5G推动工业网络转型升级
工业迎来数字化转型阶段，工业互联网是工业数字化转型的基础设施、技术载体、实现路径和应用模式。网络是工业互联网的基础，工业互联网的发展对网络基础设施提出了新的要求。工业网络通常是指工业现场的网络，作为将工厂生产现场的各种要素链接在一起并需要提供可靠、实时通信的设施，工业网络需要集确定性、可靠性与灵活性于一体。工业网络总体上历经模拟通信、工业总线、工业以太网三个大的阶段。目前，工业网络制式多样，工业总线、工业以太网、工业WIFI、4G、5G（含工业5G）均有应用。随着通信技术特别是5G技术的快速发展，工业网络通过广泛应用5G技术实现转型升级成为业界关注的焦点，5G将给工业网络带来巨大的变革和机遇。
一、工业网络发展历程
工业网络是工厂中各类要素互联互通的基础设施，是工厂自动化的“神经系统”，工业网络最重要的功能是实现传感器、控制器、执行器之间的通信，其需要具有严格的性能指标要求。自上世纪80年代至今，伴随着制造业自动化、信息化、智能化需求的不断升级演进，工厂内网连接技术取得长足发展进步，工业通信正在经历从现场总线到工业以太网的演进，未来还将面向时间敏感网络（或时延明感网络，Time-Sensitive Networking，TSN）、5G与TSN融合等方向不断演进。
20世纪80年代，工业现场主要是通过线缆实现现场设备间的通信。随着生产现场各种传感器、执行器设备越来越复杂，现场总线技术开始发挥作用，出现了工业总线（也称现场总线）与现场设备通信控制器。工业总线是在模块之间或者设备之间传送信息、相互通信的一组公用信号线的集合，是系统在主控设备的控制下，将发送设备发送的信息准确地传送给某个接收设备的信号载体或公共通路，总线本身不是连接类型而是一组协议，工作总线有很多种协议，如ABB的ControlNet，施耐德的Modbus，西门子的Profibus，贝加莱的EtherCAT等。在国际层面，经过市场充分验证的20种工业总线协议已固化为IEC61158系列标准。工业总线用于现场设备连接，简单可靠，在网络上允许环形、树形、星形和菊花链等各种拓扑结构，与工业总线组件的连接，除现场设备本身外，是单电缆连接，节省布线，信号可靠（没有电缆电阻和压降的影响）。但是传统工业总线成本高，不同的协议之间无法统一标准，相互兼容性差。
20世纪90年代开始，以太网开始大规模应用。传统以太网应用广泛、成本低廉，但难以适应工业环境实时性要求。这种情况下，工业以太网技术应运而生，其是在标准以太网协议基础上进行改进，从高速率（100M/1Gbps) 、分组交换和同步机制三方面来增强以提供实时性和可靠性。工业以太网技术在2000年左右开始被业界逐渐采用，目前已远超工业总线市场占有率，开始成为工厂内网通信的主要手段。工业以太网协议也有多套标准，如PROFINET、Modbus TCP/IP、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、CC-Link等，市场割据、互不兼容。工业以太网包括有线工业以太网和无线工业以太网。
TSN技术是2012年国际标准组织IEEE 802.1工作组开始的研制面向工业等特殊应用场景的新一代以太网标准，通过使用标准以太网的组件，改进数据链路层协议，基于QoS等级确定传输优先权，可在此通用架构上跨越车间级、工厂级、企业级等多层级的直接通信，实现真正OT与IT的融合。目前，现有的主流工业以太网（PROFINET、EtherCAT、SERCOS III 等）均在研究与TSN 技术的兼容、互通和演进问题。
当下，企业所用的工业网络，工业现场总线、工业以太网、工业无线网等多种技术通常会同时部署使用。
5G技术以其高可靠、低时延的优越特性，为无线通讯在工业控制网络中的深入应用带来技术可行性。5G与TSN协同可进一步实现扩大无线工业网络的应用规模，大大扩展TSN的应用场景，提供搞好的移动性、灵活性、可重配置能力，有效降低运维成本，是智能工厂内网中极富潜力的技术组合。
二、5G技术特点及工业网络应用
