文献标识码：B文章编号：1003-0492（2024）05-068-07中图分类号：TP393

★姚维兵，吴锡杰，贺毅，杨猛（广州明珞装备股份有限公司，广东广州510535）

关键词：5G通信网络；控制系统；高实时性

1　引言

在国际上，5G技术在工业控制领域的应用正处于全球范围内的探索和推广阶段。国外运营商、设备厂商与工业用户联合开展评估和测试，共同探索5G技术在自动化产线控制、设备协同作业和机器远程控制等多个场景的应用价值。然而，在这一探索过程中，出现了一些痛点，如设备多层组网、数据传输难以兼容、采集效率低以及移动会造成物理通讯故障等问题。此外，协议接口多、硬接线施工周期长、网络改造困难、灵活性差也是当前面临的挑战。

在国内，5G与PLC的结合已经成为工业控制系统智能化变革的先导和探索热点。PLC作为工业自动化的核心控制器，与5G技术的融合，带来了功能、形态和结构的变革，可实现更智能、更可靠和更安全的工业控制。目前，5G在工业控制领域已经进入规模推广阶段，国家及地方不断发布智能制造、工业互联网、数字化转型等相关政策，推动5G在重点行业领域的应用。中国移动、华为、海尔等已经利用5G技术实现了工厂内的设备实时监控和自动化控制；浙江移动联手华为助力宁波爱柯迪建成了全省首个5GLAN工厂；上海移动联合宝山钢铁应用5G赋能宝钢工厂协同智造。国内标准化组织也在积极发布一系列工业5G应用的技术标准，指导5G在工业控制领域的应用^[3]。

综上所述，5G与工业融合创新已成为产业发展的必然趋势，将为工业控制领域带来前所未有的技术变革和发展机遇。在高端装备领域，实时控制系统的高性能和高效率对提高装备的精密度、稳定性和智能化水平至关重要。5G通信网络作为新一代通信技术^[1]，具备更高的传输速率和更低的时延，为高端装备中的实时控制系统的发展提供了崭新的机遇和挑战。

本文基于高端装备制造领域中实时控制的需求和5G网络通信技术在高端装备制造中的应用，并对5G通信网络拓扑结构进行了深入研究。通过利用5G通信技术，本研究成功实现了高端装备中毫秒级的实时控制^[10]。同时，本研究对高端装备中毫秒级的实时控制的网络拓扑结构进行了分析和优化，为高端装备中的毫秒级高实时控制提供了新的解决方案，为实现工业制造数字化、柔性化、智能化提供了新的思路。

2　高端装备的高实时控制系统需求分析

2.1　高端装备的工作环境和任务需求

随着科技的不断发展和进步，高端装备的工作环境变得越来越复杂和恶劣，高端装备的工作环境和任务需求是影响高实时控制系统性能的重要因素。而在工业领域，高端装备常常需要在高温、高压、高速等特殊工作环境下运行，它们在工作过程中，往往需要在极短的时间内做出反应和调整，以保证装备的正常运行和安全性。例如，在工业装备中，需要在毫秒级时间内对设备进行监控和调整，以保证生产的效率和质量。

高端装备中的毫秒级高实时控制系统需要具备一些关键技术。例如，需要采用高性能的处理器和实时操作系统，以保证控制系统的快速响应和稳定运行。同时，还需要采用高精度的传感器和执行器，以获取和执行控制系统的精确指令。此外，为了保证系统的可靠性和安全性，还需要采用冗余设计和故障检测与容错技术^[11]。

为了实现毫秒级高实时控制，5G通信网络拓扑在高端装备中得到了广泛的应用^[8]。5G通信网络拓扑具有高速、低延迟、大容量等特点，可以满足高端装备对于实时性和可靠性的需求。通过使用5G通信网络拓扑，高端装备可以实现与其他设备和系统的高速数据交换和传输，可以实时获取和处理各种传感器和监测设备的数据，从而实现对装备状态和工作环境的实时监控和调整，保证了高端装备的正常运行和安全性。在未来的研究中，我们还需要进一步探索和优化高实时控制系统的性能和可靠性，以满足不断发展的高端装备需求。

2.2　高实时控制系统的技术要求

高实时控制系统在高端装备中具有重要的应用价值。为了确保系统的高实时性，系统需要满足高性能的计算和处理能力、高速的数据传输能力、高精度的数据采集和控制能力，以及高可靠性和安全性的要求。只有具备强大的处理器、高速的内存和存储设备，使用高速的通信设备如5G网络，结合高精度的传感器和执行器，以及精确的控制算法，才能确保系统在毫秒级的时间范围内实时响应控制指令并完成相应操作，并在各种复杂环境下稳定运行，抵御各种安全威胁。

