邊緣計算標準件計劃丨中國移動5G虛擬化工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)，構(gòu)建全無線確定性工業(yè)控制系統(tǒng)
導(dǎo)讀
作為我國首個邊緣計算產(chǎn)業(yè)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新工業(yè)和信息化部重點實驗室聯(lián)合產(chǎn)業(yè)各方共同發(fā)起，旨在形成“技術(shù)研發(fā)、標準研制、產(chǎn)品檢測、應(yīng)用示范、規(guī)模商用”的產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，有效協(xié)助設(shè)備廠商優(yōu)化迭代產(chǎn)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(guī)模化部署奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。經(jīng)過近4年的發(fā)展，“邊緣計算標準件計劃”已累計完成四批產(chǎn)品的集中測試，累計為60余款產(chǎn)品提供測試服務(wù)。
中國移動研究院自主研發(fā)的5G虛擬化工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)順利通過本次“邊緣計算標準件計劃”產(chǎn)品測試，并且在多個領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用部署和持續(xù)穩(wěn)定運行，助力各行業(yè)企業(yè)應(yīng)用升級，推動數(shù)字化建設(shè)落地。
傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)廣泛采用有線技術(shù)，存在層級復(fù)雜、部署難度大、柔性化不足等問題。現(xiàn)有工業(yè)無線技術(shù)由于在通信時延、抗干擾、穩(wěn)定性等方面存在短板，難以滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對通信確定性、高可靠性等嚴苛的性能要求，主要服務(wù)數(shù)據(jù)采集、視頻回傳、移動巡檢等業(yè)務(wù)，難以深入工業(yè)控制核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)。另一方面，以傳統(tǒng)PLC（可編程邏輯控制器）為代表的工業(yè)控制架構(gòu)封閉，垂直煙囪結(jié)構(gòu)導(dǎo)致擴展性差、集成難度大、成本高，這種“算力下不去，數(shù)據(jù)上不來”的控制架構(gòu)，難以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要。
5G虛擬化工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)
5G虛擬化工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)針對工業(yè)無線和開放自動化面臨的挑戰(zhàn)，中國移動打造5G虛擬化工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，以打造技術(shù)創(chuàng)新、性能優(yōu)異、自主可控的5G+工業(yè)端到端高質(zhì)量控制保障技術(shù)為目標，以5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)為錨點，創(chuàng)新確定性、新型短距、虛擬化PLC三大關(guān)鍵技術(shù)，解決干擾環(huán)境下通信質(zhì)量保障難、異構(gòu)協(xié)議接入難、工控業(yè)務(wù)拓展難等問題。
現(xiàn)場部署架構(gòu)圖
5G+TAN確定性實現(xiàn)控制器北向確定性傳輸
面向行業(yè)高確定性需求，5G+TAN（時間明晰網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)通過內(nèi)生雙發(fā)選收、多鏈路冗余傳輸、時延門限控制、跨時鐘域協(xié)同等技術(shù)，提供有界時延抖動、高可靠性、高精度時鐘同步等能力，實現(xiàn)端到端確定性傳輸。在5G（R16）環(huán)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(huán)境下丟包率降低40%以上，時延降低20%以上，實現(xiàn)端側(cè)設(shè)備融合精簡，大幅降低成本。目前已研發(fā)5G確定性工業(yè)網(wǎng)關(guān)和配套的確定性控制器，實現(xiàn)雙5G傳輸，基站無感知切換，保障各類業(yè)務(wù)穩(wěn)定流暢運行。
5G+新型短距實現(xiàn)控制器南向剪辮子
控制器通常采用現(xiàn)場總線協(xié)議以有線方式與I/O連接，近年來出現(xiàn)越來越多的無線化訴求和趨勢，現(xiàn)有的無線技術(shù)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(yè)務(wù)、新場景對網(wǎng)絡(luò)的苛刻要求，如何實現(xiàn)控制器南向剪辮子一直是業(yè)界難題。星閃短距技術(shù)基于全新空口設(shè)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(shù)。基于5G+新型短距進行控制器南向剪辮子，實現(xiàn)廣域通信的蜂窩網(wǎng)絡(luò)與短距網(wǎng)絡(luò)的融合，既可進一步拓展蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，打通現(xiàn)場連接的最后100米，也可與蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)同實現(xiàn)具備雙路冗余特性的確定性傳輸，增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?形成獨特優(yōu)勢。
