能方面具有巨大的潛力。在毫秒級(jí)高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的研究中，我們應(yīng)用了5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)車間工作站方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更高效、更穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，提高了產(chǎn)線的生產(chǎn)性能和生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和案例研究少，不具有說服力，需要進(jìn)一步驗(yàn)證方法和結(jié)論的可行性和有效性。我們計(jì)劃進(jìn)行充分的測(cè)試和驗(yàn)證以證明5G網(wǎng)絡(luò)可以滿足關(guān)鍵業(yè)務(wù)需求，通過此來消除項(xiàng)目部門對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力的顧慮。同時(shí)，我們將繼續(xù)現(xiàn)場(chǎng)的組網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，確保5G網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有系統(tǒng)無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高效流動(dòng)和共享，進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)數(shù)字化智能制造解決方案，為未來的研究和實(shí)踐提供更多的參考和借鑒。這些工作將為5G與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，將推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

★廣州市產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才集聚工程項(xiàng)目支持：廣州市創(chuàng)新領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)（合同編號(hào)：201909010005）。

作者簡(jiǎn)介：

姚維兵（1979-），男，湖北荊州人，碩士，現(xiàn)任廣州明珞裝備股份有限公司董事長(zhǎng)兼CEO，主要從事智能裝備關(guān)鍵核心技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 施耐德電氣. 5G+PLC深度融合解決方案白皮書[R/OL].

[2] 5G工業(yè)應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室. 5G工業(yè)應(yīng)用白皮書[R/OL].

[3] 5G工業(yè)應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室. 5G在工業(yè)控制領(lǐng)域深度應(yīng)用實(shí)踐白皮書[R/OL]. 2023.

[4] 西門子. 西門子工業(yè)5G全連接工廠[R/OL].

[5] 中國信息通信研究院. 中國 "5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)" 發(fā)展報(bào)告[R/OL].

[6] 黎卓芳, 劉慧敏, 解博森. 5G高可靠低時(shí)延通信標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展[J]. 信息通信技術(shù)與政策, 2022 : 6.

[7] 楊永琛. 基于5G超實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)探析[J]. 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用, 2021 : 2.

[8] 趙芳菲. 面向5G的低時(shí)延高可靠通信關(guān)鍵技術(shù)的研究與仿真[D]. 北京: 北京郵電大學(xué), 2018.

[9] 張麗, 秦凱遠(yuǎn). 基于局域?qū)Ｓ镁W(wǎng)的控制系統(tǒng)接入5G網(wǎng)絡(luò)的解決方案[J]. 冶金自動(dòng)化. 2020.

[10] 周永翔. 基于5G的行業(yè)應(yīng)用發(fā)展研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息. 2019.

[11] 王樂根, 張軍, 施志鴻. 5G超可靠與低時(shí)延通信性能指標(biāo)與其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國新通信. 2020.

[12] 白申義, 余高旺. 基于有線和5G通信的精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù), 2021 (4) : 13 - 15

[13] 董娜, 陳弈, 黃安立, 等. 基于5G通信的焊接設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電焊機(jī). 2022.

[14] 郭琪. 基于5G通信的大規(guī)模無線傳輸技術(shù)探討[J]. 信息記錄材料. 2021.

[15] 邢秀靜. 面向5G超實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究[J]. 中國新通信. 2018.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