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5G和 5G演 进：工 业 控 制应用场景白皮书 施耐德电气与华为联合出品 2 1 工业控制领域关键技术趋势 4 柔性生产 5 扁平化架构 6 少人化无人化控制 7 开放自动化 7 2 5G和5G演进 8 3 离散制造行业的柔性生产 10 多品种小批量离散制造工厂的5G柔性产线 11 4 起重运输的少人化无人化控制 14 钢厂5G无人行车应用 15 5G塔式起重机远程控制 18 基于5G的立体仓储应用 20 5 运动控制场景的无线化 23 基于5G的运动伺服控制系统 24 6 OT和IT网络融合 26 基于5G的发动机生产线MES数据采集系统 27 基于5G食用菌工厂化种植 29 基于5G单晶硅拉晶车间集中监控 31 7 广域工业控制系统的无线物联 33 基于5G的水利行业应用 34 基于5G的无人值守配电站应用 38 目录 CONTENTS 3 截至2021年4月，全球已经部署超过160个5G网络，全球5G终端连接数接近3亿，5G行业数字 化项目达到5000多个 1 。中国的5G发展尤其令人瞩目，2020年中国累计建成5G基站将近72万座，实现了 重点区域的连续覆盖，5G终端连接规模全球占比超过了85% 2 。全球5G核心专利，有34%被 中 国 企 业 掌 握，位 列 全 球 首位 3 。根据2021年全国工业和信息化工作会议信息，2021年中国将新建60万以上的 5G基站，以继续巩固全球领先的优势，涉及的产业规模增幅或将超过2020年。 5G给工业制造领域的基础网络升级带来了巨大的机遇，但同时5G赋能行业应用依然面临巨大的挑战。一方面，面向 千行百业不同类 型的应 用场景，5G在 上行能力、低 时延、确定 性和 精准 定位 等方面依然 存 在 不足，为此，5G兑 现 现有 能 力 的 同 时，也 需 要 持 续 演 进 。2 0 2 1 年 4 月 2 7 日 3GPP正式定义了 5G-Advanced（ 5G演 进）， 5G-Advanced将为 5G定 义新的目标和能力，通过5G全面演进和增强，使能5G在更多行业应用领域的价值。另一方面，随着5G行业数字化项 目的全面开展和持续深入，需要发掘更多具有推广价值且适合5G的应用场景，充分发挥5G作为ICT基础网络和信息 化高速公路的价值和优势。 秉持着“推动新技术在工业领域的应用，以此来推动企业的数字化转型”的公司战略核心，施耐德电气凭借自身在工 业领域的丰富经验，基于自身业务发展方向，通过场景分析甄选出10个5G在工业控制领域的应用场景，涵盖了工业 智能制造、起重制造、市政水务、仓储物流等诸多领域。基于工业控制领域的趋势方向，将这十个场景分为五大类：离 散制造行业的柔性生产、起重运输的少人化无人化控制、运动控制场景的无线化、OT和IT网络融合以及广域工业控 制系统的无线物联，并针对每个应用场景的行业趋势，典型应用场景，技术要求及挑战，以及应用5G的驱动力四个方 面给出了解读。 2020年是不平凡的一年，新冠疫情席卷全球的同时也加速了企业数字化发展的节奏， 5G赋 能 实 体 、造 福 社 会 、服 务 人民的重要作用不减反增，并日益成为支撑经济高质量发展的重要驱动力量。施耐德电气希望发挥自身工业领域的 优 势，进 一 步拓展 5G、自动化及智能制造与工业应用场景的结合，让更多的企业分享5G带来的数字化红利，推动企 业的高质量发展。 前言 1 3GPP第46次PCG会议，北京，2021.04 2 上海世界移动通信大会，上海，2021.02 3 5G专利竞赛的领跑者IPLytics专利报告，2021.01 4 01 工业控制领域 关键技术趋势 5 1. 柔性生产 上世纪10年代，人类开创了流水线刚性生产的工厂生产 新模式，降低了单位产品的生产成本，使得一些昂贵的消 费品向大众普及。然而，随着人口基数不断上涨以及中产 阶层不断扩大，产品的个性化正成为消费的主流，作为以 快速和多样化为特点的柔性生产在制造业中扮演的角色 愈来愈重要。 柔性生产满足定制化产品需要，5G 使能更可靠的无线OT网络。 相比较刚性生产，柔性生产能够快速切换生产线，有着 灵活满足客户定制化要求、极大缩短生产周期等优点。 柔性生产有着不同的实现方式和粒度，例如柔性制造单 元可在同一条产线适配多种产品生产，柔性产线可基于 不同订单进行产线快速调整。