中國移動5G確定性工業生產網測試床
引言/導讀
以中國移動為代表的運營商積極推進5G等新一代信息通信技術的創新發展，為行業數智化轉型構建數字基礎設施底座。特別在5G+工業互聯網領域，中國移動提出從輔助生產到融入生產再到改變生產的發展路徑，全面推進5G賦能數智工廠高質量發展，已在工業制造、能源、港口、礦山等行業，圍繞工業領域30多個典型應用場景，實現5G專網項目的批量落地。隨著5G與工業生產的融合融通，也將進一步影響并帶動工業生產模式的改變。
為了向工業客戶提供一流的確定性5G專網服務，中國移動推動確定性能力從外掛式疊加向內生式供給演進，通過5G架構與確定性能力的深度耦合，實現內生確定性服務的一體化供給，即“確定能力內生供給、確定性能極致服務、確定可靠全局保障”。
確定能力內生供給：通過對5G網絡架構的優化調整以及網絡能力的增強，內生提供組網融通、極致通信、運營保障等端到端確定性服務能力，極小化甚至無需對外部工業網絡提出適配性的改造要求，實現輕量化、插件化部署；
確定性能極致服務：全方位推動5G通信性能的極致化演進，補齊極致低時延、有界低抖動的性能短板，拉長通信大帶寬、空間廣覆蓋的長板，鍛造設備低功耗、網絡高安全的新板，提供滿足工業制造核心生產環節的極致性能服務；
確定可靠全局保障：用全局視角構建5G適配工業網絡的確定可靠安全能力，系統性提供多維度、多層級的可靠性保障手段和安全防護措施，確保工業生產的穩定運行，保障通信網絡以及工業數據的安全。
一、關鍵詞
5G確定性、工業生產網、高精度時間同步、運動控制、智能分揀
二、測試床項目承接主體
發起公司和主要聯系人聯系方式
中國移動通信有限公司研究院
徐要強：13581714550
彭偉杰：18813015878
合作公司
中興通訊股份有限公司
羅克韋爾自動化（中國）有限公司
三菱電機自動化（中國）有限公司
施耐德電氣(中國)有限公司
宏電技術股份有限公司
摩莎科技(上海)有限公司
新華三技術有限公司
航天新通科技有限公司
思博倫通信公司
三、測試床項目目標
在推動5G從輔助生產走向融入生產的過程中，出現了許多新的行業痛點需求。例如，在當前工業生產中的旋轉場景，通常使用滑環實現旋轉設備與周邊固定設備之間的通訊，但滑環通信依賴機械接觸，易老化破損，需定期替換，增加生產成本；傳統工業制造常采用有線方式，產線不易調整，且調整時布線成本高，無法滿足柔性生產需求。面向5G融入生產的這些新需求，亟待攻關解決5G服務于OT工業控制的“組網融通”、“5G確定性”能力提升以及工業控制“算網一體化”等關鍵問題。
確定性通信是指以高精度時間同步為基礎，提供低時延、高可靠、時延抖動有界的通信服務能力，本測試床旨在探索5G+工業確定性網絡的解決方案，錨定工業界最先進、智能的輸送和分揀場景，針對實時I/O通信、機器安全控制、運動控制、虛擬化PLC等工業全場景提供滿足行業需求的確定性服務能力，避免因網絡不穩定，導致產品質量下降、產線停機等問題，助力5G融入工業生產。
實時I/O通信是離散制造、流程工業中最為普遍也最為基礎的通信方式。在測試床規劃中，需驗證5G服務于單/雙無線實時I/O通信、冗余PLC與實時I/O通信、雙發選收冗余傳輸I/O實時通信等通信場景。
運動控制特指PLC控制伺服電機實現精準運動的自動化控制方式，對通信要求最為苛刻。測試床需驗證PLC控制單伺服電機、單PLC控制多伺服電機軸同步運動、多業務流混合組網等場景。
虛擬化PLC是將傳統的硬件PLC以軟件化的方式部署在5G邊緣算力平臺上，進一步降低PLC南向5G控制的時延。需驗證基于5G UPF基座的虛擬化PLC滿足通過5G進行實時IO控制、變頻運動控制、伺服運動控制、觸摸屏交互、調試站交互等工業場景。
5G確定性工業生產網測試床將構建端到端技術驗證平臺、產品測試認證平臺、商用解決方案孵化平臺，貫徹國家5G+工業互聯網發展戰略，滿足工業發展需求，推動5G應用需要向工業生產核心環節滲透。
四、測試床方案架構
1、測試床應用場景
本測試床測試驗證5G應用于數據采集、普通IO控制、機器安全控制、運動控制等工業通信的效果和能力；本測試床測試驗證虛擬化PLC部署于5G邊緣算力平臺實現基于5G通信的南向控制效果和能力。測試床還測試驗證5G用于控制當前較先進工業設備融入工業生產輸送、分揀等核心環節的能力。具體的場景包括：
