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面向工業(yè)應(yīng)用的5G增強(qiáng)技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：2022-08-23 18:41:25
5G作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，具有超高帶寬、超低時(shí)延、超大規(guī)模連接等特征，契合了工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，但5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還在探索階段。
引 言
工業(yè)作為經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，利用信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步使其向精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)變和發(fā)展尤為重要。5G作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，具有超高帶寬、超低時(shí)延、超大規(guī)模連接等特征，契合了工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛融合將推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
雖然這2年面向垂直行業(yè)場(chǎng)景的5G網(wǎng)絡(luò)方案和應(yīng)用案例層出不窮，但在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還在探索階段。工業(yè)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求具有其獨(dú)特性，如工業(yè)終端設(shè)備通常按照LAN方式組網(wǎng)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高。為此，3GPP針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景啟動(dòng)了5G LAN、工業(yè)協(xié)議感知和增強(qiáng)、高可用方案等5G增強(qiáng)技術(shù)的研究。
01 典型工業(yè)應(yīng)用
隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸普及。大帶寬、低時(shí)延、高確定性的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以降低數(shù)據(jù)和指令傳輸難度，提高端、邊、云算力的協(xié)同能力，使工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和部署更靈活。
如圖1所示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分為工廠外網(wǎng)絡(luò)和工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)2部分。工廠外網(wǎng)絡(luò)通過(guò)廣域網(wǎng)絡(luò)連接工廠、公有云平臺(tái)、上下游企業(yè)和用戶、出廠產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)企業(yè)協(xié)同、用戶服務(wù)、產(chǎn)品售后等。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)辦公、生產(chǎn)過(guò)程管理、機(jī)械設(shè)備控制等，又可分為工廠級(jí)、車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。
圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系
a） 工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)是IT網(wǎng)絡(luò)，主要采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議棧，用于辦公和生產(chǎn)管理。
b） 車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)通常采用工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為狀態(tài)監(jiān)控、人機(jī)界面接口等系統(tǒng)提供通信網(wǎng)絡(luò)。
c） 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)處于工廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最邊緣，用于連接I/O設(shè)備、傳感器、儀表和驅(qū)動(dòng)裝置等各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。在同一個(gè)車間內(nèi)往往會(huì)存在多個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如1個(gè)工島、產(chǎn)線、機(jī)床甚至1臺(tái)AGV小車內(nèi)可能都有1套獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)多采用工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等，其規(guī)模大小不等，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景相關(guān)。
用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的工業(yè)應(yīng)用層出不窮，但其基礎(chǔ)都離不開(kāi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制與對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的采集。
1.1 PLC與工業(yè)控制
可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)早期只有邏輯控制的功能用來(lái)代替繼電器，后來(lái)增加了時(shí)序控制、模擬控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、通信等各類功能，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、電力、制造等各個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類設(shè)備和過(guò)程的自動(dòng)化控制，其組成和組網(wǎng)如圖2所示。