基于柔性生产，工位的全无 线化将带来更大的便利性，包括电和气的快速插拔模式 以及通信的无线化。在核心生产环境的OT网络引入无线 化后，5G网络对比Wi-Fi的可靠性、低时延和大联接优势 将得以体现，使得无线化的优势能够在规模商用的场景 中兑现价值，更好的促进柔性生产发展，增强企业市场 竞争。 6 图1. IT+OT扁平化架构与 IT+OT+CT全扁平化架构对比 2. 扁平化架构 当前工业控制系统以传统的五层架构为主，即企业层、管 理层、操作层、控制层和现场层。工业控制系统内的各生 产线之间相互独立，生产数据由控制器上传到上层的IT 网络后集中处理，这种架构下会导致上层的IT网络难以 触及现场层的生产系统，大量生产数据沉淀、消失在工 业控制层，不能被进一步利用，此外也导致生产线之间 无法进行深度协同。因此使能IT网络与OT网络之间的全 域数据流通成为了工业控制网络的发展趋势之一。 工业控制网络扁平化框架逐步发 力，5G使能更便捷灵活的全域扁 平化架构。 当前业界领先企业已逐步采用OT+IT扁平化的网络架构， 相较于传统的五层工控网络架构，扁平化网络架构的优 势在于原有五层架构下的工业设备之间都可以通过网关 相互连接，实现网络联接与控制逻辑之间的解耦，同时 也实现了预测性维护数据流的从下至上的打通。基于有 线网络实现扁平化架构受限于组网配置与有线网关端口 的物理绑定，难以适应灵活快速的调整，且实现全域的 扁平化架构配置较为复杂。5G支持终端基于无线方式接 入，天然提供全域一张网的基础架构，摆脱了物理线路 和端口的绑定约束，可以灵活快速的进行组网配置等调 整。此外，相比于3G/4G，5G支持基于5G LAN特性的二 层接入，可方便的进行OT和IT网络的扁平化融合，基于 5G的切片功能还可进一步实现单个设备中的多个业务承 载于不同VLAN的能力。基于这些功能，5G可以更便捷的 使能全域扁平化架构，使得工厂IT网络与OT网络间信息 能更灵活的流转，最大程度地满足高层级系统向现场层 延伸的需求，实时回传用于优化生产的数据。 当前架构 IT+OT+CT全扁平化架构5G 3. 少人化无人化控制 自动化一直是工业发展的核心，也是未来工控领域发展 的 方向，云 计算 、 5G等新技术正在加速这一趋势。 少人化无人化提升生产效率，5G使能 远程控制促进少人化无人化发展。 随着中国人均收入不断上涨，制造业人力成本持续攀升， 生产过程中少人化的作用逐渐显现。少人化无人化的目的 不旨在削减人员数量，而是通过少人化无人化途径减少 可重复工种、低附加值或者从事危险性工作的人员数量， 并培训被削减的人员，使其适应更高附加值的岗位来为 企业创造更大价值。煤矿、钢铁水泥等流程制造行业和港 口、建筑、冷库等行业的少人化无人化诉求主要体现在起 重运输应用，例如钢铁厂利用远程控制行车，无人化行车 实现物流分拣的全流程自动化。这类应用过去通过光纤 或者 Wi-Fi连接实现远程操控，但光纤的部署距离长、成 本高， Wi-Fi可靠性不高且室外场景覆盖距离受限，故 5G 正逐渐进入这类应用场景，提供灵活可靠的无线联接。 4. 开放自动化 在工业互联网和数字化转型的浪潮下，工业领域正在 经历一场颠覆性变革，工业体系和互联网将进行深度融 合。得益于机器学习、增强现实、实时分析和工业物联网 （ IIoT）等各类技术的进步，工业企业和制造商将有望满 足当前这个时代对敏捷和数字化的需求。然而，在企业实 现工业4.0愿景的过程中，各类封闭的专有自动化平台对 效率形成一定障碍，不利于多元自动化系统集成，而且升 级和维护成本高昂。工业领域一直因缺乏适应性、模块 化和互操作性而备受困扰，同时这些问题也阻碍了行业 创新。 作为全球能源管理和自动化领域的数字化转型专家，施 耐德电气推出以软件为中心的 EcoStruxure TM 开放自动化 平台，同时呼吁业界广泛采用开放自动化标准，激发行业 协同创新，以提高效率、生产力、灵活性和可持续性。 开放自动化基于 IEC61499标准的“即 插即生产”自动化软件组件组成的系 统， 5G助力更灵活的分布式部署。 开放自动化采用 IEC61499事件驱动、开放的自动化工程 设计和分布式部署，可实现将自动化应用程序与硬件分 离，使用一种建模语言来设计多种工业边缘应用实现原 生的 IT/OT融合，真正实现以资产为中心自动化。结合 5G 高带宽、低时延。 