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——一种将TSN与5G技术结合的无线多工业总线协议阀岛

在工业的宏大舞台上，科技上午飞速发展正以令人惊叹的速度翩翩起舞，一场融合了TSN（时间敏感网络）与5G技术的融合的变革，上海勃傲自动化为无线多工业总线协议阀岛带来崭新的浪漫篇章。

TSN（时间敏感网络），如同一位精准的指挥家，通过优化以太网协议，凭借其高精度的时间同步和确定性通信能力，让数据在网络中有序流淌。而5G技术，则像是一位灵动的舞者，以其低延迟、高带宽和大容量的特性，为工业无线通信提供了强大的支持让工业设备释放出无限的活力。

当TSN（时间敏感网络）与5G这两位“舞伴”携手，共同融入无线多工业总线协议阀岛时，一场震撼人心的工业“舞会”就此拉开帷幕。总线阀岛作为工业自动化系统中的关键部件，在TSN与5G的加持下，体现惊人的能量。

01  浪漫篇章 |技术亮点

1. 主要技术亮点

1.1 低时延与高可靠性传输

5G的uRLLC与TSN功能匹配，可实现最低空口时延1ms、时间同步误差<1μs，其低时延高可靠传输能力能满足工业自动化实时控制与监测要求，如机械臂协同作业可实现毫秒级及更低端到端时延，确保精准协同。

1.2 精准时间同步

TSN和5G网络各有时钟同步机制。通过UE（用户设备）、gNB（基站）和UPF（用户面功能）之间的时钟同步，5G作为TSN网桥时，能够保障数据传输的确定性时延。精准时间同步确保工业设备协同，避免时钟偏差致生产问题。如基于云原生的5G - TSN方案同步精度小于600ns，满足工业自动化时间同步要求。

1.3 灵活的网络资源管理

5G网络的大带宽和高容量特性，为工业网络的扩展提供了有力支持。通过网络切片技术，5G网络可以为不同的工业应用创建逻辑上独立的网络切片，每个切片可根据特定的业务需求进行资源分配和优化。例如，在同时支持远程控制和视频监控等不同业务时，确保各自的服务质量。

1.4 强大的互联互通能力

TSN技术基于标准以太网协议，具有良好的互联互通优势。5G技术则为无线设备提供了广泛的接入能力，使得无线多工业总线协议阀岛能够与各种工业设备和系统进行通信，打破信息孤岛。例如，在智能工厂中，移动机器人可以通过5G与固定设备进行通信，同时固定设备之间的通信则通过TSN有线网络进行，实现无线与有线网络的协同工作。

1.5 开放性和可扩展性

TSN具有协议开放的特点，易于与其他系统和设备进行集成。这种开放性使得无线多工业总线协议阀岛能够适应不同的工业应用场景和设备需求，便于在现有工业网络基础上进行升级和扩展。例如，随着工业生产规模的扩大和设备数量的增加，无线多工业总线协议阀岛能够灵活地扩展网络容量，满足不断增长的连接需求。

1.6 多协议自适应切换

阀岛支持CC-LINK IE、PROFINET、Ethernet/IP、等多种工业总线协议的自适应切换。这一特性使得阀岛能够无缝对接不同厂商的设备和系统，极大地提高了工业现场的灵活性和兼容性。例如，在复杂的工业自动化环境中，设备可能来自不同厂商，支持多种协议自适应切换的阀岛能够确保这些设备之间的通信和协同工作。

2. 核心技术内容

2.1 5G TSN融合技术

5G系统与TSN网络系统在技术上融合创新并协同部署。通过支持802.1Qci和802.CB协议以及5G Delay Critical GBR QoS management功能，同时在控制面引入TSN AF（应用功能），用户面引入NW-TT（UPF侧）和DS-TT（UE侧），实现相关端口、协议数据单元以及QoS机制的映射。这种融合技术能够支持TSN相关流量的调度，确保端到端的确定性连接。

2.2 时间同步技术

采用高精度时钟同步技术，如IEEE 1588v2、GPS、北斗卫星等，实现μs级时钟同步。通过5G系统分发外部时钟，以及通过SIB9和UAI配置实现5G网络时钟同步。例如，5G网络中的gNB可从5G GM获取时钟后传递给UE和UPF，TSN网络则基于IEEE 802.1AS规范实现域内时间同步。