5G+vPLC實現(xiàn)虛擬化PLC統(tǒng)一編排部署
5G+vPLC（虛擬化控制器）依托實時虛擬化技術(shù)，在x86/ARM通用硬件構(gòu)建實時計算環(huán)境，通過軟硬解耦將傳統(tǒng)PLC變成虛擬化PLC控制服務(wù)。虛擬化PLC采用國產(chǎn)PLC軟件技術(shù)，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(yè)總線協(xié)議虛擬化接入，支持工業(yè)總線協(xié)議與MQTT（消息隊列遙測傳輸）自動轉(zhuǎn)換，PLC任務(wù)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(wǎng)關(guān)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(yè)-鋼企天車無線遠程控制場景
中國移動與某鋼鐵企業(yè)合作，在其熱軋場開展了廠區(qū)14臺天車行車自動化改造。5G確定性工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為行車側(cè)PLC從站北向通信節(jié)點，通過多路冗余確定性傳輸，實現(xiàn)中國移動5G專網(wǎng)2.6GHz和4.9GHz雙頻網(wǎng)絡(luò)的無縫冗余切換，顯著改善現(xiàn)場無線傳輸質(zhì)量，丟包率可降低50%以上、抖動小于10ms，控制業(yè)務(wù)無小區(qū)切換抖動。
無線遠控架構(gòu)圖
案例2：離散行業(yè)-電池組裝線“控制+數(shù)采”二合一替換場景
中國移動與國內(nèi)某新能源廠商合作，在電池組裝產(chǎn)線完成5G+虛擬化PLC技術(shù)驗證應(yīng)用。核心方案是采用一臺安裝虛擬化PLC的5G工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對“傳統(tǒng)PLC+數(shù)采網(wǎng)關(guān)”的二合一替換。5G工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)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(yè)控制網(wǎng)關(guān)不僅提供PLC實時控制服務(wù)，也提供5G數(shù)據(jù)采集、遠程運維服務(wù)。從而將傳統(tǒng)的“現(xiàn)場I/O-PLC-數(shù)采網(wǎng)關(guān)”三層架構(gòu)壓縮成“現(xiàn)場I/O-5G工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)”扁平架構(gòu)，解決了傳統(tǒng)方案控制層級多、專用設(shè)備多，成本居高不下，難以實現(xiàn)無人化/少人化運維等痛點問題，設(shè)備硬件成本和運維成本均下降50%。
離散行業(yè)智能制造架構(gòu)圖及現(xiàn)場圖
隨著個性化商品逐漸成為主流消費方式，流水線大規(guī)模制造標準件的生產(chǎn)方式已無法滿足現(xiàn)有需求，以快速和多樣為特點的柔性生產(chǎn)在生產(chǎn)制造中扮演越來越重要的角色，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)和開放自動化需求強烈。5G確定性工業(yè)網(wǎng)關(guān)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(xiàn)了全無線、全流程、自主可控的高可靠工業(yè)控制應(yīng)用，促進5G深度融入核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，支撐構(gòu)建新型工業(yè)化，助推DOICT融合。
企業(yè)簡介
中國移動研究院成立于2001年，是中國移動“一體四環(huán)”科技創(chuàng)新體系中的內(nèi)環(huán)創(chuàng)新力量，也是中國移動成立最早、領(lǐng)域最全、研發(fā)成果最豐富、高水平人才最集中的研發(fā)機構(gòu)。研究院正積極貫徹落實國家科技創(chuàng)新要求和公司創(chuàng)世界一流“力量大廈”戰(zhàn)略，立足“技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)、企業(yè)與行業(yè)高端智庫、關(guān)鍵平臺與能力研發(fā)”新定位，致力于成為公司融入國家科技創(chuàng)新大局、向世界一流信息服務(wù)科技創(chuàng)新公司轉(zhuǎn)型、科研機制體制改革創(chuàng)新的主力軍，全力支撐公司數(shù)智化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展，支撐科技強國建設(shè)和高水平科技自立自強。
聯(lián)系人：楊博涵
聯(lián)系方式：13810522535yangbohan@chinamobile.com
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