7 8 02 5G和 5G演进 2015年6月，ITU定 义了5G应 用的三 大 领域，即增强 型移 动宽带( eMBB) 、大 规 模 机 器 类 通 信 ( mMTC)和高可靠低时 延通信( uRLLC)，确定了5G通信技术的服务对象从传统的 人与人通信拓展到人与物、物与物通信。5G演进是对5G 场景的增强和扩展。增强针对的是ITU定义的三大标准场 景，即 eMBB、 mMTC和 URLLC。引 入 REDCAP增加终端 类型，满足 mMTC场景下宽带物联对多样化终端的要求； 增强可 靠性低 时 延能 力，使得 5G能规模进入工业控制领 域 。扩 展 针 对 的 是 UCBC上行超宽带、 RTBC宽带实时交 互和 HCS融合感知通信三大新场景。 Huawei Confidential1 eMBB 增强移动宽带 mMTC大连接物联网 URLLC超高可靠超低时延通信 Reliable Latency IIoT NB-IoT Mobile Video FWA 9 5G商用部署后确实实实在在地改变着既有的生活方式和 生产方式。面向人类生活，基于5G的移动互联网覆盖更 好、速度更快、时延更低，资讯的获取更加便利和快捷， 业务体验更加个性化。面向企业生产， 5G网络的引入，从 解放双手、解放双眼，到未来逐步解放大脑；无人矿山、 随时随地气象云图高清监测、河道污染监测等等，5G不 仅改变了生产方式，也进一步解决了生产力。 然而要达到万物物联的目标， 5G的能力依然需要不断的 演进和增强，才能够迸发出强大的生命力，实现产业的可 持续发展。2021年4月，3GPP基于5G持续演进考虑，正式 确定 5G-Advanced为5G演进标准名称， 5G-Advanced将 从 R18开始， R18版本将在年底立项，预计2023年底标准 冻结 4 。 图2. 3GPP推出新标准 5G-Advanced（ 5G演进） 3GPP将启动5G-Advanced的内容定义，或在 5G基础上 扩展3大 新 场 景，包 括 UCBC上 行 超 宽 带 、R TBC宽带实时 交互和 HCS融 合感 知 通 信，并 继 续 增 强 原 有三 大 标 准 场 景的能力，即 eMBB、 mMTC和 URLLC。对 于 工 业 控 制 应 用场景， URLLC的持续增加将进一步降低时延提升可靠 性，从而更好的满足智能制造对联接的需求，特别是运动 控制的要求。 UCBC将持续增强大上行能力，随着工业制 造场景数据采集需求的增多，数据采集频次的提高，视频 类应用的广泛使用，UCBC将发挥越来越重要的作用。而 随着 5G逐渐进入工业内网，将会有越来越多的设备 通过5G网络联接，海量物联的需求也将促进mMTC的持 续增强。 4 3GPP第46次PCG会议，北京，2021.04 5G和 5G演进5G 5G eMBB Mobile video FWA mMTC NB-IoT URLLC Reliable Latency IIoT AI - Spectrum (100GHz) 5G-Advanced(5G演进) eMBB Mobile video FWA mMTC NB-IoT RedCap RTBC 宽带实时交互 XP-pro 全息 URLLC Reliable Latency IIoT-Adv UCBC 上行超宽带 HD视频回传 机器视觉 HCS 通信感知融合 Positioning V2X 10 03 离散制造行业 的柔性生产 柔性生产意味着制造产线需要灵活的调整，从而驱动 端侧设备从有线走向无线化。无论是少品种多批量还 是多品种小批量离散制造，制造单元的无线化都会对 柔性生产带来一定的价值，针对多品种小批量离散制 造工厂的场景无线化价值更为突出。 11 1. 多品种小批量离散制造工厂的5G柔性产线 行业趋势 离散制造行业中，面向行业客户的机械、装备、工业用品等 产品的制造多为多品种小批量的生产模式，而面向最终消费 者的汽车整车、 3C等产品的制造多为少品种大批量的生产 模式。随着工业生产模式逐渐走向以最终客户需求为导向， 智能制造特别是多品种小批量离散制造正从 MTS（ make- to-stock，备 货 型 生 产），走 向 M T O（ make to order， 按单生产）以及 ETO（ engineer to order，按 订 单 设 计），柔 性 制造单元已广泛的应用在多品种小批量类离散制造行业， 单工位具有适应加工多品种产品的灵活性，典型应用包 括机器手臂可根据不同的产品加工更换不同的夹具，测 试机柜兼容多种不同产品的物理接口等。