圖2 PLC組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖
PLC的I/O接口是PLC與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)系的橋梁。PLC通過(guò)豐富的I/O接口與按鈕、傳感器、控制閥、指示燈等各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)的采集和控制。典型的有開(kāi)關(guān)量控制和過(guò)程控制。
a） 開(kāi)關(guān)量和邏輯控制：開(kāi)關(guān)量和邏輯控制是工業(yè)中最普遍的場(chǎng)景之一，PLC按照邏輯條件通過(guò)I/O接口控制大量的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行順序動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。PLC具有編程能力，可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)不同方式的邏輯控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的開(kāi)關(guān)量控制，也可用于多機(jī)群控、自動(dòng)化流水線等多設(shè)備多開(kāi)關(guān)量的控制場(chǎng)景。
b） 過(guò)程控制：在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，除了只有通斷2種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量之外，還有溫度、壓力、流量、液位、速度等許多連續(xù)變化的模擬量也需要被控制。PLC通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換I/O接口實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量變化過(guò)程的采集和控制。過(guò)程控制通常需要比例—積分—微分 (proportion-integral-differential，PID)閉環(huán)控制功能，可以在PLC內(nèi)編程實(shí)現(xiàn)，也可以在云平臺(tái)/云化PLC中實(shí)現(xiàn)或者采用專用PID模塊。PID控制功能的執(zhí)行位置需綜合工廠算力、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)PLC設(shè)備的運(yùn)算能力、業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)的時(shí)間精度要求和通信能力等多種因素，選擇合適的方案。
PLC通信接口主要用于通過(guò)各類通信方式與其他設(shè)備/系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，如通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與云平臺(tái)進(jìn)行北向通信接收操作指令；或者通過(guò)工業(yè)總線與驅(qū)動(dòng)器/執(zhí)行器、智能傳感器進(jìn)行南向通信實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制、狀態(tài)采集等。不同的工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)方案對(duì)通信接口和網(wǎng)絡(luò)傳輸要求也不同，如過(guò)程控制中PID功能可部署在云PLC，也可部署在現(xiàn)場(chǎng)從PLC，前者需要周期性傳遞采樣和控制數(shù)據(jù)，對(duì)通信的帶寬、實(shí)時(shí)性等要求遠(yuǎn)高于后者。對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)要求較高的典型應(yīng)用是運(yùn)動(dòng)控制。
運(yùn)動(dòng)控制是工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個(gè)重要分支，通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制調(diào)節(jié)機(jī)械部件的位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等物理量使其按照預(yù)期的軌跡和參數(shù)運(yùn)動(dòng)，廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、紡織、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等工業(yè)場(chǎng)景，已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)。典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC/運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)和傳感器反饋檢測(cè)裝置和被控對(duì)象等組成，重點(diǎn)在于協(xié)調(diào)多個(gè)電機(jī)，完成指定的運(yùn)動(dòng)，如數(shù)控機(jī)床里面要協(xié)調(diào)XYZ軸電機(jī)、多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制與常規(guī)自動(dòng)控制的顯著區(qū)別之一是高動(dòng)態(tài)特性。如高速加工的運(yùn)行速度為90 m/min時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間1 ms的時(shí)間同步誤差，將造成1.5 mm的運(yùn)動(dòng)同步誤差。因此運(yùn)動(dòng)控制器與驅(qū)動(dòng)器、反饋裝置之間的數(shù)據(jù)交換接口需要有極高的精確性和實(shí)時(shí)性。
早期運(yùn)動(dòng)控制接口采用脈沖模擬量方式，雖然硬件成本低、標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，但是編程繁瑣、布線要求高、距離受限，隨著工廠自動(dòng)化和信息化的發(fā)展，逐漸被工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)總線方式取代。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化具有簡(jiǎn)化布線、信號(hào)雙向傳輸、降低編程復(fù)雜度、易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備診斷和系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，但是也因?yàn)樾盘?hào)延遲、抖動(dòng)等因素提高了采樣周期等時(shí)、同步控制的實(shí)現(xiàn)難度。
