工业5G跨域业务协同融合方案研究.pdf
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1、主题聚焦:5G-A/6G技术及应用展望32工业5G跨域业务协同融合方案研究摘要 文章深入研究工业5G领域中的跨域业务协同融合方案,涵盖方案演进过程、TSN(时间敏感网络)over 5G方案、5G内生确定性方案以及XSO跨域协同融合方案。通过对这些方案的深入研究和比较,为工业领域中实现跨域业务协同融合提供了全面而有效的解决方案。这些方案不仅在网络性能上有所突破,同时考虑到了OEE效率和业务网络的复杂需求,为相关领域的学术研究和实际应用提供了有益的参考。关键词 工业;5G;确定性李 静 李福昌 张 涛中国联通研究院 北京 100048引言工业互联网快速增长,各种设备或者终端的节点数量从2016年的
2、2.88千万增至2022年的5.88千万,表明工业对互联网连接需求迅速上升。其中传统现场总线协议市场份额逐年下降,从58%递减至30%,反之,工业以太类协议市场份额逐年提升,CAGR增长率超过20%,2018年首次超越Fieldbus,2020年已占市场份额的64%以上,趋势反映了对更先进通信协议的需求增加。其中,工业以太类协议前五位是EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、ModbusTCP和PowerLink,其中Profinet增速显著。欧洲以EtherNet/IP和Profinet为主,北美以EtherNet/IP和EtherCAT为主,而亚洲市场缺乏主导标准。总体
3、而言,工业以太在工业网络中的地位持续增强,5G进入工业自动化领域需与工业以太协同,以满足工业互联网迅速增长的需求1。未来工业5G现场网络的发展趋势旨在更深度地融入工厂自动化产线,提供更多智能应用,实现更全面的覆盖,以满足核心需求。当前情况下,工业5G主要用于集中部署UPF以支持工厂/园区的5G连接,但由于控制与数据采集协议存在差异,这使得工业5G的应用主要局限在数据采集网络的外围,没有真正进入设备层,而设备层的连接方式占据了工厂整体连接的90%以上。因此工业5G尚未充分满足工业现场的核心需求,未来工业5G现场网络的发展将带来许多显著好处2。1)一体化网络:未来的工业5G网络将实现车间内部的一体
4、化网络,这意味着控制与数据采集整合到同一网络中,C2C(控制到控制器)、C2IO(控制到输入/输出)、NRT数据采集等所有连接都可以通过5G进行承载,简化了网络架构,降低了维护成本。2)核心需求覆盖:工业5G现场网络的发展将更全面地满足核心需求,能够支持工厂现场的各种通信需求,无论是实时控制还是非实时数据采集。3)增加灵活性降低成本:工业5G的引入将提供更大的灵活性,帮助工业企业更好地适应生产线的变化和不断变化的需求。这意味着生产线的重新配置和重新调整可以更加容易地实现,无需大规模的物理网络更改。主题聚焦:5G-A/6G技术及应用展望331 跨域业务协同融合网络需求分析1.1 OEE效率网络需
5、求工业5G逐步进入PLC层级的东西向、南向核心生产环节的各应用场景后,大大使能了车间的柔性生产,降低成本,简化网络结构,减少故障时间和运维时间,提高设备开动率,提升产能,甚至可以进一步催生集中化/虚拟化PLC的未来产线形态趋势。工业5G的应用旨在提高生产线的综合效率(OEE)3,这是衡量制造业生产力的关键指标。OEE综合考虑了可用性、性能和质量三个方面,分别对应着产线正常运行时间的占比、产能或生产节拍,以及产品的良品率和控制精度。在工业领域,OEE被视为制造业生产力的黄金标准,完美的OEE分数为100%,意味着只生产优质零件,尽可能快,没有停机时间。为了实现高效的生产线,需要针对每个方面采取相
6、应的措施。首先,降低非计划停机时间是至关重要的,这可以通过优化设备维护和管理,以及实施预防性维护计划来实现。其次,提高生产节拍需要优化生产流程、加强设备协同,以及提高自动化程度。最后,保证产品质量需要加强质量控制、提高生产设备的精度和稳定性,并严格执行质量管理流程。1)产线可用性对网络的需求对于工业物联网(IIoT)的运动控制等场景,通信服务的可用性(CSA)是一个至关重要的指标。CSA表示在一定时间内通信服务可用的比例,尤其对于具有确定性业务的应用来说至关重要。举例来说,5GAllianceforConnectedIndustriesandAutomation(5G-ACIA)向3GPP提出
7、了关于IIoT运动控制场景的URLLC性能评估,其中CSA是一个关键的系统性能指标。通信服务的可用性指的是传输业务的准则能够被满足。对于运动控制业务,传输业务的准则被满足指的是在特定的时间内控制命令能够成功接收。由于控制命令具有生存时间,只要在控制命令的生存时间内,丢掉的控制命令(传错或者超时)并不会对系统控制产生影响,即容忍在生存时间内发生错包。因此,CSA指标描述了服务的可用能力,允许系统在生存时间内一定程度上出现丢包,只要不超过生存时间,系统就可以正常运转,见公式(1)。(1)与可靠性对比,可靠性需求旨在保证服务(消息或者命令)的完整性,而可用性需求则着重于保证服务(消息或者命令)的连续