柔性制造线实 现生 产线级 别的柔性化，其技术已日臻成熟，正 逐步应 用到多品种小批量的离散制造行业。柔性制造线还在进 一步演进，进行多条产线的制造单元之间柔性化组合， 形成工厂级的柔性生产。 12 图3.柔性产线示意图 典型应用场景 多品种小批量离散制造工厂的组装产线为当前柔性产线 的典型应用场景。以施耐德电气无锡普洛菲斯工厂为例， 该工厂可生产10000+产品类型，接受1pcs产品订单，并提 供PO（purchase order）+ 1day出货能力。为了满足这种 多品种小批量的需求以及快速的客户需求响应，普洛菲 斯工厂已部署近50条组装产线，然而一方面工厂生产区 域利用率已达极致，另一方面多个组装产线常年处于负 载不均衡的状态，生产效率并未充分优化。 在这种多产线负载不均衡场景下，基于柔性的解决方案 能最大化生产空间利用效率。以一个产线区域为例，传统 方式仅能支持一类产品生产从而导致负载不足，而柔性 产线可根据不同类型产品的订单重新对产线进行组装， 即可按照不同类型产品的工艺要求重新分配并部署不同 类型的组装工位，从而重新组成一条新的产线。这样的 柔性可在不同类型产品生产过程中实现时间复用，从而 达到该产线区域的利用率最大化。 传统柔性产线 无线柔性产线 应用5G的驱动力 对比有线组网，通过无来支持柔性产线的多工位联接 具备更高灵活性。在产线调整过程中， IT人员不需要介入 进行配置调整，产线员工不需要进行网线插拔和检测工 作，可以做到网络联接的完全柔性化。 对比Wi-Fi网络， 5G能提供更高的可靠性、更多终端的联 接能力以及更低的时延。从而更好的承载 OT网络的控制 信令 通信，支 持更 多的产线 设 备直 接 基 于 5G接入网络。 1. 灵 活 快 速 的 通 信 配 置： 基于柔性 产线，所有的工位 都成为移动性工位，每个工位原有的基于有线网络 的连接面临较大挑战，例如随着工位物理位置的变 化，需 要连 接的有线网关 是不同的，需 要连 接的 的 端口的VLAN等配置是不同的，这些配置需要IT人员 在每次产线调整过程中介入进行相应的配置调整。 2 . 无线通信的高可靠性和低时延： 基于柔性化产 线，PLC集中化也会被更为广泛地应用，而PLC集中 化会导致PLC和IO设备的工业总线RT（Real-time） 通信承载在无线网络上，而工业总线对可靠性、 时延的要求都较高，可靠性通常需达到99.99%及 以上，基于不同的应用，时延要求从50ms到低至 10ms不等。 3. 气和电的便捷连接： 产线柔性化设计也需要考虑电 和气的连接的“无线化”，例如利用快插接头实现简 单灵活的连接操作。 13 技术要求和挑战 柔性产线在重新组合的过程中应该做到对操作人员技能 要求的最低化，即在重新组合过程中不需要其他技术人 员的介入和投入，基于这样的要求，柔性产线的设计具有 一 定 的 技 术 要 求 和 挑 战，包 括： 14 Life is On | 施耐德电气 04 起重运输的 少人化无人化 控制 起重运输行业具有一定的共性，工作环境危险或恶劣、 工作重复性高、招工日益困难等因素驱动着起重运输 向少人化无人化的远程控制方向发展，而使能远程控 制驱动着端侧设备无线化。 15 随着智能行车库区管理系统的发展，行车操作人员和地面 管理人员不再需要在库区内进行现场生产管理，部分人员 会在中控室对生产进行监控和管理。基于这种方式，大量 生产数据和视频画面信息需要回传到中控室，对网络的带 宽和稳定性提出了更高要求。同时，为方便物料搬运管理， 自动化移动设备正在增多，也推动部署无线网络的诉求 增多。 1. 钢厂5G无人行车应用 行业趋势 钢铁行业作为一个劳动密集型的行业，大量的岗位依 靠人工，尤其是在库区内。人员长时间疲劳作业，安全 隐患高，效率低。随着数字化和信息化技术成熟，智能 化的库区综合管理系统实现了 IT/OT融 合，使 库区 离 散 化的信息实现了互联互通。库区智能化发展经历了2个 阶段： 阶段一： 基于 CLTS（ Crane Location Track System） 的库区管理系统，即库区投入数字化的仓库管理系统 WMS（ Warehouse Management System），再 通 过 行车的手动吊运完成生产作业，解决了库区内物料信 息需要大量人员手动维护的问题。 阶段二： 基于智能行车的库区管理系统，即在投入 WMS系统后，对行车的自动化进行智能化改造，使整 个库区的作业实现完全无人化，解决了 CLTS系统行车 还需人员操作的问题。 