1.2 工業(yè)數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，只有采集到當(dāng)前物理世界的真實(shí)數(shù)據(jù)，才能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和閉環(huán)控制。如圖3所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析處理3個(gè)階段。
圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖
數(shù)據(jù)采集是通過(guò)傳感器、智能儀表等收集生產(chǎn)過(guò)程中的真實(shí)物理狀態(tài)信息，如電流、電壓、溫度、壓力、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、聲音、圖像等。
數(shù)據(jù)傳輸是將采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、TCP/IP等方式回傳。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信接口與回傳網(wǎng)絡(luò)不匹配時(shí)（如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)回傳網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，但采集設(shè)備為RS232總線接口），還需通過(guò)PLC、工業(yè)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和封裝后才可回傳到數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)分析是對(duì)采集到的各種數(shù)據(jù)（如實(shí)時(shí)狀態(tài)、加工工藝數(shù)據(jù)等）進(jìn)行加工處理后，再以各種方式輸出和展現(xiàn)，用以監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程、指導(dǎo)技術(shù)人員優(yōu)化工藝流程、與控制系統(tǒng)協(xié)同完成生產(chǎn)過(guò)程的閉環(huán)控制等。
1.3 AGV小車
自動(dòng)導(dǎo)引車(Automated Guided Vehicle，AGV)小車是一種集導(dǎo)航、通信、外部感知和數(shù)據(jù)處理等智能技術(shù)于一體的可移動(dòng)機(jī)器人，擁有快速、高效裝卸和搬運(yùn)物料的能力，具有高智能化、無(wú)人駕駛、行駛路徑靈活等優(yōu)點(diǎn)，是柔性智能物流設(shè)備的典型代表。
每輛AGV是一個(gè)獨(dú)立個(gè)體，對(duì)于自身的運(yùn)動(dòng)控制，有著獨(dú)立的運(yùn)行裝置和控制系統(tǒng)。在實(shí)際使用中，還需要使這些獨(dú)立的AGV間相互配合有序完成生產(chǎn)任務(wù)，當(dāng)多臺(tái)AGV共同完成同一任務(wù)時(shí)可以編為一組。通過(guò)通信系統(tǒng)，調(diào)度控制器可與每臺(tái)AGV小車點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV小車的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和任務(wù)調(diào)度、編組管理，編組內(nèi)AGV小車間可點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)位置和狀態(tài)信息廣播，編組間可進(jìn)行邏輯隔離避免干擾。因此通信系統(tǒng)除了滿足QoS指標(biāo)外，還需要具備靈活的邏輯隔離能力和隔離域內(nèi)多播能力。
在工業(yè)場(chǎng)景中，不同工業(yè)應(yīng)用的工業(yè)終端規(guī)模、業(yè)務(wù)功能、部署方案不同，對(duì)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)、組網(wǎng)方式、隔離要求等需求也不同。
2.1 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)需求
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中存在著控制數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，表1為一種工業(yè)通信數(shù)據(jù)分類模型，主要分為等時(shí)同步、周期/循環(huán)、事件告警、網(wǎng)絡(luò)控制、診斷組態(tài)、Best Effort、音視頻等。
表1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的通信數(shù)據(jù)模型
等時(shí)同步、周期/循環(huán)、網(wǎng)絡(luò)控制為周期性數(shù)據(jù)，即連續(xù)周期性下發(fā)的控制數(shù)據(jù)和上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景中控制器發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器的位移數(shù)據(jù)、過(guò)程控制場(chǎng)景中周期性采樣的壓力數(shù)據(jù)等。通常周期性數(shù)據(jù)關(guān)鍵程度較高，具有相對(duì)嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求，其報(bào)文長(zhǎng)度通常固定且較短，帶寬需求也比較固定。其中等時(shí)同步數(shù)據(jù)流常用于運(yùn)動(dòng)控制，如前文所述高速高精度場(chǎng)景對(duì)運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延要求非常高，控制數(shù)據(jù)需在截止時(shí)間之前送達(dá)，對(duì)時(shí)延抖動(dòng)和丟包的容忍度為零。
事件告警、診斷組態(tài)、Best Effort為非周期性數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期性數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用更復(fù)雜，報(bào)文特征和網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求也不同，如影響生產(chǎn)安全的告警數(shù)據(jù)具有較嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求，診斷組態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)鍵程度為中，數(shù)據(jù)備份等其他關(guān)鍵程度較低但帶寬需求較大的數(shù)據(jù)采用盡力而為的傳輸。