2.3 流量调度技术

TSN中的流量分类与5G网络的业务类型建立映射关系，同时保留TSN对于流量配置的相关标记。5G网络通过QoS为TSN数据包分配优先级，保障TSN数据包的优先级和可靠性。例如，5G系统的TSN AF可将本地配置或来自TSN网络控制器的QoS信息映射为TSN QoS参数，PCF则将TSN QoS参数映射为5G QoS参数。

2.4 网络切片技术

为不同的工业应用创建逻辑上独立的网络切片，每个切片可根据特定的业务需求进行资源分配和优化。通过网络切片技术，5G网络能够更好地满足工业环境中多种业务对网络资源的不同需求。例如，在智能工厂中，不同的生产环节可以通过不同的网络切片进行通信，确保各自的服务质量。

2.5 协议自适应切换技术

阀岛完成了5G与工业协议

（PROFIET.ETHERNET/IP,MODBUS-TCP,CC-LinkIE FiledBasic,CC-LinkIE TSN等）的适配，可以自主完成不同协议的切换。这种协议切换技术使得阀岛能够能够根据连接设备的协议类型自动识别并切换相应的通信协议，无需人工干预。这种自适应切换机制基于协议识别和配置管理技术，确保设备在不同协议环境下能够无缝通信。

3. 与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较

3.1 主要参数比较

3.2 效益比较

3.3 市场竞争力比较

4. 综合分析

本技术：结合5G和TSN技术，支持多种工业总线协议，具有低时延、高可靠性、精准时间同步等优势，能够显著提高生产效率，降低维护成本，提升系统灵活性。适用于智能制造、智能电网、智能交通等多个领域，具有较高的市场竞争力。

国内外同类技术：国内外同类5G和TSN技术都处于发展初期，技术成熟度有限，主要应用于智能制造和工业自动化领域。

综上所述，本技术在技术先进性、创新性和市场竞争力方面具有显著优势，能够有效解决企业的痛点，推动工业物联网的发展，具有广阔的应用前景和市场潜力。

02   浪漫篇 | 应用情况和效益

1、应用情况

5G商用三年来，产业成效已经初步显现，目前多家车企制造企业正在开展5G工厂创新，5G+工业互联网将是汽车制造领域新的发力点，期望5G的URLLC特性能够打破传统工业网络结构，解决现存网络痛点。

2、实际应用案例

2.1. 智能制造生产线

某焊装车间平面布局图

应用背景：某汽车制造焊装车间的平面布局图如上，车间面积44544㎡，该车间每年总产能20万台，每64秒输出一辆焊装车身。整个车间包含机器人370多台，主要完成焊接、搬运、涂胶、弧焊、铆接、螺柱焊等工艺。车间内存在多种物料运送方式，车身下部线、主线、补焊线内部采用辊床滑撬输送，工位节距6米；其余各线体区域内通过机器人搬运的形式完成工件的输送；机舱前地板总成、后地板总成、侧围总成及顶盖总成通过EMS小车输送至主线进行合拼。

解决方案：该企业采用了本项目开发的基于5G和TSN的工业总线阀岛。系统通过5G网络实现了阀岛设备的无线化部署，同时利用TSN的高精度时间同步功能，确保了设备之间的精确协同工作。

应用效果：

工艺方案1：机器人工具抓手案例

5G阀岛在机器人工具上的安装应用

工艺方案2：转台夹具设备

生产效率提升：5G相比有线是扁平化架构，组网简单；并提供IT非实时与OT实时多业务共用一张网的能力，从而降本增效。生产效率提高了30%，生产周期缩短了20%。

设备可靠性提高：顶盖线体在5G化改造后，主PLC与现场设备之间，以及机器人PLC与下挂IO之间的实时数据交互，采用5G URLLC进行连接。5G一张网支持实时/非实时业务，主PLC通过5G UPF接入, 现场设备通过5G终端星型扁平化接入。其中5G 基站部署在车间，5G UPF下沉车间，提供实时网络交互。设备故障率降低了50%，生产中断时间减少了60%。

灵活性增强：传统工业网络存在不柔性，不智能等问题， 5G URLLC应用于焊装车间，将为汽车制造会带来三大类价值场景、去掉有线束缚的柔性化应用、IT/OT融合智能化应用、创新应用