16 典型应用场景 钢铁厂热轧车间的板坯库是无人行车应用的典型场景。 以某钢铁厂为例，为满足其计划年产450万吨新建工程， 拟在板坯库设计并建设一套无人全自动行车控制系统 IACS（ Integrated Autonomous Crane System），对 库 内 复杂的物料进行有效管理，提高物流流通效率，实现对库 图4.5G+IACS 无人行车架构 IACS无人行车 5G+IACS无人行车 内行车吊运环节的信息化与自动化，保证物流与信息流 的一致性。这既做到了减员增效，又大大减少了物料流转 过程中人工失误的概率。 17 1. 控制信号的优先级配置或隔离： 基于传统的工业 Wi-Fi的方案，考虑无人行车的安全性和可靠性，将 部署两套Wi-Fi，一套用于自动化控制，另一套用于 CCTV（Closed-Circuit Television）远程监控，通过 这样的方式隔离了控制和监视的通道，避免网络通 道占用而影响控制信号的实时性。 2 . 无线通信的高可靠性和低时延： 行车作为特种生产 设备，对无线网络质量的要求也较高。当行车吊运板 坯移动时，不稳定的网络将造成行车急停，产生极大 安全隐患。同时在地面突发安全事故前，需要在库 区内或中控室快速中止行车运行，确保在事故发生 前停止行车运行，避免更多事故发生。基于这样的业 务诉求，中控室PLC与行车PLC之间通信时延应小于 50ms，连续丢包小于3个，平均丢包率小于1%。紧急 制动IO与中控室安全PLC之间时延要求10ms。 3 . 较高的上行速率要求 ： 行车视频摄像头通常有24 个，用于特殊情况下的远程操控，故单个无人行车 上行带宽速率要求达到10Mbps以上。 技术要求和挑战 行车作为钢厂生产车间的主要搬运设备，安全性和可靠 性至关重要，其作业效率将直接影响产能。复杂的地面 情况给设备的运行带来很多安全问题，每年都会因行车 操作方面的问题，导致不同程度的事故，例如造成地面机 组设备损坏，甚至造成人身安全问题。通信网络作为行 车控制架构中的一部分，尤其是在无人行车库区管理系 统中，起到至关重要的作用，不仅关系着系统架构的灵活 性，还决定了整个项目的稳定性和安全性。基于这样的要 求，钢铁厂无人行车应用的通信网络具有一定的技术要 求 和 挑 战，包 括： 应用5G的驱动力 Wi-Fi网络作为成熟技术，已经在多个无人行车项目中投 入使用，也保障了项目的可靠运行。未来，5G作为一种可 替代Wi-Fi的技术方案，具有可控的干扰协同能力，更容 易实现无人行车系统方案的标准化以及现场快速部署。 此外，5G网络具有更佳的可靠性和低时延能力，基于5G 切片功能能支持一张网一套设备服务控制和监控两套系 统的要求，这些都更好的适配了无人行车应用的需求。 18 2. 5G塔式起重机远程控制 行业趋势 塔式起重机，是指机身为塔架式结构的全回转动臂架 式起重机，为大型土木工程建筑地盘内常见的运输工 具，通常约有10层楼高。塔式起重机的工作环境比较 恶劣，操作人员上下较困难。部分场景普通人员难以进 入，例如核电站修建维护起重机。此外，因工作环境较 差，塔机操作人员的技术要求较高，人员招工成本逐年 增高。这些原因都导致塔式起重机的远程控制正愈发 受到重视，也成为智慧工地发展的重用应用趋势之一。 图5.5G塔机应用场景架构 典型应用场景 大型土木工程建筑工地，会配置多台塔式起重机，每台塔 式起重机都需要配备相应的操作人员，且每台塔机都需 要多名操作人员进行轮班。远程控制改造后，每台塔机将 安装46个摄像头，并且所有的塔式起重机都可以和中 控室的控制系统连接，操作人员在中央操控室通过操作 台上的主控制器和按钮等操作元件操控起重机，通过视 频系统查看实际操作效果。操作人员可以任意切换其所 操作的起重机。起重机的状态全部反馈到中控室，通过 软件系统画面实时显示起重机的各种状态。 传统塔式起重机 远程操控制塔式起重机 19 技术要求和挑战 塔式起重机的远程控制具有一定的技术要求和挑战，包 括控制信号的远距离传输、低时延要求和视频数据的实 时传输。 应用5G的驱动力 大型土木工程建筑工地布署光纤用于远程操控难度很 大。Wi-Fi网络在室外环境的功率较小且干扰不可控，难 以提供较好的网络覆盖和高可靠性的无线连接。在这类 室外场景中，5G能提供更好的无线覆盖，此外利用5G切 片提供的虚拟专网，为塔机提供高可靠性和低时延的网 络能力，能更好的使能塔机的远程操控。 