通過5G控制多私服電機協同運動
通過5G實現機器視覺信息的上傳
通過5G控制Delta分揀機器人
通過5G控制磁驅軌道輸送系統
2、測試床架構
本測試床屬于AII總體架構中網絡互聯部分，其應用場景在AII《工業互聯網體系架構（版本2.0）》中的位置如下圖所示。在關鍵技術驗證上，本測試床重點測試驗證5G端到端確定性技術在高精度時間同步精度、可靠性、時延和抖動等維度可提供的通信服務能力；在應用場景驗證上，本測試床重點測試驗證5G確定性通信技術應用于PLC南向控制現場設備的能力和效果。
AII 工業互聯網實施框架總體視圖（2.0）
3、測試床方案
測試床構建了“工業以太網over 5G”、“工業以太網over 5G TSN”，以及“5G UPF基座虛擬化PLC”三大技術測試路徑：
工業以太網Over 5G
工業以太網Over 5G：5G滿足以EtherNet/IP為代表的工業協議對標準以太網絡的通信和組網需求。
工業控制協議Over 5G + TSN
工業控制協議Over 5G + TSN：5G滿足以CC-Link IE TSN為代表的工業協議對TSN網絡的通信和組網需求。
UPF服務器虛擬化PLC控制
UPF服務器虛擬化PLC控制：5GUPF服務器滿足施耐德EAE虛擬化PLC的運行要求，同時滿足與南向設備的通信需求。
測試床測試方法
在測試方法上，測試床按工業生產網絡的實際應用場景設計用例，按OT設備的最終工況來評判測試結果，關注5G關鍵技術指標，固化測試成果。
4、方案重點技術
5G確定性工業生產網需要5G端到端確定性技術來保障。5G確定性技術是一個技術體系，以5G LAN組網、高精度時間同步為基礎，以低時延、抖動有界，高可靠通信為關鍵目標。通過多種原子技術組合可以分檔分級滿足不同業務的通信需求。
5G LAN工業組網
基于Ethernet PDU會話的5G LAN技術是實現工業設備通過5G實現層二組網的關鍵技術。5G LAN可獨立組網，也可以與現存控制網絡融合組網。不同的LAN網絡可以通過不同的5G VN組進行業務隔離，在同一個5G VN組內可以實現設備之間單播、組播、廣播等通信方式。
5G LAN二層組網
5G LAN組播通信
通過5G LAN組網，5G LAN內部的組播通信，實現主備PLC的冗余部署。
5G高精度時間同步
高精度時間同步是實現工業自動化領域運動控制的基礎技術。PLC與伺服驅動器之間需要完成時間同步，并基于相同的時間基準通過閉環控制實現運動控制。通過5G網絡實現運動控制，需要5G參與時間同步，并保證時間同步精度滿足業務需求。
3GPP標準定義了較為完善的時間同步方案，包括IEEE 1588，TSN 802.1AS等多種時間同步協議，5G對外授時或業務透傳5G進行授時等多種部署方案，以及時間同步能力開放等功能。
3GPP標準高精度時間同步方案
5G低時延，抖動有界
5G低時延保障，以優化無線空口時延為主，優化傳輸網絡時延，核心網設備處理時延為輔。優化無線空口時延主要通過調度策略的優化、幀結構優化、空口資源的冗余傳輸等技術來實現。
5G時延抖動有界保障，當前主要通過TSN 802.1Qbv的時間門口機制來實現，即通過分別位于UE和UPF的DS-TT和NW-TT來實現時延的調節。
5G低時延、抖動有界保障方案
5G可靠性保障
5G網絡的可靠性保障，主要通過冗余傳輸來實現，包括無線空口的冗余傳輸、5G內部的冗余傳輸（TSN 802.1CB）、業務級的冗余傳輸（比如基于TAN協議）等。
5G可靠性保障方案
5、方案自主研發性、創新性及先進性
（1）自主研發性
本測試床的測試需求、測試方案、測試用例由中國移動研究院主導，聯合合作伙伴共同完成。
（2）創新性
創新性地設計了IEEE 1588和TSN 802.1AS等多種時間同步協議多模態的融合部署技術和組網方案。
創新性地解決了5G LAN組播通信實現工業自動化中主備PLC冗余部署的堵點問題。
（3）先進性
業界領先的探索5G在PLC南向進行數據采集、普通IO、機器安全控制、運動控制全場景覆蓋驗證的測試床；
業界領先的探索5G與EtherNet/IP，CC-LINK IE TSN等多種工業協議融合的測試床；
測試床成果在2022年《中國移動5G確定性工業生產網白皮書》中發布；
測試床成果《5G確定性工業生產網在綠色電網和工業控制中的創新實踐》在2022年第五屆“綻放杯”5G應用征集大賽5G增強技術專題賽獲得三等獎。
