5G和5G演進：工業控制應用場景白皮書錄 工業控制領域關鍵技術趨勢 4柔性生產 5扁平化架構 6化無化控制 7開動化 75G和演進 8離散制造業的柔性生產 多品種小批量離散制造工廠的5G柔性產線 11起重運輸的化無化控制 鋼5G無車應用 5G塔式起重機遠程控制 18基于5G的倉儲應用 20運動控制場景的無線化 23基于5G的運動伺服控制系統 OT和IT網絡融合 基于5G的發動機生產線MES數據采集系統 27基于食用菌工化種植 29基于5G單晶硅拉晶車間集監控 31廣域工業控制系統的無線物聯 基于5G的水利行業應用 34基于5G的無值守配電站應用 38前言202141605G網絡，全球5G3億，5G行業數字化項目達到5000多個1。中國的5G發展尤其令人矚目，2020年中國累計建成5G基站將近72萬座，實現了5G8525G核心專利，有34中國企業掌握，位列全球首位32021年全國工業和信息化工作會議信息，2021年中國將新建60萬以上的5G基站，以繼續鞏固全球領先的優勢，涉及的產業規模增幅或將超過2020年。5G5G兌現現有2021年3GPP正式定義了5G定5G5G5G行業數字化項5G5G作為ICT基礎網絡和信息化高速公路的價值和優勢。10個5GOT和IT網絡融合以及廣域工業控5G01工業控制領域關鍵技術趨勢PAGEPAGE5柔性生產上世紀10年代，人類開創了流水線剛性生產的工廠生產快速和多樣化為特點的柔性生產在制造業中扮演的角色愈來愈重要。柔性生產滿足定制化產品需要，使能更可靠的無線OT網絡。

靈活滿足客戶定制化要求、極大縮短生產周期等優點。柔性生產有著不同的實現方式和粒度，例如柔性制造單元可在同一條產線適配多種產品生產，柔性產線可基于線化將帶來更大的便利性，包括電和氣的快速插拔模式OT網絡引入無線網絡對比Wi-Fi扁平化架構產線之間相互獨立，生產數據由控制器上傳到上層的IT網絡后集中處理，這種架構下會導致上層的IT網絡難以觸及現場層的生產系統，大量生產數據沉淀、消失在工IT網絡與OT網絡之間的全工業控制網絡扁平化框架逐步發力，5G使能更便捷靈活的全域扁平化架構。相較于傳統的五層工控網絡架構，扁平化網絡架構的優

勢在于原有五層架構下的工業設備之間都可以通過網關相互連接，實現網絡聯接與控制邏輯之間的解耦，同時也實現了預測性維護數據流的從下至上的打通。基于有線網絡實現扁平化架構受限于組網配置與有線網關端口5G支持終端基于無線方式接入，天然提供全域一張網的基礎架構，擺脫了物理線路和端口的綁定約束，可以靈活快速的進行組網配置等調支持基于5GLAN特性的二層接入，可方便的進行OT和IT網絡的扁平化融合，基于5GVLAN可以更便捷的IT網絡與OT網絡間信息能更靈活的流轉，最大程度地滿足高層級系統向現場層前架構 全扁平化架圖1.IT+OT扁平化架構與IT+OT+CT全扁平化架構對比5G少人化無人化提升生產效率，5G使能遠程控制促進少人化無人化發展。不旨在削減人員數量，而是通過少人化無人化途徑減少并培訓被削減的人員，使其適應更高附加值的崗位來為或者Wi-Fi5G在工業互聯網和數字化轉型的浪潮下，工業領域正在經歷一場顛覆性變革，工業體系和互聯網將進行深度融現工業4.0化和互操作性而備受困擾，同時這些問題也阻礙了行業作為全球能源管理和自動化領域的數字化轉型專家，施耐德電氣推出以軟件為中心的EcoStruxureTM開放自動化開放自動化基于IEC61499標準的“即插即生產”自動化軟件組件組成的系開放自動化采用IEC61499設計和分布式部署，可實現將自動化應用程序與硬件分生的IT/OT5G025G和5G演進2015年定義了5G應用的三大領域，即增強型移)和高可靠低時5G通信技術的服務對象從傳統的5G演進是對5GITU定義的三大標準場eMBBmMTC和URLLCREDCAP增加終端mMTC5G能規模進入工業控制領UCBCRTBC寬帶實時交互和HCS5G商用部署后確實實實在在地改變著既有的生活方式和5G的移動互聯網覆蓋更不的能力依然需要不斷的2021年基于5G確定5G-Advanced5G-Advanced將從R182023年底標準凍結4。