1. 较 高 的 上 行 速 率 要 求： 塔机视频摄像头通常有46 个，用于远程控制室辅助远程操控。每个摄像头要 求510Mbps的速率。 2. 网络的低时延能力： 地面IO（紧急停车）与PLC之间 时延要求10ms。远程控制室PLC与塔机PLC之间进 行心跳校验，时延要求为20ms，虽然考虑远程控 制室IO到塔机PLC之间的响应总时延实际可以接 受端到端100ms，但越短的时延对远程操控的体验 越佳。 3. 网络的高可靠性： 网络可靠性性至少需要达到 99.99%。 20 3. 基于5G的立体仓储应用 行业趋势 智能物流与仓储自动化已被列为我国重点发展的五大核 心智能制造装备之一，得到政府与制造企业高度重视，越 来越多的制造企业正在或准备实施智能物流建设项目。 实现智能物流系统与智能制造系统的互通互联、深度融 合成为不容忽视的课题。 随着自动化技术和信息技术在自动化立体仓储广泛运 用，立体仓储的发展呈现以下趋势： 1. 仓储作业管理自动化水平将会逐步提高，智能、 信息化技术将 获得更多应用； 2. 仓储作业向柔性化方向发展； 3. 立体仓储将更加依赖于网络的安全性和快速性。 21 图6.5G立体仓储架构图 典型应用场景 自动化立体仓储是当前仓储系统最典型和最先进的的 模式，又称为立库、自动化存取系统AS/RS（Automatic Storage&RetrievalSystem），其采用高层货架、立体 仓储，最大限度的利用仓库的横纵空间，提高仓库使 用率，采用托盘或货箱存放货物，使得货物破损率显 著降低，并使用WMS（Warehouse Management System） 、 WCS（Warehouse ControlSystem）管理 与控制堆垛机进行存取作业。 1. 外部 软件： ERP、MRP、WMS、WCS、其它软件。 2. 仓库管理系统： 入库管理、出库管理、库位管理、 库存调整、历史记录、物料查询。 3. 产线设备： 输送线、AGV、RGV、堆垛机、机器人、 信息显示屏。 自动化立体仓储要求系统全部实现机械化、自动化，节省 人力并提高作业效率，有效的利用仓库管理系统实现作 业过程的自动控制，并进行相应的信息处理。 立体仓储 5G立体仓储 其主要包含三大块软硬件设备： 22 技术要求和挑战 立体仓储在建设初期就应当考虑众多设备之间的互联互 通、数据交换等问题。尤其是在立库建立后，仓库犹如巨 大的屏障，阻止或降低Wi-Fi等无线信号的传输，因此一 个可靠有效的信号传输方式就显得尤其重要。 应用5G的驱动力 基于有线组网的立体仓储，存在大量的线缆部署，会有较 长的部署周期以及线缆成本。此外，立体仓储的堆垛机等 设备常年处于较高速移动过程中，对线缆的磨损也较大， 可能影响整个系统的稳定性。 基于5G的无线通信连接方式，能节省自动化立体仓储的部 署周期，且减少网络运维问题。5G网络的低时延和高可靠 性能力也能充分满足自动化立体仓储对网络的要求，更好 的支持各类移动性终端的操作。 1. 无线通信的覆盖能力： 立体仓储中所有设备均为金 属设备，金属设备本身就是一个屏蔽体，影响着立 体仓库中无线通信的覆盖。此外，立体仓储中的堆 垛机、RGV、AGV都是一直处于移动状态的设备， 确保信号在移动状态中稳定性就显得格外重要。 2. 无线通信的低时延能力： 立体仓储中的设备为全自 动化设备，从仓储管理软件接受到指令，到开始执 行指令，网络的时延对最终仓储设备的效率影响很 大，越低的时延越能提供更高的执行效率。 23 Life is On | 施耐德电气 05 运动控制场景 的无线化 运动控制( Motion Control)一直是 5G关键目标应用场景 之一，也 是5G 低 时 延 高 可 靠 性( URLLC Ultra-Reliable Low-Latency Communication)的需求驱动场景。 24 图 7. 未 来 可 能 的 5 G 运 动 伺 服 控 制 系 统 架 构 图 1. 基于 5G的运动伺服控制系统 行业趋势 运动控制是通过对机械运动部件进行实时的控制管理， 使各个运动部件协同的按照预期运动轨迹和规定的运 动参数进行运动。运动控制被广泛应用在制造、包装、印 刷、和各类装配工业中，可以说，运动控制是工业制造领 域应用广泛且高端的技术。运动控制场景中，伺服电机往 往伴随加工平台一起转动，电机的动力电缆和反馈电缆 不能360度转动，小范围的高速反复旋转也会导致线缆 易于损耗。