2.3　5G通信网络在高实时控制系统中的作用

高实时控制系统在高端装备中起着至关重要的作用，能够实现毫秒级的响应时间，对于提高装备的效率和性能具有重要意义。而通信网络作为高实时控制系统的基础设施之一，对系统的稳定性和可靠性起着关键作用。本节将重点探讨5G通信网络在高实时控制系统中的作用。

5GURLLC通信网络具有较高的传输速率和较低的时延^[8]，能够满足高实时控制系统对数据传输的要求。在高实时控制系统中，控制指令的传输速度和时延是至关重要的，因为任何延迟都可能导致系统的不稳定甚至故障。而5G通信网络能够提供稳定的传输速率和低时延，确保控制指令能够及时准确地传输到设备端，从而保证了系统的高实时性。

在高实时控制系统中，数据传输的可靠性是非常重要的，任何数据丢包或错误都可能导致停机。5G通信网络具有较强的抗干扰能力和稳定性，能够保证数据的可靠传输。

在工业现场环境下，往往存在大量的设备和传感器，这些设备分布在不同的位置，面临不同的环境条件。而5GURLLC通信网络具有较大的覆盖范围和较强的穿透能力，能够实现设备之间的远程通信，确保了系统的高实时性。

5G通信网络在高实时控制系统中具有重要的作用。它能够提供稳定的传输速率和低时延，能够确保控制指令的及时传输；它具有较强的抗干扰能力和稳定性，能够保证数据的可靠传输；同时它具有较大的覆盖范围和较强的穿透能力，能够满足复杂环境下的通信需求。因此，在高端装备中的毫秒级高实时控制系统中，5G通信网络的应用具有重要意义。

3　毫秒级高实时控制系统5G网络拓扑的理论研究

3.1　5G通信网络在控制领域的应用挑战

随着5G通信技术被广泛应用，工控领域也迎来了新的机遇和挑战^[4]。在高实时控制系统中，5G通信网络可以部署实现数字化、智能化和柔性化产线控制网络结构，但是，面对工作环境严峻、技术要求高的工业控制领域，5G通信网络也同样面临着一些挑战：

（1）工业控制系统的高可靠性和低时延性对5G通信网络提出了更高的要求。在实时控制和远程操作中，任何网络延迟或信号丢失都可能导致生产事故或质量问题，因此需要确保5G无线网络的稳定性和可靠性。

（2）在生产过程中，随着工控设备的增加，设备间互联和数据传输量也大大增加，对5G网络带宽和服务器数据处理能力提出了挑战。如何有效管理和优化工控系统的数据流量，确保实时性和准确性，也是5G通信网络技术需要解决的问题之一。

（3）5G网络的开放性同时增加了安全方面的风险，工控领域对网络安全和隐私保护有着高要求，需要采取高安全级别的措施，来防止网络被恶意攻击或数据泄露。

综上所述，5G通信在工控领域的应用虽然带来了许多机遇，但也面临着诸多挑战，需要在技术、管理和安全等方面持续进行创新和优化，以实现工业生产的数字化和智能化落地。

3.2　5G网络拓扑在毫秒级高实时控制系统中的应用场景分析

5G作为新一代移动通信技术，具有大带宽、高可靠、低时延、广连接的特点，不仅可以应用到简单的数据采集，还能在实时控制等多个层面发挥作用。在工业应用实时等级与应用领域的划分中，5G的空口时延可以达到1ms，能够支撑端到端时延要求在毫秒级的应用场景。5G在工业领域的通用场景分析如下：

（1）5G+实时控制：利用5G实现实时控制，可以让设备之间（如机器人与机器人）实现协同操作，提升了生产效率和灵活性。

（2）5G+视觉检测：使用工业相机对工件或产品进行质量检测，并通过5G网络传输拍摄的视频或图片以及质量分析结果，可以实现实时监测和质量把控。

（3）5G+数字孪生：通过对生产线进行信息建模，可以实现生产线数字孪生，利用5G网络的大带宽可以实现物理世界与信息空间的双向流通，提升了生产效率和质量管理水平。

（4）5G+智能运维：依靠5G通信的高速数据交互特性，传输制造装备的健康状态和故障诊断数据，可以实现跨工厂跨地域的远程运维与预测性维护，提高了设备利用率和生产效率。

（5）5G+远程控制：借助5G无线网络技术可以实现远距离作业下对现场设备的远程操控，提高了工作效率和安全性，实现了“无人工厂”。

这些应用场景充分展示了5G在工业控制领域的潜力和广泛应用前景^[2]，也说明了5G网络拓扑可以在毫秒级高实时控制系统中成为重要的角色。通过优化网络拓扑结构，结合数字化应用，可以提高系统的实时性、可靠性和安全性^[9]，从而为用户制定生产计划和故障处理策略。因此，5G网络拓扑的加入，有助于扩大工业控制系统的应用场景范围、提高产线性能和保证生产过程中数据的传输可靠性，为工业生产带来了数字化、智能化、柔性化的工业数字化智能制造解决方案，推动了工业制造向数字化转型。