3.电子总装场景IT/OT融合智能化应用

应用背景：小家电制造工厂，分为钣金、电子、注塑、磁控管和总装几大车间。其中总装车间连接场景最复杂。如下图所示，是某厂家微波炉总装车间布局：

某小家电总装车间布局

以某厂家微波炉总装生产线为例，该生产线整合了微波炉的所有20L平台，年产量稳定在200万以上，可以有效地保障设备稼动率。在充分考虑整线自动化的可行性基础上，结合线外组件化和预定位，线上装配和智能化AGV配送系统并搭配信息化，实现生产过程的全管控。

产线基本情况：线长≤86m，线宽≤8m，自动化工位29个，机器人10台，AGV2台，不良下线点5个，返修上线点2个，生产节拍10秒。

图4-4 某小家电总装产线

总装车间总面积约5万平米，总装产线大约50条。

该微波炉总装线自下而上依次是现场设备层、分段控制层和整线控制层，工业以太网主要使用CC-Link IE。总装线的控制一共分为4段，设备总共17台从PLC分别控制各段设备。同时设置主PLC和工控机进行整条线的协同控制，以及与车间MES系统的通信。

总装车间的整体组网情况：主PLC与MES之间采用标准以太网,  主PLC与从站PLC之间采用工业以太网（CC-Link IE），从站PLC与现场设备之间采用信号电缆。

在上述微波炉总装产线，从PLC与工位执行机构之间的现场实时控制采用信号电缆，机器人与视觉工控机之间的数据采集和控制信号采用工业以太网。传统有线网络的主要问题：布线费时费力，且通信易受到来自电源、变频器等设备的电磁干扰。

解决方案：该企业引入了本项目的工业总线阀岛，利用5G网络的无线化特性，实现了仓储设备的灵活部署和高效通信。系统支持多设备连接，能够实时监控和控制仓储设备的运行状态。

应用效果：

小家电总装产线5G化改造前后组网架构

5G化改造后，将现场I/O和集中部署的PLC用5G URLLC连接起来，承载了CC-Link IE协议，主PLC与下挂设备之间的数据全部采用5G承载。

成本降低：小家电产线自动化变革，人工线变为自动线，引入更多自动化设备和机器人，减少人力，支持面向C2M的小批量多品种的柔性生产。布线成本降低了40%，维护成本降低了30%。

设备灵活性提高：智能从站，引入更多自动化设备和机器人，现场自动化设备数量和种类增加。机器人等现场设备的控制由主PLC统一处理，不需要再设置工位上的从PLC。

系统可靠性增强：系统运行稳定，数据传输可靠，设备故障率降低了40%。

02  浪漫篇 | 用户反馈

1. 汽车制造企业

“采用5G和TSN结合的工业总线阀岛后，我们的生产线变得更加灵活和高效。针对一些特殊工艺设备：工具切换、MES线、转台、转鼓、滑台、升降设备等，剪辫子应用在生产效率方面显著提高，设备故障率大幅降低。系统的稳定性和可靠性超出了我们的预期，为我们的智能制造转型提供了有力支持。”

2. 家电企业

“现场设备层级控制网络在引入5G与TSN工业总线设备后，我们的流水产线设备布局更加灵活，布线成本和维护成本大幅降低。系统运行稳定，数据传输可靠，设备故障率明显减少。这不仅提高了我们的运营效率，还提升了我们的市场竞争力。

03  浪漫篇 | 市场推广情况

1. 行业认可

本项目的技术成果在多个行业得到了广泛认可。项目团队已与多家知名企业建立了合作关系，共同推动技术的推广应用。项目成果已入选多个行业展会和研讨会，获得了行业专家和用户的高度评价。

勃傲5G工业总线产品受邀参加2024MWC巴塞罗那

勃傲5G工业总线产品受邀参加2023迪拜MBBF

2023年 5G世界大会 勃傲5G工业总线产品接受媒体专访

长城产线 勃傲5G工业总线阀岛应用

上海法信产线 勃傲5G工业总线阀岛应用

2. 市场拓展

项目团队积极拓展市场，将技术成果推广到更多行业和领域。目前，系统已在汽车制造、物流仓储、能源管理等多个行业实现了应用，并取得了良好的效果。未来，项目团队将继续拓展市场，推动技术的广泛应用。