故工业应用领域一直尝试用无线化技术来解 决运动控制的线缆部署问题。 典型应用场景 多数场景中，运动控制协同的运动部件通常在8轴以下， 这种场景可采用CANopen总线协议支持，8轴的总体控 制时延要求在4ms以下。目前也有越来越多场景要求协 同的运动部件在8轴以上，这种场景需要通过SERCOS 或EtherCAT协议来支持，往往要求的总体控制时延低至 1ms。其中，在灌装机、洗瓶机等场景中因为涉及大角度 转动，往往是利用滑环来进行运动参数的采集和命令传 送。由于滑环是接触性滑动连接，一旦接触不好就会造 成停机，动力线的偶发性异常可以利用电容进行保护，但 通信线路不具备保护措施，故对滑环要求很高，且实际使 用中故障率依然较高。所以从运动控制场景看，研究开发 基于CAN总线的滑环替代是无线化应用的第一阶段典型 场景。该场景的无线化，也可以使能伺服电机的组态柔性 连接。 5G运动伺服控制传统运动伺服控制 25 应用5G的驱动力 随着5G及5G演进技术的发展，5G将逐步提供4ms甚至 1ms时延的商用能力，此外5G已支持空口授时的功能， 5G的这些特性是Wi-Fi和4G网络无法提供的。基于这些 能力，针对滑环场景，5G未来可能提供比滑环更可靠的 网络联接能力，也可以使能伺服电机的柔性化组态。 1. 通信的时延要求高： 典型CANopen总线场景为8个 电机轴4毫秒，典型SERCOSIII总线场景16轴需达到 1毫秒。基于有线组网，电机轴的通信为串行方式 基于无线组网，电机轴的通信是并行方式，故针对 单终端，CANopen总线时延为4毫秒，SERCOSIII和 EtherCAT为1毫秒。 2. 终端授时和同步： 多轴电机需要同步协同，基于无 线组网也需要保证各个终端的同步性，故终端授时 功能成为必需。 3. 可靠性： 离散制造行业的运动控制可接受一定的故 障率，特别是滑环类场景因为滑环本身也存在一 定的故障率，但应保障不连续丢包，避免不必要的 停机。 技术要求和挑战 运动控制对网络的可靠性和时延性要求极高： 26 Life is On | 施耐德电气 06 OT和 IT网络 融合 OT和 IT网络融合已成为工业控制领域的确定性趋势。 基于无线网络架构承载 OT和 IT网络目前主要来自两个 驱动力，一是无线网络提供的更为灵活的扁平化架构， 另一个驱动力是新工厂或原工厂信息孤岛场景下，无线 网络提供更为快速的部署、更为简洁的网络。 27 1. 基于 5G的发动机生产线 MES数据采 集系统 行业趋势 随着生产过程的实时监控和设备状态实时管理的要求增 多，产线设备的各类信息都需要通过OT网络传递到IT网 络，并使用相关IT技术对生产过程进行赋能。现场数据 采集系统的实时性，正确性，以及采集方式的柔性化，成 为整个生产信息系统是否能正常运行的关键因素，扁平 化架构的优势和价值也逐渐在这类应用中得以体现。 图8.5GMES数据采集系统架构图 典型应用场景 汽车发动机生产线是典型的离散制造系统，包含缸体 线、缸盖线、装配线等线体，设备主要由数控机床等机加 设备以及在线检测设备组成。当前，汽车发动机的品种 越来越多，多平台、不同排量共线混流，一排量发动机 在不同批次下存在多种配置。数据采集系统作为基础功 能，实现对现场设备采集，为各功能模块的实现提供数 据 基 础，并为 数 控 程 序 提 供下 发 服 务。 数据采集系统 5G柔性数据采集系统 28 技术要求和挑战 为满足发动机缸盖生产线的特点以及相关信息系统对数 据的要求，发动机生产线数据采集系统有如下要求： 应用5G的驱动力 在生产信息系统中，数据采集是个基础功能模块。相对 于传统的有线加交换机以及Wi-Fi无线方案，5G数据采 集方案具备无线通信相关优点，可以更加灵活的在工 厂内部署数据采集点，支持更灵活的扁平化架构。同 时，5G还具有低延时、高速率和更高的连接密度等能 力，低延时能力使得通过无线方式采集数控机床的高频 率数据成为可能，更高的连接密度可以使能更多设备的 数据采集要求 。 1. 低延时要求： 数控机床的数据采集需要很高的采 集频率，例如主轴转速、负荷、特定坐标参数等，要 求从采集终端至内网服务器时延小于10ms。 2. 上行速率要求： 基于数据的高频率采集，完整的参 数采集会产生了大量上行数据，同时现场移动端 的应用需要上传相关音视频数据，因此对上行数 据有较高要求。 3. 可靠性要求： 高频率的关键数据采集要求网络数 据传输有较高的可靠性，丢包率要求小于0.1%。 