3GPP將啟動5G-Advanced5G基礎上擴展3UCBCRTBC寬帶實時交互和HCSeMBBmMTC和URLLC的持續增加將進一步降低時延提升可靠UCBC隨著5G通過5GmMTC的持續增強。5GeMBB增強移動寬帶MobileVideoFWA

UCBC視頻回傳機器視覺

5G和5G演進eMBBMobilevideo

AISpectrumAISpectrum(<100GHz)寬帶實時交互XP-pro全息mMTC大連接物聯網 URLLC超高可靠超低時延通信NB-IoTReliableLatencyIIoT

mMTCNB-IoTRedCap

HCS通信感知融合PositioningV2X

URLLCReliableLatencyIIoT-Adv圖2.3GPP推出新標準5G-Advanced（5G演進）3GPP第46次PCG會議，北京，2021.04903離散制造行業的柔性生產柔性生產意味著制造產線需要靈活的調整，從而驅動端側設備從有線走向無線化。無論是少品種多批量還是多品種小批量離散制造，制造單元的無線化都會對柔性生產帶來一定的價值，針對多品種小批量離散制造工廠的場景無線化價值更為突出。PAGEPAGE131.多品種小批量離散制造工廠的5G柔性產線行業趨勢 3Cto-stock，備貨型生產MTO（maketoorder，

單工位具有適應加工多品種產品的靈活性，典型應用包括機器手臂可根據不同的產品加工更換不同的夾具，測試機柜兼容多種不同產品的物理接口等。柔性制造線實現生產線級別的柔性化，其技術已日臻成熟，正逐步應用到多品種小批量的離散制造行業。柔性制造線還在進一步演進，進行多條產線的制造單元之間柔性化組合，形成工廠級的柔性生產。典型應用場景 多品種小批量離散制造工廠的組裝產線為當前柔性產線該工廠可生產100001pcs1多品種小批量的需求以及快速的客戶需求響應，普洛菲斯工廠已部署近50方式僅能支持一類產品生產從而導致負載不足，而柔性產線可根據不同類型產品的訂單重新對產線進行組裝，即可按照不同類型產品的工藝要求重新分配并部署不同類型的組裝工位，從而重新組成一條新的產線。這樣的柔性可在不同類型產品生產過程中實現時間復用，從而傳統柔性產線 無線柔性產線圖3.柔性產線示意圖技術要求和挑戰 人員無線通信的高可靠性和低時延：基于柔性化產集中化會導致和IO設備的工業總線通信承載在無線網絡上，而工業總線對可靠性、時延的要求都較高，可靠性通常需達到99.99%及50ms到低至10ms單靈活的連接操作。

應用5G的驅動力 對比有線組網，通過無線來支持柔性產線的多工位聯接進行配置調整，產線員工不需要進行網線插拔和檢測工對比Wi-Fi網絡，5G能提供更高的可靠性、更多終端的聯接能力以及更低的時延。從而更好的承載OT網絡的控制信令通信，支持更多的產線設備直接基于5G接入網絡。04起重運輸的少人化無人化控制工作重復性高、招工日益困難等因素驅動著起重運輸向少人化無人化的遠程控制方向發展，而使能遠程控制驅動著端側設備無線化。PAGEPAGE22行業趨勢 基于Location基于LocationManagement息需要大量人員手動維護的問題。基于智能行車的庫區管理系統，即在投入WMS還需人員操作的問題。