3.3　毫秒级高实时控制系统中5G网络拓扑的方案构想

5G通信技术的快速发展和广泛应用，为高端装备中的毫秒级高实时控制系统提供了更为可靠和高效的通信手段。在毫秒级高实时控制系统中，5G网络拓扑的构建和优化成为了一个重要的研究方向。本章将重点探讨在高实时控制系统方案中构建5G网络拓扑的相关内容。

构建5G网络拓扑需要考虑到系统的实时性和稳定性。在高实时控制系统中，数据的传输延迟要求非常高，因此需要采用低延迟的5G通信技术^[6]。为了提高系统的稳定性，需要设计多层次的网络结构，将控制节点和数据节点分开，并采用冗余设计，以保证系统的可靠性和容错性。

传统的焊装车间工业网络如图1所示，采用双绞线的有线工业以太网和现场总线，结合多层交换机进行汇聚和叠加，实现了IT网络与OT网络的软隔离。它通过L3交换机路由互通，实现了系统间的高效通信与数据交换。此外，PMC、AVI和Andon系统单独服务器部署，虽然成本较高，但提供了更高的可靠性和性能表现^[12]。

图1 焊装车间传统网络拓扑架构

这种网络架构在焊装车间中发挥着重要作用，确保了生产设备的稳定运行和数据的可靠传输。同时，软隔离的设计使得IT网络和OT网络能够独立运行，提高了系统的安全性和稳定性。通过多层交换机的汇聚和叠加，网络能够支持大规模设备的连接，实现了高效的数据传输和处理。总的来说，这种网络架构为焊装车间提供了可靠、高效的通信和数据交换基础，为生产运营提供了有力的支持。

5G通信技术优化后的工业网络拓扑结构如图2所示，除伺服/变频器之外的所有设备通过5G工业网关/5GCPE/5G模组联网，实现了IT/OT的深度融合，大大节省了线缆与现场的空间成本。同时，PMC、AVI和Andon等服务器也部署在5G网络的边缘平台上，实现了网络与业务的融合，进一步节省了服务器成本。

图2 5G改造后的焊装车间网络拓扑架构

通过5G技术网络拓扑优化后的工业网络提升了车间的智能化水平和生产效率，实现了设备的无线联网，提升了网络的灵活性和可扩展性^[9]，给生产过程提供了更高的数据传输速率和稳定性，奠定了未来工业制造与网络通信技术融合应用的基础。

4　毫秒级高实时控制系统5G网络拓扑的应用和效果分析

4.1　毫秒级高实时控制系统5G网络拓扑应用场景

（1）实验室应用场景

如图3所示，I/O（ET 200SP）上安装了两个安全模块、两个普通I/O模块，IPC427E上运行软PLC组态软件，对IO设备进行读写操作。

I/O（ET 200SP）网线连接SE6100，通过双模组业务链路配置FRER，业务设定CT=8ms，WDT=24ms，IPC427E上运行业务监控软件，通过5G网络检测PLC与I/O状态。

网络配置4.9G双小区，采用DS帧结构，切片+5QI预调度；两台综测仪配置C2IO同样大小交互报文进行ping包测试，记录报文的RTT时延。

图3 实验室业务组网

（2）展厅焊装车间应用场景

如图4所示，机器人、阀岛、远程I/O等设备通过网关SE6100接入5G网络，网关SE6100双模组业务链路配置FRER，业务设定CT=8ms,WDT=24ms，PLC（1516F）通过5G网络控制现场机器人、阀岛等设备。

网络配置4.9G双小区，采用DS帧结构，切片+5QI预调度；两台综测仪配置C2IO同样大小交互报文进行ping包测试，记录报文的RTT时延。

4.2　毫秒级高实时控制系统5G网络拓扑应用测试

作为5G-A新技术时延第二阶段测试目的之一，中国移动集团组织厂家在各省分公司联合企业进行工业基站验证，以推动5G赋能工业场景5G工业基站在广州明珞的测试验证表明5G工业基站以及当前5G网络能力可以满足在汽车生产行业中的应用，进一步推动了5G与工业OT网的融合。

测试目标如下：

（1）验证工业基站可以用于C2IO业务场景，即PLC到IO的实时逻辑控制，PLC控制安全I/O的场景，即通过PLC可以控制安全DI/DO；

（2）考虑业务测试的可靠性，因此本次测试分为实验室测试和展厅产线测试两个场景；

（3）明珞实验室环境里，PLC-安全I/O运行7×24h不断连；

（4）基于明珞展厅焊装车间的场景，验证在PLC通过5G网络，并由5G工业基站连接到现场I/O进行控制，即PLC-5G工业基站-I/O-执行机构的稳定运行，PLC-安全I/O控制下无断链告警，业务可不间断运行7×24h；