8、性。不同的应用类型对于可靠性和可用性的需求不同,有的应用类型要求保证服务的完整性,而有的业务则更注重保证服务的可用性。可用性允许一定程度的非连续丢包,这在一定程度上放松了系统的可靠性需求,使系统可以支持更多的用户,对于支持此类业务的系统设计具有一定的指导意义。在实际工业应用中,为了确保产线的可用性,必须尽量减少非计划停机时间。例如,在汽车制造领域,工业协议(如Profinet协议)的周期性对发通信方式被广泛应用,PLC和IO设备之间通过周期性对发报文进行通信,并通过总线看门狗来监测链路是否正常。任何链路故障都可能导致产线全线宕机停产,因此对于产线的可用性要求非常严格。因此,对于工业应用来说,网
9、络的可用性和可靠性至关重要,必须采取相应措施以确保通信服务的稳定性和连续性,从而保障生产线的正常运行。2)生产节拍对网络的需求在工业环境和应用中,使用无线通信近年来备受关注。通过用无线替代有线,可以降低成本和运营支出,同时支持以往无法实现的新用例,被视为第四次工业革命的关键技术推动者。通常,在工业场景中,不同层次的自动化呈现出不同的通信需求,见图1。底层通常涉及物理传感器和执行器与可编程逻辑控制器(PLC)之间的通信,上面是监控控制与数据采集(SCADA)层,作为与工厂高级管理系统的接口,包括制造执行系统(MES)和企业资源计划(ERP)等。从通信角度来看,随着金字塔层次的提升,所需的延迟通常
10、会增加;从传感器和执主题聚焦:5G-A/6G技术及应用展望34行器层面的实时通信到较高层次的延迟容忍通信。目前,大多数工业控制系统采用基于现场总线或以太网技术的有线方案,其中以太网是当前市场上的主流解决方案。作为一种灵活性更强的技术,以太网可以在多个系统和平台之间进行互操作,从而实现自动化金字塔各层次的轻松集成。因此,工业无线解决方案需考虑与以太网互操作,以确保在现有环境中的部署兼容性。制造业中的一个工厂通常由多条生产线组成,每条生产线由多个工作岛组成,每个工作岛由多个机器人、阀岛、I/O模块和其他工艺设备组成。生产节拍是指成品连续下线的时间间隔,其直接影响工厂的产能4。生产节拍通常取决于生产
11、耗时最长的瓶颈工岛,其中网络时延是影响生产节拍的因素之一。因此,对网络KPI指标中的平均时延有着严格的要求,例如平均RTT时延不超过x毫秒。ERPMESSCADAField device/PLCSensor&Actuator时延容忍DTRT1s100ms1s10ms100ms1ms10ms1ms图1 自动化金字塔及其各级别的典型通信延迟要求3)控制精度对网络的需求现代工业环境中的运动控制系统通常使用闭环控制,并由驱动器、控制器和传感器组成,如图2。这些系统对网络的时延和抖动有着严格的要求。例如,在点到点直线轨迹控制中,对于运动停止位置的精度有明确的要求,如RTTx毫秒n个9;同时,停止位置的精
12、度误差范围也需要受到限制,要求接收包间隔抖动y毫秒n个9。因此,网络的时延和抖动必须受到精细管理,以确保运动控制系统的性能。1.2 业务的网络需求工业互联网的应用需求直接影响着生产线的可用性和效率。产线上的各种设备,如工艺AGV、EMS、机器人协同、工具切换等,对网络的高性能提出了明确而挑战性的要求5。通过深入分析生产节拍、控制精度等因素,业务提出了对网络的严格性能指标,如表1所示。表1 PLC应用网络需求典型应用通信速率通信时延工艺AGV/EMS约100Kb/s时延:20ms99.99%平均时延:16ms/s抖动:16ms99.99%机器人协同、工具切换、随行夹具、转台、滑台等约100Kb/
13、s时延:10ms99.99%平均时延:8ms/s抖动:8ms99.99%2 工业5G跨域业务协同融合方案2.1 方案演进过程工业5G跨域业务协同融合的演进过程,也是5G网络和工业协议之间的理解逐步加深、传输效能逐步提升的过程,工业5G跨域业务协同融合的演进过程如图3所示6。工业协议工业以太网PN工业模组工业协议5G LAN透传URLLC工业模组工业协议URLLC工业模组工业5G5G LAN透传工业5GXSO协同5G TSN传统有线5G5G-A图3 工业协议over 5G演进过程示意图在5G网络部署初期,E2E5GLAN功能尚不具备,因此,5G网络需要新增隧道/网关设备、通过隧道封装的方式,将二
14、层工业协议的Ethernet报文封装为IP报文控制器功率放大器执行器传感器发射器图2 运动控制系统示意图主题聚焦:5G-A/6G技术及应用展望35后,再在5G网络传输;该方案虽不要求5G网络支持5GLAN,但因为诸多限制,隧道封装的方式并不是工业5G跨域业务协同融合的目标方式,5G网络目标是E2E支持5GLAN功能,即5G网络采用Ethernet类型会话,支持二层工业协议在5G中传输,5G网络E2E类似二层交换机形态7;该方案不需要新增隧道/网管设备部署,E2E成本小、传输效率高。随着工业5G跨域业务协同融合部署的深入,会出现工控设备报文发送和5G网络之间的匹配效率问题,5G网络能够承载工控设
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- 工业 业务 协同 融合 方案 研究
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