自動化移動設備正在增多，也推動部署無線網絡的訴求典型應用場景 鋼鐵廠熱軋車間的板坯庫是無人行車應用的典型場景。450擬在板坯庫設計并建設一套無人全自動行車控制系統AutonomousCrane

內行車吊運環節的信息化與自動化，保證物流與信息流無車 無車圖4.5G+IACS無人行車架構技術要求和挑戰 性至關重要，其作業效率將直接影響產能。復雜的地面情況給設備的運行帶來很多安全問題，每年都會因行車組設備損壞，甚至造成人身安全問題。通信網絡作為行車控制架構中的一部分，尤其是在無人行車庫區管理系求，鋼鐵廠無人行車應用的通信網絡具有一定的技術要

應用5G的驅動力 Wi-Fi作為一種可替代Wi-Fi易實現無人行車系統方案的標準化以及現場快速部署。網絡具有更佳的可靠性和低時延能力，基于5G切片功能能支持一張網一套設備服務控制和監控兩套系控制信號的優先級配置或隔離：控制信號的優先級配置或隔離：基于傳統的工業Wi-Fi部署兩套這樣的方式隔離了控制和監視的通道，避免網絡通道占用而影響控制信號的實時性。無線通信的高可靠性和低時延：行車作為特種生產與行車PLC之間通信時延應小于之間時延要求10ms。較高的上行速率要求：行車視頻攝像頭通常有個，用于特殊情況下的遠程操控，故單個無人行車上行帶寬速率要求達到10Mbps以上。5G塔式起重機遠程控制行業趨勢 塔式起重機，是指機身為塔架式結構的全回轉動臂架式起重機，為大型土木工程建筑地盤內常見的運輸工具，通常約有10層樓高。塔式起重機的工作環境比較惡劣，操作人員上下較困難。部分場景普通人員難以進入，例如核電站修建維護起重機。此外，因工作環境較差，塔機操作人員的技術要求較高，人員招工成本逐年增高。這些原因都導致塔式起重機的遠程控制正愈發受到重視，也成為智慧工地發展的重用應用趨勢之一。

典型應用場景 式起重機都需要配備相應的操作人員，且每臺塔機都需安裝4~6個攝像頭，并且所有的塔式起重機都可以和中臺上的主控制器和按鈕等操作元件操控起重機，通過視頻系統查看實際操作效果。操作人員可以任意切換其所操作的起重機。起重機的狀態全部反饋到中控室，通過傳統塔式起重機 遠程操控制塔式起重機圖5.5G塔機應用場景架構技術要求和挑戰 塔機視頻攝像頭通常有塔機視頻攝像頭通常有4~6的速率。地面與PLC之間時延要求10msPLC與塔機PLC之間進行心跳校驗，時延要求為，雖然考慮遠程控制室IO到塔機PLC之間的響應總時延實際可以接受端到端，但越短的時延對遠程操控的體驗越佳。網絡的高可靠性：網絡可靠性性至少需要達到99.99%。

應用5G的驅動力 大型土木工程建筑工地布署光纖用于遠程操控難度很大。Wi-Fi網絡在室外環境的功率較小且干擾不可控，難以提供較好的網絡覆蓋和高可靠性的無線連接。在這類室外場景中，5G能提供更好的無線覆蓋，此外利用5G切片提供的虛擬專網，為塔機提供高可靠性和低時延的網絡能力，能更好的使能塔機的遠程操控。5G行業趨勢 倉儲作業管理自動化水平將會逐步提高，智能、智能物流與倉儲自動化已被列為我國重點發展的五大核倉儲作業管理自動化水平將會逐步提高，智能、隨著自動化技術和信息技術在自動化立體倉儲廣泛運用，立體倉儲的發展呈現以下趨勢：典型應用場景 WMSWCS倉庫管理系統：入庫管理、出庫管理、庫位管理、產線設備：AGVRGV信息顯示屏。自動化立體倉儲是當前倉儲系統最典型和最先進的的AS/RS（AutomaticStorage&RetrievalWMSWCS倉庫管理系統：入庫管理、出庫管理、庫位管理、產線設備：AGVRGV信息顯示屏。