（5）测量网络时延可靠性要求达到业务单向8ms@99.99%，也即网络双向16ms@99.99%，要求至少达到30万包的Ping包测试量，Ping包间隔及大小同PLC-I/O实际业务场景。

4.3　毫秒级高实时控制系统5G网络拓扑的效果分析

实验室组网测试数据如表1所示。

表1 实验室组网测试数据表

实验室Ping包测试如图5所示。

（a） 实验室业务ping包时延区间统计表

（b） 实验室ping包时延散点分布图

图5 实验室Ping包测试图

经过连续10天的ping包业务拷机测试：

（1）业务丢包率为0%；

（2）RTT平均时延为8.092ms；

（3）网络RTT双向时延可靠性16ms@99.99999%；

（4）网络RTT双向时延可靠性10ms@99.999%。测试结果：网络性能达到预期效果。

表2 展厅焊装车间组网测试数据表

展厅产线Ping包测试如图6所示。

（a） 展厅网络ping包时延区间统计

（b） 展厅网络ping包时延散点分布图

图6 展厅产线Ping包测试图

经过连续7天的ping包业务拷机测试：

（1）业务丢包率为0%；

（2）RTT平均时延为8.055ms；

（3）网络RTT双向时延可靠性16ms@99.9999%；

（4）网络RTT双向时延可靠性10ms@99.999%。

测试结果：网络性能达到预期效果。

测试结论：本次通过实验室与产线真实生产环境相结合，对网络业务做了充分的测试验证，结论如下：

（1）在开启DS帧结构、FRER双发选收的情况下，端到端时延16ms的可靠性可以达到99.999%以上，从而满足WDT=24ms的业务要求；

（2）从业务测试来看，在C2IO业务场景下，CT=8ms、WDT=24ms的业务配置，能够满足7×24h业务不间断连续运行；

（3）测试开始发现PLC回包中有超过1500字节的大包，导致业务不通，经过定位发现模组不支持大包，移远通过版本解决，建议针对工业场景，模组对MTU不要做限制。

4.4　毫秒级高实时控制系统5G网络拓扑应用的价值影响

本文研究了5G通信网络在高端装备中毫秒级高实时控制系统中的拓扑结构，分析了其效果及在不同应用场景下的适用性。5G通信网络采用分布式拓扑结构和多小区部署，能实现低时延、高可靠性和大容量，提高了控制系统性能。在未来研究中我们可进一步优化拓扑结构以满足不同需求。明珞、移动、中兴在控制产线的各个方面发挥了各自的优势，他们通过测试应用，将融合5G技术和工业解决方案落地，在技术创新上带来了巨大的价值影响。毫秒级高实时控制系统的5G网络拓扑架构为离散制造行业带来了创新的解决方案，帮助了企业应对痛点和业务需求，推动了行业向智能化、数字化转型，实现了产线现场的实时控制，提高了生产效率，实现了降本增效，优化了资源利用，为制造行业带来了更好的质量和更强的竞争力，引领了行业革命性变革。

5　总结与展望

综合以上研究成果，我们对高端装备中的毫秒级高实时控制系统与5G通信网络拓扑的研究与应用进行了深入探讨，并通过分析高端装备的工作环境和任务需求，引入了5G通信网络技术。我们发现5G技术在优化高端装备制造产线架构和提高产能方面具有巨大的潜力。在毫秒级高实时控制系统的研究中，我们应用了5G网络拓扑结构对车间工作站方案进行了优化设计，实现了更高效、更稳定的控制系统，提高了产线的生产性能和生产可靠性。

尽管我们的研究取得了一定成果，但仍存在一些不足。如实验数据和案例研究少，不具有说服力，需要进一步验证方法和结论的可行性和有效性。我们计划进行充分的测试和验证以证明5G网络可以满足关键业务需求，通过此来消除项目部门对5G网络技术能力的顾虑。同时，我们将继续现场的组网优化设计研究，确保5G网络与现有系统无缝对接，实现业务数据的高效流动和共享，进一步优化工业数字化智能制造解决方案，为未来的研究和实践提供更多的参考和借鉴。这些工作将为5G与工业网络集成提供宝贵经验，将推动相关领域的发展。

★广州市产业领军人才集聚工程项目支持：广州市创新领军团队（合同编号：201909010005）。

作者简介：

姚维兵（1979-），男，湖北荆州人，硕士，现任广州明珞装备股份有限公司董事长兼CEO，主要从事智能装备关键核心技术和设备的研究开发和产业化应用方面的工作。

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摘自《自动化博览》2024年5月刊