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在提及現代工業的轉型標志時，管理學之父彼得·德魯克曾用“朝向自動化就是朝向進步”來定義未來工業的演進形態。這一論斷，在輔以智能化、網絡化為主要特征的工業4.0時代到來后，也變得更具說服力。隨著數字化浪潮蓬勃興起，機械化的工業制造環節正朝著高效、精準、智能、柔性、協同的趨勢轉變，進而催生著工業系統的蛻變。
同時作為工業生產的核心環節，工業控制的角色也在工業數字化轉型的背景下占據愈發重要的位置。尤其是在擁有高速度、低時延和大帶寬特性的5G網絡出現后，融合邊緣計算、大數據、人工智能等技術，并與人、機、物、系統等全面連接，成為工業企業實現降本、提質、增效、綠色、安全發展的新助力。
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5G+工業互聯網現狀
然而在工業自動化領域，并沒有很多原生5G的產品，需要工業廠商在產線額外加入一些連接設備，來實現與5G的連接。另外一方面，目前在工廠網絡中，5G更為廣泛地應用于ERP、MES、SCADA這些層級較高的系統層，很少進入到更加深入的PLC控制領域，包括邏輯控制，過程控制、運動控制，雖然有線連接為PLC提供了穩定時延的通訊，但由于工廠有很多產線及機臺，涉及到很多臺PLC，而每一次產線調整，尤其是柔性制造產線進行，布線和程序調試的工作量都非常大。
這些短板的存在，也讓PLC更為迫切地尋求著5G無線網絡融合的契機。施耐德電氣高級副總裁、全球供應鏈中國區負責人張開鵬向記者表示，5G有著廣泛的應用場景，施耐德電氣希望以5G+PLC作為一個范例，讓整個行業、社會更多地認識到5G帶來的革命性，以推動整個產業生態圈的建設。
在此背景之下，在剛剛結束的2023中國國際工業博覽會上，施耐德電氣攜手中國信息通信研究院、中國聯合網絡通信集團有限公司聯合發布《5G+PLC深度融合解決方案》白皮書（以下簡稱“白皮書”），首度分享了其在國內多家工廠進行的5G+PLC產線改造實踐方案，為業界提供了5G+PLC賦能行業數字化轉型的可行思路，并闡述5G+PLC在離散制造業的應用，涉及產線設計到運維全生命周期中的5G網絡規劃、部署、運維及性能要求，同時輔以應用詳解，“以線帶面”地展示了5G為制造業生產模式帶來的深刻改變，以此推動未來工業領域變革。
在為白皮書撰寫的序中，中國信息通信研究院院長余曉暉指出，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，受到了產學研用各方高度關注，其實踐正逐步從物流控制等生產外圍輔助環節應用向生產控制等核心環節應用深化拓展。
然而，要真正發揮5G 技術的價值，使其成為實體產業高質量發展的推動力，就迫切需要與實體經濟融合應用創新，需要與工業領域的運營技術（OT）深度融合、與工業自動化體系相融合。
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5G原生能力為工業控制領域變革添動能
伴隨工業柔性化生產的需求越來越多，工業領域自身更新換代逐步加快，以離散制造作為制造業的典型代表，經受工業數字化的洗禮，不斷邁向“定制化柔性產線”、“OT/IT網絡緊密結合”、“新型融合的工業自動化體系”：首先，分段式工藝給生產過程中根據不同需求定制化生產帶來了可能，工業柔性化生產需求進一步增長；其次，精益化生產使得離散制造企業更加需要通過OT與IT的融合網絡來實現現場生產要素數據到企業管理側數據的流通和共享；最后，復雜的傳統組網結構正向工業4.0時代的端邊云三層架構發展，MES、SCADA、ERP在邊緣計算節點或工業云上協同部署成為業界趨勢。
（圖：工業3.0至工業4.0的工業自動化體系架構演進）
在這些趨勢下，工業控制領域正經歷著一場革命性變革，新一代網絡架構要求設備端與邊緣計算節點之間的網絡通信具備提供大帶寬、低時延以及時延確定性的能力，這些正是5G的原生能力：柔性生產方面，5G網絡低時延、高可靠、強安全的特性可支持柔性生產場景下OT網絡通信的無線化訴求。扁平化網絡架構方面，5G使能各類工業生產設備進行扁平化通信。同時，5G網絡天然提供全域一張網的能力，結合5G LAN特性的二層接入能力、5G網絡切片對網絡資源的靈活調配，完美契合離散制造企業OT網絡與IT網絡扁平化融合的發展趨勢。
03
5G+PLC深度融合破除5G落地工業的“水土不服”
工業控制是工業生產的核心環節，5G+PLC的深度融合將為制造業生產模式和生產形態帶來革新。隨著5G技術的不斷演進，R16關鍵特性的引入，5G可靠的低時延能力使得5G使能PLC控制領域，即支持PLC南向通信逐漸成為了可能。
注：PLC與現場設備的連接稱為 PLC 南向通信
（圖：PLC南向設備連接示意圖）
