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施耐德电气:推动5G与工业控制深度融合,开启工业数字化转型新篇章
(发布日期:2023-9-26) 来源: 施耐德电气
 

数字经济时代,企业的生产模式、运营模式和商业模式都在发生变革。在驱动工业数字化转型多股交织的力量中,不断演进的5G新一代信息通信技术以其大带宽、低时延、高可靠、广覆盖等“天然”特性,为工业领域的数字化、网络化、智能化转型提供了强大的基础设施,成为缓解传统制造痛点的强大引擎。

在刚刚结束的中国国际工业博览会上,施耐德电气携手中国信息通信研究院、中国联合网络通信集团有限公司联合发布《5G+PLC深度融合解决方案》白皮书(以下简称“白皮书”),阐述5G+PLC在离散制造业的应用,涉及产线设计到运维全生命周期中的5G网络规划、部署、运维及性能要求,同时辅以应用详解,“以线带面”地展示了5G为制造业生产模式带来的深刻改变,以此推动未来工业领域变革。

在为白皮书撰写的序中,中国信息通信研究院院长余晓晖指出,PLC作为工业自动化的核心控制器,与5G技术的融合,带来了功能、形态和结构的变革,可实现更智能、更可靠和更安全的工业控制,受到了产学研用各方高度关注,其实践正逐步从物流控制等生产外围辅助环节应用向生产控制等核心环节应用深化拓展。

然而,要真正发挥5G 技术的价值,使其成为实体产业高质量发展的推动力,就迫切需要与实体经济融合应用创新,需要与工业领域的运营技术(OT)深度融合,与工业自动化体系相融合。

5G原生能力为工业控制领域变革添动能

伴随工业柔性化生产的需求越来越多,工业领域自身更新换代逐步加快,以离散制造作为制造业的典型代表,经受工业数字化的洗礼,不断迈向“定制化柔性产线”、“OT/IT网络紧密结合”、“新型融合的工业自动化体系”:首先,分段式工艺给生产过程中根据不同需求定制化生产带来了可能,工业柔性化生产需求进一步增长;其次,精益化生产使得离散制造企业更加需要通过OT与IT的融合网络来实现现场生产要素数据到企业管理侧数据的流通和共享;最后,复杂的传统组网结构则正向工业4.0时代的端边云三层架构发展,MES、SCADA、ERP在边缘计算节点或工业云上协同部署成为业界趋势。

图:工业3.0至工业4.0的工业自动化体系架构演进

在这些趋势下,工业控制领域正经历着一场革命性变革,新一代网络架构要求设备端与边缘计算节点之间的网络通信具备提供大带宽、低时延以及时延确定性的能力,这些正是5G的原生能力:柔性生产方面,5G网络低时延、高可靠、强安全的特性可支持柔性生产场景下OT网络通信的无线化诉求。扁平化网络架构方面,5G使能各类工业生产设备进行扁平化通信。同时,5G网络天然提供全域一张网的能力,结合5G LAN特性的二层接入能力、5G网络切片对网络资源的灵活调配,完美契合离散制造企业OT网络与IT网络扁平化融合的发展趋势。

5G+PLC深度融合破除5G落地工业的“水土不服”

工业控制是工业生产的核心环节,5G+PLC的深度融合将为制造业生产模式和生产形态带来革新。随着5G技术的不断演进,R16关键特性的引入,5G可靠的低时延能力使得5G使能PLC控制领域,即支持PLC南向通信渐成为了可能。

据悉,在工业制造现场,由于最靠近底层工业设备,以PLC为代表的工控系统软硬件,通常作为重要的底层控制部件应用出现,以实现工业设备的具体操作与工艺控制由于涉及到许多设备的精准配合,因此对时延的控制与误差要求非常高,这也使得长期以来,控制系统与采集单元的连接都常常采用有线的方式,而无线网络不在考虑之中。

在工厂网络中,5G更为广泛地应用于ERP、MES、SCADA这些层级较高的系统层,但很少进入到更加深入的PLC控制领域。虽然有线连接为PLC提供了稳定时延的电信号,但由于工厂有很多产线及机台,涉及到很多台PLC,而每一次产线调整,尤其是柔性制造产线进行调整时,布线和程序调试的工作量都非常大。