測試床關鍵技術、組網方案等測試成果通過構建的“5G確定性工業生產網旋轉臺電子齒輪系統”在2023年北京展、上海展進行展示，獲得業界關注和好評。
測試床最新成果《5G UPF基座虛擬化PLC部署方案》在2024年世界物聯網博覽會“面向工業生產控制的5G-A確定性關鍵技術研究與應用示范聯合創新”論壇進行發布。
6、方案安全風險控制
本測試床從5G網絡安全、機器安全控制兩個方面提供安全風險控制。
5G網絡安全：采用5G專網尊享模式，獨享5G無線、核心網設備，滿足生產網絡安全需求，在用5G LAN技術滿足企業業務隔離的業務需求。
機器控制安全：采用安全PLC組網，實現SIL3的機器安全控制級別。
五、測試床實施部署
1、測試床實施規劃
2022年04月-2022年08月：需求調研，架構設計，測試方案設計；
2022年08月-2022年12月：5G確定性工業生產網測試床兩輪組隊測試，驗證5G網絡架構、關鍵技術應用于PLC南向設備控制的可行性；
2023年01月-2023年06月：構建5G確定性生產網旋轉臺電子齒輪系統，驗證5G確定性技術用于PLC南向多伺服電機協同運動控制的效果和能力；
2023年07月-2023年12月：構建5G確定性生產網智能輸送分揀系統，驗證5G確定性技術用于PLC南向控制先前輸送、分揀設備融入工業生產核心環節的能力；
2023年12月-2024年8月：構建5G UPF基座虛擬化PLC部署測試系統，驗證5G UPF服務器是否滿足施耐德EAE虛擬化PLC的運行要求，驗證5G通信是否滿足與南向設備的通信需求；
2023年12月-未來：基于測試床，繼續驗證5G新方案、新能力；同時對合作伙伴開放測試床在5G高精度授時、5G LAN工業組網、5G確定性通信的測試驗證能力。
2、測試床實施的技術支撐及保障措施
測試床由中國移動研究院主建，由羅克韋爾自動化（中國）、三菱電機（中國）、施耐德電氣（中國）、中興通訊、宏電科技、MOXA、H3C、航天新通等合作伙伴提供工業自動化、5G、TSN等領域技術支撐。
3、測試床實施的自主可控性
本測試床采用的5G網絡、5G終端、TSN交換機等設備由國產合作伙伴研發完成，具有自主可控性。PLC、伺服驅動器、私服電機、機器視覺等關鍵設備和關鍵部件，為國際主流自動化廠商生產，工業通信協議遵循國際標準。
六、測試床預期成果
1、測試床的預期可量化實施結果
本測試床預期將獲得如下成果：
5G組網架構實現5G確定性工業生產網的可行性，以及5G關鍵技術的實施效果；
驗證5G設備以及TSN通信設備等關鍵產業能力和短板；
構建可以固化測試床成果的集成系統，并提供可對外開放的測試驗證能力。
2、測試床的商業價值、經濟效益
本測試床充分驗證5G確定性方案在工業控制核心環節全場景的應用，
5G提供高速、低時延的數據傳輸能力，使得工控系統能夠實時、準確的獲取控制數據，從而優化生產流程，提高生產效率；
5G對核心控制環節改造可以與人工智能、大數據等技術相結合，推動工控系統智能化轉型，實現自動化、智能化的生產和管理；
5G實現企業“一網到底”，大大降低企業生產和運營網絡的建設和成本。
3、測試床的社會價值
本測試床可廣泛應用在工業各行業數智化改造的5G+核心控制環節，尤其是多品種小批量的離散制造業。5G確定性工業生產網創新解決方案，旨在打造5G滿足PLC南向與現場設備之間通信，特別是支持工業中對通信要求最為嚴苛的運動控制場景的解決方案。現場展示中，以工業元素、工業形式，非常直觀的呈現了5G在系列確定性技術加持下，服務于PLC無線化控制多軸伺服電機高速嚙合的運動控制效果。該方案的成功實施，充分展示了5G確定性通信能力，對提振產業信心，促進5G全連接工廠的場景、連接上量，促進5G真正融入生產核心環節有著重要意義。
4、測試床初步推廣應用案例
中國移動5G確定性工業生產網測試床，深度契合5G融入生產核心控制環節的需求，一階段成果已在2023北京PT展、上海MWC展、中移合大等展會展出，二階段成果已在2024年世界物聯網博覽會上發布，獲得行業伙伴的廣泛關注，未來在工業企業的核心控制環節5G化改造具有指導和借鑒意義。
七、測試床成果驗證
1、測試床成果驗證計劃
按照計劃，5G確定性工業生產網測試床的構建氛圍三個階段：