音視頻數(shù)據(jù)的發(fā)送周期與其采樣幀率相關(guān)，報(bào)文長(zhǎng)度較大且可變，包丟失主要影響傳輸質(zhì)量，對(duì)丟包容忍度也相對(duì)較高。
表1總結(jié)了不同數(shù)據(jù)類型對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸指標(biāo)的要求，但實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求與工業(yè)應(yīng)用相關(guān)，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。如運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景中不同執(zhí)行器和機(jī)械部件動(dòng)力反應(yīng)時(shí)間不同（注塑機(jī)械的液壓軸所需的反應(yīng)時(shí)間約250 μs~1 ms，印刷機(jī)械軸的反應(yīng)時(shí)間約3 ms、封裝加工機(jī)械反應(yīng)時(shí)間約2~6 ms），實(shí)際需要的網(wǎng)絡(luò)傳輸指標(biāo)也不同。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)性能成為提升系統(tǒng)效率的瓶頸時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，降低工業(yè)應(yīng)用的反應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，減少材料浪費(fèi)，達(dá)到降本增效的目的。
2.2 組網(wǎng)需求
工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)除了滿足業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求外，還需要具備易用、支持邏輯隔離、高可用等特性。
2.2.1 易用
易用指符合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和工業(yè)終端設(shè)備的組網(wǎng)習(xí)慣。目前工業(yè)以太網(wǎng)一般基于層二的單播、組播、廣播通信方式實(shí)現(xiàn)層三或者應(yīng)用層通信。如某些工業(yè)終端設(shè)備需要通過(guò)層二廣播報(bào)文完成設(shè)備發(fā)現(xiàn)。
2.2.2 隔離
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用繁多，且隨著產(chǎn)線的升級(jí)改造還有新業(yè)務(wù)不斷加入，為了避免不同業(yè)務(wù)間的干擾，需要在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行隔離；同一業(yè)務(wù)的不同子系統(tǒng)間也可能會(huì)需要靈活的網(wǎng)絡(luò)隔離功能，如AGV小車編組間隔離。因此工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)還需要具有靈活的邏輯隔離能力。
2.2.3 高可用
工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的核心組成部分，業(yè)務(wù)報(bào)文傳輸?shù)目煽啃灾苯佑绊懣刂葡到y(tǒng)的可靠性。在實(shí)際的生產(chǎn)使用中，業(yè)務(wù)應(yīng)用正常運(yùn)行的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的高可靠性。網(wǎng)絡(luò)高可靠一方面是通過(guò)優(yōu)化QoS調(diào)度保障高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)在通信鏈路資源發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)可靠傳輸實(shí)現(xiàn)；另一方面是提高通信鏈路的可靠性，如提高通信設(shè)備本身的可靠性或者采用設(shè)備、端口、傳輸介質(zhì)冗余的高可用方案。
環(huán)網(wǎng)拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單、成本最低的鏈路冗余方案，為了避免環(huán)網(wǎng)狀態(tài)下的以太網(wǎng)廣播風(fēng)暴，需要冗余管理協(xié)議通過(guò)阻塞網(wǎng)絡(luò)端口的方式將物理上的環(huán)狀拓?fù)渑渲脼檫壿嬌纤性O(shè)備節(jié)點(diǎn)之間僅存在唯一通信路徑的樹(shù)狀拓?fù)洌?dāng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)或者傳輸介質(zhì)發(fā)生故障時(shí)，冗余管理協(xié)議會(huì)計(jì)算新的邏輯拓?fù)洌匦屡渲镁W(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信。從鏈路故障中斷通信到冗余管理協(xié)議感知到故障狀態(tài)后重新配置網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)通信的時(shí)間為冗余恢復(fù)時(shí)間（也被稱為故障倒換時(shí)間）。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中使用的STP、RSTP等冗余管理算法的秒級(jí)冗余恢復(fù)時(shí)間無(wú)法滿足工業(yè)應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)又推出了DLR、MRP、DRP等更快速冗余恢復(fù)技術(shù)。
鏈路冗余恢復(fù)方案在鏈路故障時(shí)會(huì)造成短暫的通信中斷。IEC62439標(biāo)準(zhǔn)中定義了PRP、HSR等數(shù)據(jù)包粒度的多發(fā)選收協(xié)議，其原理是發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)幀復(fù)制并添加相關(guān)控制信息后經(jīng)過(guò)冗余的多條通信鏈路分別發(fā)送，接收端經(jīng)不同的通信鏈路接收到數(shù)據(jù)幀后根據(jù)控制信息只保留第1個(gè)接收到的數(shù)據(jù)幀，從而實(shí)現(xiàn)某一鏈路故障時(shí)不丟包的目的。
針對(duì)工業(yè)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，3GPP啟動(dòng)了相關(guān)的5G增強(qiáng)技術(shù)的研究。
3.1 工業(yè)協(xié)議感知和網(wǎng)絡(luò)控制