基于此,白皮书从工业产线初期分析调研开始,至全面落地进行生产为终,提供了一个全面的5G+PLC深度融合的工业产线的解决方案,涵盖系统架构、5G+PLC应用场景分类、5G网络规划/部署/运维及性能要求等多个层面的信息。

在系统架构层面,白皮书将5G+PLC典型系统架构分为现场接入设备、边缘集中部署和上层承载应用三个层级,如下图所示:

图:5G+PLC工厂级系统架构

此架构承袭了传统PLC控制架构,尽可能的做到了对控制程序编写人员和设备制造人员的无感化,降低了其实施的难度,提高了便捷性和可复制性。

在场景层面,白皮书将5G+PLC应用场景归纳为四类:逻辑控制场景、过程控制场景、运动控制场景和外部设备。我们知道,日常生活中,消费者会根据自己的需求订购手机卡套餐,有的对流量有较高要求,有的需要更多的通话时间,有的需要更高的网速……工业场景与之类似,四类不同场景中的设备和机器也有自己的通信要求,比如视频传输类设备需要更大的带宽,控制类设备则更加关注时延稳定性。

施耐德电气认为,此架构将使未来云、边、端更加扁平化,现场设备也更加智能化,从而更好地利用云端和边缘端的算力,使得产线的开放性更高,成本更低,用户的选择也更多,最终让控制系统能用在成本更低的控制设备上。

在中国信息通信研究院副院长王志勤看来,一方面,5G+PLC打破了传统PLC比较封闭的工业体系,令其架构更加开放;同时,过去的PLC从一个多层级的线程网络,变成了目前三层的扁平化架构。施耐德电气在5G+PLC领域的探索突破,为5G能够进入到工业的核心控制环节发挥了非常关键的作用。

在运维层面,为满足不同场景的网络需求,中国联通除提供定制网能力外,同时提供5种标准化网络产品,通过“基础网络+增值业务”方式提供快速高效建网能力。

然而,在5G这种全新的通信技术和工业控制架构深入融合的过程中,难免也会出现各种“水土不服”:其一是CT和OT的性能标准的不一致性;其二是相比于设备有线直连的极低时延,基于5G无线网络的设备接入会带来生产效率上的损失;其三是网络的不稳定性会给部分机械运动设备带来安全隐患,而生产安全是工业制造的第一要务。

这些问题将依赖于工业企业、通信企业和基础电信企业的相互配合,共同完善彼此兼容的方式,设计新的电气/机械安全架构,产线设计工具和配套方案,保障工业5G专网稳定可靠运行,从而为工业行业用户提供真正具备价值的专网服务。

5G+工业互联网应用逐步成熟

5G是驱动工业互联网发展的关键技术,工业互联网是5G规;τ玫闹髡蟮。随着5G不断扎根工业领域,5G网络开始向与工厂控制层面的OT网络深度融合方向拓展,以提高生产过程的柔性和透明性——通过5G在工厂的全覆盖,最终助力制造业提质、降本、增效。

作为全球能源管理和自动化领域的数字化转型专家,施耐德电气基于自身在精益生产、绿色智能制造和OT技术领域的丰富经验,在5G的工业应用场景上做了大量的研究和实践,助力5G全连接工厂建设。

据了解,自2019年起,施耐德电气在位于无锡和广州的工厂部署5G网络,并进行了大量的性能和安全测试,提出了5GC(5G 核心网)全下沉,分散部署,集团统一管理的架构和运维模式。同时,施耐德电气也在2022年开始落地5G多园区专网方案,遍布全国二十几家智慧工厂和物流中心,实现网络统一标准,应用快速复制和管理统一集中。在未来的工厂场景中,施耐德电气工厂还可将5G与VDI PAD结合的技术应用在质量控制、维护保养、远程培训等场景中,可大量降低硬件和运维成本约50%,实现资产轻量化的目标。

展望未来,5G新版本标准和新技术将会加快IT 和OT在工厂控制层面的深度融合,同时,越来越多的传统自动化厂家也在积极拥抱ICT新技术,共同解决工业企业在数字化转型过程中遇到的实际难题。在实际场景中,5G的技术自身的特性已经与施耐德电气在制造领域的深厚积淀融为一体,带来灵活性、韧性和效率的极大提升。作为5G工业应用的积极践行者,施耐德电气期待将自身的成功经验分享给更多工业企业,与业界共同推动产业数字化进程,共享数字技术带来的红利。



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