边缘计算标准件计划丨中国移动5G虚拟化工业控制网关构建全无线确定性工业控制系统

  作为我国首个边缘计算产业促进项目，“边缘计算标准件计划”由中国信息通信研究院、工业互联网产业联盟、互联网与工业融合创新工业与信息化部重点实验室联合产业各方共同发起，旨在形成“研发技术、标准研制、产品检验测试、应用示范、规模商用”的产业闭环，有效协助设备厂商优化迭代产品能力，并为用户更好的提供可靠精准的选型参考，为推动边缘计算规模化部署奠定关键基础。经过近4年的发展，“边缘计算标准件计划”已累计完成四批产品的集中测试，累计为60余款产品提供测试服务。

  中国移动研究院自主研发的5G虚拟化工业控制网关顺利通过本次“边缘计算标准件计划”产品测试，并且在多个领域实际应用部署和持续稳定运行，助力各行业企业应用升级，推动数字化建设落地。

  传统工业网络广泛采用有线技术，存在层级复杂、部署难度大、柔性化不足等问题。现有工业无线技术由于在通信时延、抗干扰、稳定性等方面存在短板，难以满足工业网络对通信确定性、高可靠性等严苛的性能要求，主要服务数据采集、视频回传、移动巡检等业务，难以深入工业控制核心生产环节。另一方面，以传统PLC（可编程逻辑控制器）为代表的工业控制架构封闭，垂直烟囱结构导致扩展性差、集成难度大、成本高，这种“算力下不去，数据上不来”的控制架构，难以满足工业互联网发展需要。

  针对工业无线和开放自动化面临的挑战，中国移动打造5G虚拟化工业控制网关产品，以打造技术创新、性能优异、自主可控的5G+工业端到端高质量控制保障技术为目标，以5G工业网关为锚点，创新确定性、新型短距、虚拟化PLC三大关键技术，解决干扰环境下通信质量保障难、异构协议接入难、工控业务拓展难等问题。

  面向行业高确定性需求，5G+TAN（时间明晰网络）技术通过内生双发选收、多链路冗余传输、时延门限控制、跨时钟域协同等技术，提供有界时延抖动、高可靠性、高精度时钟同步等能力，实现端到端确定性传输。在5G（R16）环境下南向1588v2授时精度误差小于500ns，软件定义时延误差小于10微秒，干扰环境下丢包率降低40%以上，时延降低20%以上，实现端侧设备融合精简，大幅度降低成本。目前已研发5G确定性工业网关和配套的确定性控制器，实现双5G传输，基站无感知切换，保障各类业务稳定流畅运行。

  控制器一般会用现场总线协议以有线方式与I/O连接，近年来出现慢慢的变多的无线化诉求和趋势，现有的无线技术在时延、可靠性、同步精度、安全性等方面，已不足以满足部分新业务、新场景对网络的苛刻要求，怎么来实现控制器南向剪辫子一直是业界难题。星闪短距技术基于全新空口设计，是具有低时延（低于100us）、多接入（超过256个）、高可靠（超过99.999%）、安全自主可控等特点的新一代无线G+新型短距进行控制器南向剪辫子，实现广域通信的蜂窝网络与短距网络的融合，既可进一步拓展蜂窝网络的覆盖范围，打通现场连接的最后100米，也可与蜂窝网络协同实现具备双路冗余特性的确定性传输，增强数据传输的可靠性,形成独特优势。

  5G+vPLC（虚拟化控制器）依托实时虚拟化技术，在x86/ARM通用硬件构建实时计算环境，通过软硬解耦将传统PLC变成虚拟化PLC控制服务。虚拟化PLC采用国产PLC软件技术，满足IEC-61131-3标准，支持ST、LD、IL、SFC和CFC五种编程语言，支持Modbus、CAN、EtherCAT、Profinet等常用工业总线协议虚拟化接入，支持工业总线协议与MQTT（消息队列遥测传输）自动转换，PLC任务最大时延抖动150us，满足中高速工控场景需求。目前已在EA1000、DC2000等多个型号的5G确定性网关上完成虚拟化PLC集成和部署。

  中国移动与某钢铁企业合作，在其热轧场开展了厂区14台天车行车自动化改造。5G确定性工业网关作为行车侧PLC从站北向通信节点，通过多路冗余确定性传输，实现中国移动5G专网2.6GHz和4.9GHz双频网络的无缝冗余切换，显著改善现场无线传输质量，丢包率可降低50%以上、抖动小于10ms，控制业务无小区切换抖动。

  中国移动与国内某新能源厂商合作，在电池组装产线G+虚拟化PLC技术验证应用。核心方案是采用一台安装虚拟化PLC的5G工业控制网关，实现对“传统PLC+数采网关”的二合一替换。5G工业控制网关首先通过扫描枪、测距仪完成位置标定，控制机械臂移动到电池模组位置。随后控制机械臂上的拧紧枪完成电池模组的安装拧紧。在此案例中，5G工业控制网关不仅提供PLC实时控制服务，也提供5G数据采集、远程运维服务。从而将传统的“现场I/O-PLC-数采网关”三层架构压缩成“现场I/O-5G工业控制网关”扁平架构，解决了传统方案控制层级多、专用设备多，成本居高不下，难以实现无人化/少人化运维等痛点问题，设备硬件成本和运维成本均下降50%。

  随着个性化商品慢慢的变成为主流消费方式，流水线大规模制造标准件的生产方式已不足以满足现有需求，以快速和多样为特点的柔性生产在生产制造中扮演逐渐重要的角色，工业无线网络和开放自动化需求强烈。5G确定性工业网关首次集成确定性传输、新型短距连接、虚拟化控制等能力，实现了全无线、全流程、自主可控的高可靠工业控制应用，促进5G深度融入核心生产环节，支撑构建新型工业化，助推DOICT融合。