值得注意的是，在生產現場，5G 承接 PLC 南向通信，意味著 5G 需要承接工業 OT 網絡和各類工業協議。因此，5G 需要支持二層組網，即 5G 終端和 5G 網絡需要支持 5G LAN 功能。在邊緣集中部署層，除了主 PLC 以外，還有與其連接的 5G 核心網以及邊緣服務器 MEC 。以上設備均在同一物理位置，其連接方式為網線或光纖。
據悉，在工業制造現場，由于最靠近底層的工業設備是以PLC為代表的工控系統軟硬件，它通常作為重要的底層控制部件應用出現，以實現工業設備的具體操作與工藝控制。由于涉及到許多設備的精準配合，因此對時延的控制與誤差要求非常高，這也使得長期以來，控制系統與采集單元的連接都常常采用有線的方式，而無線網絡不在考慮之中。
基于以上因素，白皮書從工業產線初期分析調研開始，至全面落地進行生產，提供了一個全面的5G+PLC深度融合的工業產線的解決方案，涵蓋系統架構、5G+PLC應用場景分類、5G網絡規劃/部署/運維及性能要求等多個層面的信息。
在系統架構層面，白皮書將5G+PLC典型系統架構分為現場接入設備、邊緣集中部署和上層承載應用三個層級，如下圖所示：
（圖：5G+PLC工廠級系統架構）
此架構承襲了傳統PLC控制架構，盡可能地做到了對控制程序編寫人員和設備制造人員的無感化，降低了其實施的難度，提高了便捷性和可復制性。
在場景層面，白皮書將5G+PLC應用場景歸納為四類：邏輯控制場景、過程控制場景、運動控制場景和外部設備。我們知道，日常生活中，消費者會根據自己的需求訂購手機卡套餐，有的對流量有較高要求，有的需要更多的通話時間，有的需要更高的網速……工業場景與之類似，四類不同場景中的設備和機器也有自己的通信要求，比如視頻傳輸類設備需要更大的帶寬，控制類設備則更加關注時延穩定性。
施耐德電氣認為，此架構將使未來云、邊、端更加扁平化，現場設備也更加智能化，從而更好地利用云端和邊緣端的算力，使得產線的開放性更高，成本更低，用戶的選擇也更多，最終讓控制系統能用在成本更低的控制設備上。
在中國信息通信研究院副院長王志勤看來，一方面，5G+PLC打破了傳統PLC比較封閉的工業體系，令其架構更加開放；同時，過去的PLC從一個多層級的線程網絡，變成了目前三層的扁平化架構。施耐德電氣在5G+PLC領域的探索突破，為5G能夠進入到工業的核心控制環節發揮了非常關鍵的作用。
在運維層面，為滿足不同場景的網絡需求，中國聯通除提供定制網能力外，同時提供5種標準化網絡產品，通過“基礎網絡+增值業務”方式提供快速高效建網能力。
然而，在5G這種全新的通信技術和工業控制架構深入融合的過程中，難免也會出現各種“水土不服”：其一是CT和OT的性能標準的不一致性；其二是相比于設備有線直連的極低時延，基于5G無線網絡的設備接入會帶來生產效率上的損失；其三是網絡的不穩定性會給部分機械運動設備帶來安全隱患，而生產安全是工業制造的第一要務。
這些問題將依賴于工業企業、通信企業和基礎電信企業的相互配合，共同完善彼此兼容的方式，設計新的電氣/機械安全架構，產線設計工具和配套方案，保障工業5G專網穩定可靠運行，從而為工業行業用戶提供真正具備價值的專網服務。
04
5G+工業互聯網應用逐步成熟
5G是驅動工業互聯網發展的關鍵技術，工業互聯網是5G規?；瘧玫闹麝嚨?。目前我國正積極發布5G產業政策的支持引導，尤其是隨著工信部《5G全連接工廠建設指南》的發布，業內認為，這終將推動5G由生產外圍輔助環節向核心控制環節深化拓展。同時，5G新版本標準和新技術的持續迭代，也會加快IT和OT在工廠控制層面進行深度融合，提高生產過程的柔性和透明性——通過5G在工廠的全覆蓋，最終助力制造業提質、降本、增效。
作為全球能源管理和自動化領域的數字化轉型專家，施耐德電氣基于自身在精益生產、綠色智能制造和OT技術領域的豐富經驗，在5G的工業應用場景上做了大量的研究和實踐，助力5G全連接工廠建設，為踐行未來工業領域變革踏出了探索性的第一步。
據了解，自2019年起，施耐德電氣在位于無錫和廣州的工廠部署5G網絡，并進行了大量的性能和安全測試，提出了5GC（5G 核心網）全下沉，分散部署，集團統一管理的架構和運維模式。同時，施耐德電氣也在2022年開始落地5G多園區專網方案，遍布全國二十幾家智慧工廠和物流中心，實現網絡統一標準，應用快速復制和管理統一集中。在未來的工廠場景中，施耐德電氣工廠還可將5G與VDI PAD結合的技術應用在質量控制、維護保養、遠程培訓等場景中，可大量降低硬件和運維成本約50%，實現資產輕量化的目標。
END
總的來看，目前5G+PLC也在進一步拓展其應用的行業，以進一步加深應用深度，未來5G新版本標準和新技術將會加快IT 和OT在工廠控制層面的深度融合，同時，越來越多的傳統自動化廠家也在積極擁抱ICT新技術，共同解決工業企業在數字化轉型過程中遇到的實際難題。作為5G工業應用的積極踐行者，施耐德電氣將結合自身的成功經驗與業界共同推動產業數字化進程，共享數字技術帶來的紅利。
編輯：黃飛
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工商網監
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