階段一：基礎探索，2022-04~2022-12，已完成
驗證5G確定性技術的能力，驗證產業的支持度，驗證5G與工業協議的融合度，驗證5G通信能力對工業自動化應用場景（數據采集、普通IO、機器安全控制、運動控制）的覆蓋能力，發現并解決存在的問題。
階段二：綜合構建，2023-01~2024-04，已完成
將測試床成果應用到綜合測試平臺上，驗證5G用于真實工業設備（電子齒輪、磁驅軌道、Delta分揀機器人等）的控制效果。構建5G UPF基座虛擬化PLC部署測試系統，驗證5G UPF服務器上部署施耐德EAE虛擬化PLC，通過5G與南向設備的通信的效果。
階段三：能力開放，2025~未來，實施中
測試床測試能力對外開放，吸納更多的合作伙伴，孵化面向商用的解決方案，豐富產業配套設備。
2、測試床成果驗證方案
階段一：關鍵測試用例（部分）
基于EtherNet/IP的5G確定性技術測試方案
階段二：綜合測試平臺（5G確定性工業生產網旋轉臺電子齒輪系統）組網和實物圖
5G確定性工業生產網旋轉臺電子齒輪系統組網圖
5G確定性工業生產網旋轉臺電子齒輪系統實物圖（工業部分）
階段二：驗證5G UPF服務器上部署施耐德EAE虛擬化PLC，通過5G與南向設備的通信的效果，測試用例和測試結果
編號 | 描述 | 結果 |
1 | 實時虛擬機VPLC業務對接5G IO站場景 | Pass |
2 | 實時虛擬機VPLC業務對接5G 控制變頻電機按預設頻率旋轉和停止場景 | Pass |
3 | 實時虛擬機VPLC業務通過5G 控制IO站和變頻電機協同動作 | Pass |
4 | 從5G UE下掛的SCADA客戶端訪問UPF服務器內置的非實時應用SCADA服務和實時vPLC業務 | Pass |
5 | 單PLC控制單伺服驅動器工作，以5ms作為發包間隔，采用URLLC技術保證通信可靠性，業務進行過程中，構造故障，業務無影響 | Pass |
6 | 驗證實時虛擬機的最大時延 | Pass |
7 | 驗證實時虛擬機的平均時延 | Pass |
8 | 驗證實時虛擬機空載16線程任務切換性能 | Pass |
5G UPF服務器上部署虛擬化PLC測試用例和測試結果
八、與已存在AII測試床的關系
5G確定性端到端測試床是對現有AII測試床體系的補充，豐富了5G確定性技術在實時IO控制、機器安全控制、伺服運動控制、磁驅控制以及機器人控制等場景的測試驗證方法。
九、測試床成果交付
1、測試床成果交付件
測試床的交付件包括：
測試方案和測試報告；測試平臺兩套，“5G確定性工業生產網旋轉臺電子齒輪系統”、“5G確定性工業生產網智能輸送分揀系統”；專利若干。
2、測試床可復制性
測試床成果可在工業制造領域，特別是基于EtherNet/IP、CC-LINK IE TSN、Modbus TCP等工業協議的數據采集、普通IO控制、安全控制等場景進行推廣復制，在運動控制等對通信嚴苛的應用場景做商用探索。
3、測試床開放性
本測試床從構建之初就凝聚了包括5G廠商，自動化頭部企業，以及IT通信等合作伙伴的廣泛共識。在中國移動研究院的主導下，大家共同發掘行業關鍵痛點問題，識別5G關鍵、討論測試方案制、構建落地測試床，共同推薦5G的向工業生產核心環節滲透。
十、其他信息
測試床使用者：測試床初期僅限現有合作伙伴使用，待成熟后面向行業伙伴征集技術合作測試項目。
測試床知識產權說明：中國移動通信有限公司研究院對本測試床的建設、運營以及使用擁有產權，本測試床相關的技術、專利、軟件著作權等在測試建設合作單位中根據情況協商確定。
測試床運營及訪問使用：測試床部署在中國移動國際信息港（北京昌平）。初期僅限項目參與單位開展技術驗證，待成熟后將征集更多合作伙伴共同規劃新技術驗證。
測試床資金：三年總投入預計約200萬人民幣，中國移動研究院自主投入。部分設備合作伙伴提供。
測試床時間軸
本測試床通過兩年的運行，目前已取得多項階段性進展，并進行了發布。2024年的工作重點包括，繼續按原計劃進行5G確定性關鍵技術的驗證和商用方案的孵化，推動測試床驗證能力的對外開發，吸納更多的合作伙伴參與進來，為5G在行業的發展做更多的貢獻。
中國移動5G確定性工業生產網測試床工作計劃時間軸
聲明
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