邊緣計算標準件計劃丨中國移動5G虛擬化工業控制網關，構建全無線確定性工業控制系統
導讀
作為我國首個邊緣計算產業促進項目，“邊緣計算標準件計劃”由中國信息通信研究院、工業互聯網產業聯盟、互聯網與工業融合創新工業和信息化部重點實驗室聯合產業各方共同發起，旨在形成“技術研發、標準研制、產品檢測、應用示范、規模商用”的產業閉環，有效協助設備廠商優化迭代產品能力，并為用戶提供可靠精準的選型參考，為推動邊緣計算規模化部署奠定關鍵基礎。經過近4年的發展，“邊緣計算標準件計劃”已累計完成四批產品的集中測試，累計為60余款產品提供測試服務。
中國移動研究院自主研發的5G虛擬化工業控制網關順利通過本次“邊緣計算標準件計劃”產品測試，并且在多個領域實際應用部署和持續穩定運行，助力各行業企業應用升級，推動數字化建設落地。
傳統工業網絡廣泛采用有線技術，存在層級復雜、部署難度大、柔性化不足等問題。現有工業無線技術由于在通信時延、抗干擾、穩定性等方面存在短板，難以滿足工業網絡對通信確定性、高可靠性等嚴苛的性能要求，主要服務數據采集、視頻回傳、移動巡檢等業務，難以深入工業控制核心生產環節。另一方面，以傳統PLC（可編程邏輯控制器）為代表的工業控制架構封閉，垂直煙囪結構導致擴展性差、集成難度大、成本高，這種“算力下不去，數據上不來”的控制架構，難以滿足工業互聯網發展需要。
5G虛擬化工業控制網關
5G虛擬化工業控制網關針對工業無線和開放自動化面臨的挑戰，中國移動打造5G虛擬化工業控制網關產品，以打造技術創新、性能優異、自主可控的5G+工業端到端高質量控制保障技術為目標，以5G工業網關為錨點，創新確定性、新型短距、虛擬化PLC三大關鍵技術，解決干擾環境下通信質量保障難、異構協議接入難、工控業務拓展難等問題。
現場部署架構圖
5G+TAN確定性實現控制器北向確定性傳輸
面向行業高確定性需求，5G+TAN（時間明晰網絡）技術通過內生雙發選收、多鏈路冗余傳輸、時延門限控制、跨時鐘域協同等技術，提供有界時延抖動、高可靠性、高精度時鐘同步等能力，實現端到端確定性傳輸。在5G（R16）環境下南向1588v2授時精度誤差小于500ns，軟件定義時延誤差小于10微秒，干擾環境下丟包率降低40%以上，時延降低20%以上，實現端側設備融合精簡，大幅降低成本。目前已研發5G確定性工業網關和配套的確定性控制器，實現雙5G傳輸，基站無感知切換，保障各類業務穩定流暢運行。
5G+新型短距實現控制器南向剪辮子
控制器通常采用現場總線協議以有線方式與I/O連接，近年來出現越來越多的無線化訴求和趨勢，現有的無線技術在時延、可靠性、同步精度、安全性等方面，已無法滿足部分新業務、新場景對網絡的苛刻要求，如何實現控制器南向剪辮子一直是業界難題。星閃短距技術基于全新空口設計，是具有低時延（低于100us）、多接入（超過256個）、高可靠（超過99.999%）、安全自主可控等特點的新一代無線短距通信技術。基于5G+新型短距進行控制器南向剪辮子，實現廣域通信的蜂窩網絡與短距網絡的融合，既可進一步拓展蜂窩網絡的覆蓋范圍，打通現場連接的最后100米，也可與蜂窩網絡協同實現具備雙路冗余特性的確定性傳輸，增強數據傳輸的可靠性,形成獨特優勢。
5G+vPLC實現虛擬化PLC統一編排部署
5G+vPLC（虛擬化控制器）依托實時虛擬化技術，在x86/ARM通用硬件構建實時計算環境，通過軟硬解耦將傳統PLC變成虛擬化PLC控制服務。虛擬化PLC采用國產PLC軟件技術，滿足IEC-61131-3標準，支持ST、LD、IL、SFC和CFC五種編程語言，支持Modbus、CAN、EtherCAT、Profinet等常用工業總線協議虛擬化接入，支持工業總線協議與MQTT（消息隊列遙測傳輸）自動轉換，PLC任務最大時延抖動<150us，滿足中高速工控場景需求。目前已在EA1000、DC2000等多個型號的5G確定性網關上完成虛擬化PLC集成和部署。
“邊緣計算標準件計劃”證書
典型案例
案例1：流程行業-鋼企天車無線遠程控制場景
中國移動與某鋼鐵企業合作，在其熱軋場開展了廠區14臺天車行車自動化改造。5G確定性工業網關作為行車側PLC從站北向通信節點，通過多路冗余確定性傳輸，實現中國移動5G專網2.6GHz和4.9GHz雙頻網絡的無縫冗余切換，顯著改善現場無線傳輸質量，丟包率可降低50%以上、抖動小于10ms，控制業務無小區切換抖動。
無線遠控架構圖
案例2：離散行業-電池組裝線“控制+數采”二合一替換場景
中國移動與國內某新能源廠商合作，在電池組裝產線完成5G+虛擬化PLC技術驗證應用。核心方案是采用一臺安裝虛擬化PLC的5G工業控制網關，實現對“傳統PLC+數采網關”的二合一替換。5G工業控制網關首先通過掃描槍、測距儀完成位置標定，控制機械臂移動到電池模組位置。隨后控制機械臂上的擰緊槍完成電池模組的安裝擰緊。在此案例中，5G工業控制網關不僅提供PLC實時控制服務，也提供5G數據采集、遠程運維服務。從而將傳統的“現場I/O-PLC-數采網關”三層架構壓縮成“現場I/O-5G工業控制網關”扁平架構，解決了傳統方案控制層級多、專用設備多，成本居高不下，難以實現無人化/少人化運維等痛點問題，設備硬件成本和運維成本均下降50%。
離散行業智能制造架構圖及現場圖
隨著個性化商品逐漸成為主流消費方式，流水線大規模制造標準件的生產方式已無法滿足現有需求，以快速和多樣為特點的柔性生產在生產制造中扮演越來越重要的角色，工業無線網絡和開放自動化需求強烈。5G確定性工業網關首次集成確定性傳輸、新型短距連接、虛擬化控制等能力，實現了全無線、全流程、自主可控的高可靠工業控制應用，促進5G深度融入核心生產環節，支撐構建新型工業化，助推DOICT融合。
企業簡介
中國移動研究院成立于2001年，是中國移動“一體四環”科技創新體系中的內環創新力量，也是中國移動成立最早、領域最全、研發成果最豐富、高水平人才最集中的研發機構。研究院正積極貫徹落實國家科技創新要求和公司創世界一流“力量大廈”戰略，立足“技術創新與產業引領、企業與行業高端智庫、關鍵平臺與能力研發”新定位，致力于成為公司融入國家科技創新大局、向世界一流信息服務科技創新公司轉型、科研機制體制改革創新的主力軍，全力支撐公司數智化轉型和高質量發展，支撐科技強國建設和高水平科技自立自強。
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