29 2. 基于5G食用菌工厂化种植 行业趋势 随着经济的快速发展，民众可支配收入不断提高，对健康 饮食的要求日益提升，农业养殖行业正越来越多的采用 大范围规模化种植。以食用菌种植为例，市场对食用菌的 需求量快速增长，提高食用菌产量、优化食用菌品质，减 少生产中的损耗成为食用菌生产的重要目标。通过新型 食用菌工厂，采用科学培养方式来提升食用菌品质成为行 业的关键诉求，这样的新型工厂可以对栽培食用菌过程 （菌种的培养、溞菌的流程、菌菇的栽培等）的影响因素 进行全面收集，并通过AI大数据分析，持续改善设备控制 参数。 图9.食用菌工厂架构图 食用菌工厂 数据采集 5G食用菌工厂 数据采集 典型应用场景 食用菌工厂化种植是农业养殖规模化的典型场景。食用 菌工厂在几公顷范围内的多个房间内部署了大量不同类 型不同功能的设备。为了采集培养食用菌过程中使用的 各类设备的数据，需要将这些设备联网，主要采集一些过 程数据，比如温度、湿度等参数，以及工艺的配方等，并 基于这些收集的信息下发相应的控制指令。 30 技术要求和挑战 食用菌培养工厂存在大量传感器和控制器，有线组网周 期长成本高且灵活性差，基于 5G网络，一方面可以减少 前期光纤部署的大量施工时间，减少设计和网络验证成 本，另一方面可以使方案不依赖于环境因素，快速实现标 准 化 设 计。此 外， NB-IoT作为 5G的 一 个 技 术，可 以 提 供 低 功耗低成本传感器类终端的接入。 1. 通 信 网 络 覆 盖： 食用菌培养工厂范围广、设备数量 多，需要良好的网络覆盖，基于光纤的部署施工时 间 、人 力 成 本 高 。 2. 低 功 耗 低 成 本 物 联： 食用菌培养工厂存在大量传 感器的接入需求，要求提供低成本低功耗的物联 接入。 3. 通信网络的可靠性： 食用菌培养工厂也部署了大 量控制器，这些控制器会基于收集的数据调整设 备控制参数。这类控制器设备的连接，需要一定的 可靠性保障。 4. 移 动 检 测 设 备 接 入： 在需要保温的密闭环境内，例 如栽培室，目前需要检测人员定期使用设备相机 拍摄菌菇的生长状态，手持二氧化碳检测设备检 测环境等，这就要求检测人员随身携带相应的检 测设备，并及时高效地上传相关数据。因为环境较 为密闭，基于传统的3G/4G网络覆盖，信号质量差 不能提供很好的数据上传体验。 技术要求和挑战 食用菌培养工厂中使用的自动化设备数量非常多，并且散 落在各个生产车间内。考虑到工厂布局和现场环境，对通 信网络有一定的要求： 31 3. 基于 5G单晶硅拉晶车间集中监控 行业趋势 能源危机和环境污染是21世纪人类世界的两大难题， 煤、石油、天然气等石化能源不仅储量日渐枯竭，其 开采和能源转换过程亦会对自然环境造成破坏和污 染。太阳能是能够替代石化能源的新型能源，不仅取 之不尽用之不竭、能量巨大，而且清 洁无污染，最 重 要的是遍布全球，不会形成能源垄断。对太阳能的应 用以太阳能发电为主，预计到2030年，太阳能发电在 世界总电力供应中的占比将达到10%以上，到2040 年这一占比将达到40%，到21世纪末将超过60%。 晶体硅太阳能电池技术是太阳能发电工业大规模应用的 主要技术，这一技术在世界各国政府的积极推动下快速发 展。据预测，最近10年是太阳能电池快速增长期，年平均 增长速度超过40%。 32 典型应用场景 制备单晶硅棒作为晶体硅太阳能电池制造流程地第一个 工序，需要对单晶炉进行集中监控。系统根据单晶硅棒的 生长情况自动控制热场温度、拉晶棒及坩埚的升降与旋 转速度、坩埚内氩气压力等，实现这些自动化控制需要大 量 实 时 数 据 、趋 势 曲 线 、 CCD图像等。拉晶车间有上百台 单晶炉，为了确保拉晶质量一致性，需要对这些单晶炉进 行集中监控。此外，单晶棒生长过程需要24小时值守以便 及时解决工艺偏差和运转故障，确保单晶棒生长不会被中 断导 致 废 料，这也是单晶 炉车间集 控 系 统的主 要作用。 目前大多数单晶硅拉晶车间中，每台单晶炉的上位 iPC、 用于运输硅料和成品晶棒的 AGV、集中监控室里的集控 iPC通过 Wi-Fi构 成 了 通 信 网 络 。单 晶 炉上 位 iPC收集的实 时数据通过该网络传送给集控 iPC，由集 控iPC进行 统计 分析，形成趋势图和报表，同时集控iPC也与AGV控制系 统交换指令和控制信息，实现原料和成品的自动输送。 图10. 单晶炉车间集控系