目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中主要是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)，雖然同一種現(xiàn)場(chǎng)總線是具有互換性和互操作性，但不同的現(xiàn)場(chǎng)總線之間的兼容性較差，需要專用設(shè)備轉(zhuǎn)換，設(shè)備復(fù)雜、成本高。工業(yè)以太網(wǎng)是建立在IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)之上，通過(guò)EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、Modbus TCP、PowerLink等應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)的分布式實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)，適用于數(shù)據(jù)傳輸量大、傳輸速度要求較高的場(chǎng)合，已經(jīng)逐漸超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的市場(chǎng)占比，成為工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的主流。
現(xiàn)在主流的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議主要是基于有線傳輸介質(zhì)進(jìn)行部署，而5G作為一種無(wú)線傳輸技術(shù)，雖然在高帶寬、高可靠、低時(shí)延方面進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，但相較于有線介質(zhì)依然存在易受干擾、時(shí)延高、抖動(dòng)大等劣勢(shì)。支持感知工業(yè)協(xié)議并針對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)優(yōu)化QoS保障重要業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量的5G增強(qiáng)技術(shù)是繼5G+TSN之后又一提高5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的解決思路。
如圖4所示，工業(yè)應(yīng)用的控制端和工業(yè)終端之間通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)互通，5G系統(tǒng)中增加感知協(xié)同功能模塊，在UPF中增加探針感知工業(yè)協(xié)議，再針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的類型和重要程度，修改5G網(wǎng)絡(luò)的QoS參數(shù)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的傳輸質(zhì)量增強(qiáng)。
圖4 5G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)協(xié)議感知增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖
該方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)工業(yè)應(yīng)用透明，可以使5G網(wǎng)絡(luò)在物理層替換原來(lái)的有線傳輸介質(zhì)，不影響業(yè)務(wù)應(yīng)用。未來(lái)還可以從工業(yè)應(yīng)用中獲取業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求，向工業(yè)應(yīng)用開(kāi)放5G網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用與5G網(wǎng)絡(luò)的雙向感知，有助于進(jìn)一步優(yōu)化業(yè)務(wù)體驗(yàn)。
3.2 5G LAN
3GPP R15中，5G網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)了基于IP類型會(huì)話的層三通信。為了適應(yīng)工業(yè)場(chǎng)景中設(shè)備間層二通信的需求，需要在CPE和UPF兩端架設(shè)隧道設(shè)備將工業(yè)層二協(xié)議報(bào)文封裝在IP隧道報(bào)文中傳輸，額外引入隧道設(shè)備增加了組網(wǎng)復(fù)雜度和成本。
5G網(wǎng)絡(luò)還支持ethernet類型的會(huì)話，可以支持用戶面層二通信。圖5為5G端到端系統(tǒng)中ethernet和IP類型會(huì)話的用戶面協(xié)議棧對(duì)比，IP類型會(huì)話的用戶面數(shù)據(jù)只攜帶ip協(xié)議報(bào)文頭，在UPF中基于IP地址進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)；而ethernet類型會(huì)話的用戶面數(shù)據(jù)則攜帶具有源MAC和目的MAC的以太幀報(bào)文頭，在UPF中會(huì)基于MAC地址進(jìn)行交換轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)用戶面的端到端層二通信。
圖5 5G端到端系統(tǒng)用戶面協(xié)議棧
3GPP R16中啟動(dòng)了5G LAN項(xiàng)目，通過(guò)ethernet類型的5G LAN技術(shù)，可以提供直接支持層二通信的5G虛擬本地網(wǎng)，如圖6所示，3GPP定義了3種轉(zhuǎn)發(fā)方式：Local Switch轉(zhuǎn)發(fā)、基于N19接口轉(zhuǎn)發(fā)和基于N6接口轉(zhuǎn)發(fā)，分別適用于同廠區(qū)內(nèi)UE(共用同一錨點(diǎn)UPF)間轉(zhuǎn)發(fā)、跨廠區(qū)UE(跨錨點(diǎn)UPF)間轉(zhuǎn)發(fā)、UE與DN側(cè)設(shè)備間轉(zhuǎn)發(fā)等場(chǎng)景。
圖6 5GLAN的3種轉(zhuǎn)發(fā)方式
5G LAN將有互訪功能的用戶組劃分到相同的邏輯域內(nèi)，即VN組。通過(guò)VN組可以實(shí)現(xiàn)同組內(nèi)的UE間互通和不同組UE間的邏輯隔離，以滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中對(duì)業(yè)務(wù)隔離的需求。在3GPP R16中，VN組僅支持與DNN+S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information)的1:1映射關(guān)聯(lián)，用戶本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的細(xì)粒度隔離需求都要通過(guò)DNN和切片來(lái)配合實(shí)現(xiàn)VNG的隔離，在實(shí)際使用中可以將VNG結(jié)合VLAN使用，使網(wǎng)絡(luò)的邏輯隔離功能更精細(xì)靈活。
5G LAN技術(shù)可以使5G網(wǎng)絡(luò)支持層二的單播、多播通信和廣播域隔離，滿足工業(yè)場(chǎng)景組網(wǎng)所需的易用性和業(yè)務(wù)隔離特性。