3. 用户培训与支持

为了确保用户能够更好地应用和维护系统，项目团队提供了全面的用户培训和技术支持服务。通过线上线下相结合的方式，为用户提供系统操作、维护和优化等方面的培训。同时，项目团队还建立了专业的技术支持团队，为用户提供及时的技术支持和解决方案。

04  浪漫篇| 技术成果及预期

1. 技术成果

1.1 系统开发与集成

本项目成功开发了一种将TSN与5G技术相结合的工业总线阀岛。该系统集成了5G通信模块、高精度时间同步模块、实时控制模块以及智能化诊断与维护功能，实现了工业总线阀岛的无线化部署和高效实时控制。通过模块化设计，系统具备良好的可扩展性和兼容性，能够与现有的工业自动化设备无缝对接。

1.2 性能验证与测试

经过严格的测试和验证，系统在多个关键性能指标上达到了预期目标：

通信延迟：系统通信延迟低于4毫秒，满足高实时性控制需求。

数据传输速率：系统支持高达10Gbps的数据传输速率，能够处理大量实时数据。

时间同步精度：系统时间同步误差控制在微秒级别，确保设备协同工作的高精度。

可靠性：系统丢包率低于0.1%，在复杂工业环境中表现出色。

1.3 应用案例与示范

本项目已在多个实际工业场景中进行了应用示范，包括智能制造生产线、自动化仓储系统和远程监控系统。在这些场景中，系统表现出色，显著提高了生产效率和设备可靠性。例如，在某智能制造生产线中，系统实现了高精度的实时控制，生产效率提高了30%，设备故障率降低了50%。

2. 预期效益

2.1 经济效益

成本降低：通过无线化部署，减少了布线成本和施工难度，降低了初始投资成本。同时，减少了因网络故障导致的生产中断，降低了维护成本。

效率提升：系统高实时性和高带宽特性显著提高了生产效率，缩短了生产周期，降低了生产成本。预计企业生产效率可提高30%-50%，生产成本降低20%-30%。

市场竞争力：系统的技术优势能够提升企业的市场竞争力，为企业带来更多的市场份额和经济效益。

2.2 社会效益

推动产业升级：本项目的技术成果将推动工业自动化领域的技术升级，促进智能制造的发展。通过无线化和智能化的控制方式，企业能够更好地适应市场变化，提高生产效率和产品质量。

促进技术创新：项目的成功实施将激发更多相关领域的技术创新，推动5G技术在工业自动化中的广泛应用，为工业互联网的发展提供新的思路和方向。

提升行业标准：项目的技术成果有望成为行业内的标杆，推动相关标准的制定和推广，提升整个行业的技术水平和竞争力。

3.未来发展方向

3.1. 技术优化与升级

5G网络性能提升：随着5G技术的不断发展，将进一步优化网络性能，降低延迟，提高数据传输速率，为系统提供更强大的通信支持。

智能化功能拓展：结合人工智能和大数据技术，进一步拓展系统的智能化功能，如故障预测、智能调度和优化控制，提升系统的智能化水平。

与其他技术融合：探索与边缘计算、区块链等新兴技术的融合，为工业自动化提供更全面的解决方案。

3.2 市场拓展与应用推广

行业应用拓展：将系统推广到更多行业和领域，如汽车制造、电子生产、能源管理等，满足不同行业的自动化需求。

国际市场拓展：积极参与国际市场竞争，将技术成果推向国际市场，提升企业的国际影响力和竞争力。

生态建设：与上下游企业合作，构建完整的产业生态系统，推动技术的广泛应用和产业发展。

3.3 标准制定与推广

参与行业标准制定：积极参与国内外相关行业标准的制定工作，将项目的技术成果纳入标准体系，提升技术的影响力和权威性。

技术推广与培训：开展技术推广和培训活动，帮助企业更好地理解和应用新技术，推动技术的广泛应用和普及。

在未来的工业自动化发展中，TSN与5G技术结合的无线多工业总线协议阀岛，将继续书写属于它们的浪漫故事。它们将携手推动工业自动化向更高水平迈进，为人类创造更加美好的未来。