其主要包含三大塊軟硬件設備：圖6.5G立體倉儲架構圖

倉儲 倉儲技術要求和挑戰 RGVRGVAGV都是一直處于移動狀態的設備，

應用5G的驅動力 網絡的低時延和高可靠05運動控制場景的無線化運動控制(Control)一直是5G低時延高可靠性(URLLCUltra-ReliablePAGEPAGE251.基于5G的運動伺服控制系統行業趨勢 運動控制是通過對機械運動部件進行實時的控制管理，使各個運動部件協同的按照預期運動軌跡和規定的運不能360度轉動，小范圍的高速反復旋轉也會導致線纜易于損耗。故工業應用領域一直嘗試用無線化技術來解決運動控制的線纜部署問題。傳統運動伺服控制

典型應用場景 8這種場景可采用CANopen軸的總體控制時延要求在4ms以下。目前也有越來越多場景要求協同的運動部件在8軸以上，這種場景需要通過SERCOS或EtherCAT1ms轉動，往往是利用滑環來進行運動參數的采集和命令傳送。由于滑環是接觸性滑動連接，一旦接觸不好就會造基于CAN總線的滑環替代是無線化應用的第一階段典型連接。5G運動伺服控制圖7.未來可能的5G運動伺服控制系統架構圖技術要求和挑戰 典型典型CANopen總線場景為8個電機軸4SERCOSIII總線場景16軸需達到1CANopen總線時延為4和為1功能成為必需。離散制造行業的運動控制可接受一定的故停機。

應用5G的驅動力 隨著5G及5G演進技術的發展，將逐步提供4ms甚至1ms時延的商用能力，此外5G已支持空口授時的功能，5G的這些特性是Wi-Fi和4G網絡無法提供的。基于這些能力，針對滑環場景，5G未來可能提供比滑環更可靠的網絡聯接能力，也可以使能伺服電機的柔性化組態。06OT和IT網絡融合OT和IT網絡融合已成為工業控制領域的確定性趨勢。基于無線網絡架構承載OT和IT網絡目前主要來自兩個PAGEPAGE30基于5G的發動機生產線MES數據采集系統行業趨勢 隨著生產過程的實時監控和設備狀態實時管理的要求增OT網絡傳遞到IT網IT技術對生產過程進行賦能。現場數據為整個生產信息系統是否能正常運行的關鍵因素，扁平

典型應用場景 汽車發動機生產線是典型的離散制造系統，包含缸體設備以及在線檢測設備組成。當前，汽車發動機的品種在不同批次下存在多種配置。數據采集系統作為基礎功數據采集系統 柔性數據采集系統圖8.5GMES數據采集系統架構圖技術要求和挑戰 數控機床的數據采集需要很高的采數控機床的數據采集需要很高的采10ms。數采集會產生了大量上行數據，同時現場移動端的應用需要上傳相關音視頻數據，因此對上行數據有較高要求。高頻率的關鍵數據采集要求網絡數

應用5G的驅動力 在生產信息系統中，數據采集是個基礎功能模塊。相對于傳統的有線加交換機以及Wi-Fi無線方案，5G數據采集方案具備無線通信相關優點，可以更加靈活的在工廠內部署數據采集點，支持更靈活的扁平化架構。同時，5G還具有低延時、高速率和更高的連接密度等能力，低延時能力使得通過無線方式采集數控機床的高頻率數據成為可能，更高的連接密度可以使能更多設備的數據采集要求。行業趨勢 少生產中的損耗成為食用菌生產的重要目標。通過新型業的關鍵訴求，這樣的新型工廠可以對栽培食用菌過程的影響因素AI參數。