3.3 高可用技術(shù)
基于5G LAN的5G網(wǎng)絡(luò)可以參考工業(yè)以太網(wǎng)，采用鏈路冗余和數(shù)據(jù)包多發(fā)選收等高可用方案。
圖7為一種鏈路冗余方案的組網(wǎng)拓?fù)洌摲桨钢?組CPE、基站、UPF構(gòu)成了2條5G通信鏈路，在CPE和UPF兩側(cè)連接交換機(jī)。當(dāng)CPE建立ethernet類型會(huì)話實(shí)現(xiàn)5G用戶面端到端層二互通后，2臺(tái)工業(yè)交換機(jī)與2條5G鏈路組成環(huán)網(wǎng)拓?fù)洌枰鼓苋哂喙芾韰f(xié)議“破環(huán)”以避免廣播風(fēng)暴。但現(xiàn)有的冗余管理協(xié)議應(yīng)用在5G場(chǎng)景中時(shí)存在以下問(wèn)題。
圖7 一種5G鏈路冗余方案的組網(wǎng)拓?fù)?/span>
a） 5G設(shè)備的5G空口/GTP-U隧道等鏈路與傳統(tǒng)有線介質(zhì)不同，系統(tǒng)對(duì)鏈路狀態(tài)的感知機(jī)制不同，參與計(jì)算的節(jié)點(diǎn)規(guī)模不同，導(dǎo)致現(xiàn)有的冗余管理協(xié)議無(wú)法直接應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。
b） 5G網(wǎng)絡(luò)直接透?jìng)魅哂喙芾韰f(xié)議的協(xié)議報(bào)文，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞箵Q發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)大量丟包，同時(shí)也會(huì)無(wú)差別地丟掉協(xié)議報(bào)文導(dǎo)致協(xié)議工作異常。目前如何有效“破環(huán)”是5G LAN技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。
鏈路冗余方案在實(shí)際運(yùn)行中只有單鏈路工作，當(dāng)5G空口受到突發(fā)干擾或者鏈路故障發(fā)生鏈路倒換時(shí)，會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)包的丟包、重傳、時(shí)延抖動(dòng)等問(wèn)題，導(dǎo)致PLC和I/O連接異常，影響工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)定。圖8為一種基于5G LAN的雙發(fā)選收方案，與圖7類似，5G建立2條獨(dú)立的用戶面層二鏈路，然后CPE和UPF兩側(cè)的交換機(jī)使用PRP或者HSR協(xié)議，實(shí)現(xiàn)主PLC與從PLC等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)包冗余傳輸，該機(jī)制也可以起到平滑時(shí)延抖動(dòng)的效果。該方案雖然可以復(fù)用現(xiàn)有的PRP/HSR交換機(jī)設(shè)備，但需要2套5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，成本較高，可作為現(xiàn)階段的過(guò)渡方案，將來(lái)可以將PRP、HSR等多發(fā)選收協(xié)議集成到UPF和CPE等5G設(shè)備，并與5G QoS等功能協(xié)同優(yōu)化，形成多發(fā)選收能力內(nèi)生的5G網(wǎng)絡(luò)方案，如圖9所示。
圖8 一種5G雙發(fā)選收方案的組網(wǎng)拓?fù)?/span>
圖9 內(nèi)生雙發(fā)選收能力的5G網(wǎng)絡(luò)方案
5G具備無(wú)線連接、邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)無(wú)線通信、云化機(jī)器人、柔性生產(chǎn)等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。為了滿足工業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求，5G技術(shù)也在LAN組網(wǎng)、高可用和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等方面不斷地優(yōu)化與改進(jìn)，助力5G在工業(yè)領(lǐng)域普及應(yīng)用。但是5G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)應(yīng)用雙方供需主體之間的認(rèn)知還在初級(jí)階段，依然存在著面向工業(yè)應(yīng)用的5G網(wǎng)絡(luò)需求的輸入不足，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的5G網(wǎng)絡(luò)解決方案研發(fā)不夠等問(wèn)題，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)面向工業(yè)應(yīng)用的5G網(wǎng)絡(luò)需求和解決方案研究，以推動(dòng)5G在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。
工業(yè)作為經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，利用信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步使其向精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)變和發(fā)展尤為重要。5G作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，具有超高帶寬、超低時(shí)延、超大規(guī)模連接等特征，契合了工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛融合將推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
雖然這2年面向垂直行業(yè)場(chǎng)景的5G網(wǎng)絡(luò)方案和應(yīng)用案例層出不窮，但在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還在探索階段。工業(yè)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求具有其獨(dú)特性，如工業(yè)終端設(shè)備通常按照LAN方式組網(wǎng)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高。為此，3GPP針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景啟動(dòng)了5G LAN、工業(yè)協(xié)議感知和增強(qiáng)、高可用方案等5G增強(qiáng)技術(shù)的研究。
來(lái)源：工業(yè)互聯(lián)說(shuō)