典型應用場景 食用菌工廠化種植是農業養殖規模化的典型場景。食用菌工廠在幾公頃范圍內的多個房間內部署了大量不同類型不同功能的設備。為了采集培養食用菌過程中使用的食用菌工廠數據采集 食用工廠數據采集圖9.食用菌工廠架構圖技術要求和挑戰 低功耗低成本物聯：食用菌培養工廠存在大量傳感器的接入需求，要求提供低成本低功耗的物聯接入。通信網絡的可靠性：食用菌培養工廠也部署了大量控制器，這些控制器會基于收集的數據調整設如栽培室，目前需要檢測人員定期使用設備相機拍攝菌菇的生長狀態，手持二氧化碳檢測設備檢測環境等，這就要求檢測人員隨身攜帶相應的檢3G/4G不能提供很好的數據上傳體驗。

技術要求和挑戰 食用菌培養工廠存在大量傳感器和控制器，有線組網周期長成本高且靈活性差，基于5G前期光纖部署的大量施工時間，減少設計和網絡驗證成作為5G功耗低成本傳感器類終端的接入。基于5G行業趨勢 能源危機和環境污染是21世紀人類世界的兩大難題，煤、石油、天然氣等石化能源不僅儲量日漸枯竭，其開采和能源轉換過程亦會對自然環境造成破壞和污染。太陽能是能夠替代石化能源的新型能源，不僅取之不盡用之不竭、能量巨大，而且清潔無污染，最重要的是遍布全球，不會形成能源壟斷。對太陽能的應用以太陽能發電為主，預計到2030年，太陽能發電在世界總電力供應中的占比將達到10%以上，到2040年這一占比將達到40%，到21世紀末將超過60%。

晶體硅太陽能電池技術是太陽能發電工業大規模應用的1040%。典型應用場景 制備單晶硅棒作為晶體硅太陽能電池制造流程地第一個生長情況自動控制熱場溫度、拉晶棒及坩堝的升降與旋CCD24iPC、用于運輸硅料和成品晶棒的AGV、集中監控室里的集控iPC通過Wi-FiiPC收集的實時數據通過該網絡傳送給集控，由集控iPC進行統計iPC也與AGV控制系

技術要求和挑戰 隨著單晶硅拉晶業務的不斷發展，傳統的基于Wi-Fi連接單晶爐聯接方式存在越來越多的挑戰。無線覆蓋空間要求大：無線覆蓋空間要求大：單晶爐車間占地面積約為每個單晶爐的監控數據傳輸速率應不低于，隨著單晶爐規模的增加，網絡容量的要求會越來越高。單晶硅工廠對網絡可靠性要求越來越99.99對相關業務造成影響。應用5G的驅動力 產。硅料、晶棒的運輸正從手推車模式轉向移動性設備Wi-Fi5G網絡。單晶車間集控 5G單晶車間集控圖10.單晶爐車間集控系統示意圖07廣域工業控制系統的無線物聯5G對比又PAGEPAGE34基于5G的水利行業應用行業趨勢 我國的水利行業正持續高速發展，以2020150庫容約902950灌溉面積約2800420億立方5626溉節水供水工程55855。

2019年發布的《水利網信水平提升三年行動構建高速互聯的水利信息網，初步建成天空地一體化的2020年7月13日國務院政策例行吹風會典型應用場景 源配置和水生態治理與保護等。按應用類型分類包括泵一個綜合體。灌區數字化應用包括信息采集與監視頻數據。大型引調水項目需要可靠和低時還有大量高清視頻傳輸、無人機巡流域和機器人移動巡