5G具有高数据传输速率、低时延和大连接密度的技术特点。首先，5G技术能够实现更高的数据传输速率，这意味着工业网络可以实时传输更大量的数据，从而提高数据的采集、处理和分析效率。 其次，5G技术的时延更低，可以快速响应工业设备的指令和控制信号，提高工业生产的实时性和灵活性。最后，5G技术支持更大的连接密度，可以同时连接更多的设备，实现工业网络的高密度布局和更好的设备协作能力。
5G网络技术基于3GPP标准版本规范，2018年冻结的R15是第一个完整版本，支持端到端低于30ms的时延和99.99%的可靠性，能够满足多种工业应用的数字化场景。2020年冻结的R16版本侧重于URLLC场景，对无线接入与核心网功能进行增强，面向工业互联网应用支持1微秒同步精度、0.5~1毫秒空口时延，网络可靠性提升至99.999%，增加工业级时间敏感网络服务能力等。R17版本于2022年6月冻结，支持大连接低功耗海量机器类通信，并推进轻量版的5G NR（New Radio，新无线/新空口），支持NR定位增强。R18版本为5G的演进，命名为5G Advanced，将面向垂直行业增强需求，技术发展方向包括智慧、融合与使能等方面的特征。
5G技术的高速率、低时延和高可靠，使得5G可以作为工业通信载体，实现使用5G搭建工业网络，实现高效的远程设备控制和数据传输。5G技术为工业网络提供了更多的应用场景和技术手段，5G技术的高密度连接能力，可以实现大规模设备的互联互通，通过工业物联网和边缘计算技术的支持，5G工业网络可以实现智能感知、自动控制和数据共享，推动工业自动化水平的提升。
三、5G推动工业网络转型升级
5G技术对工业网络的转型升级具有重要意义。它提供了更高的数据传输速率、更低的时延和更大的连接密度，为工业网络的安全、效率和自动化水平提供了巨大的提升空间。5G技术极大丰富了工业网络的功能和场景，推动工业网络转型升级。在5G技术的推动下，工业网络将更加灵活、更加高效、更加智能、更加安全。
同时，5G对工业网络的基础设施提出了更高的要求。企业需要建设更加稳定、高速和安全的网络基础设施，包括网络硬件设备、无线信号覆盖、数据中心等，以支持5G技术的应用。5G技术用作工业网络的承载网络时，需要进行系统集成和平台建设，以实现工业网络的整体优化和协同。企业需要选择合适的工业互联网平台，建立统一的管理和控制中心，实现设备管理、数据分析和业务监控的全面协同。另外，要实现5G在工业网络中的广泛应用，企业需要加大对基础设施建设、数据安全保障、人才培养和技术创新的投入，并积极进行系统集成和合作共享。
四、5G工厂典型组网架构及实现
5G工厂典型组网架构中包括工业终端、5G终端、5G无线接入网、5G核心网、工厂内网等部分，个别工厂还有工厂外网。工业终端是指需通过5G无线连接的工厂设备，包括各类工业传感器、PLC、控制IO模块、HMI设备、工业摄像头等；5G终端支持3GPP定义的终端功能，用于将各种类型工业设备接入至5G网络，5G终端包括5G工业路由器、5G工业网关、5G CPE等；5G无线接入网负责与5G终端的无线连接、物理层信号处理、无线资源管理等，主要由5G基站（包括AAU/BBU、CU、DU），以及配套前传、中传与回传的传输设备组成；5G核心网负责5G核心控制以及用户数据路由，主要由控制面（CP）与用户数据面(UP)组成，控制面基于SBA架构，负责5G用户开通、鉴权、计费、移动性管理、会话管理、QoS策略管理、切片等功能，用户数据面主要指UPF网元，负责用户数据路由、流量上报、QoS策略执行等功能；工厂内网包括工厂内的OT环网及IT网络，在OT环网中部署SCADA、主PLC和工业应用，IT网络中部署企业ERP、SCM等管理系统及PLM等业务系统。工厂外网则可以通过Internet或者运营商提供的通信网络（包括5G网络）来实施，当然，为保障数据和网络安全，企业应该采取各种安全措施。
从这个典型组网架构来看，5G技术可以广泛应用的工厂的各个层级，覆盖从工业终端到企业广域网的各个方面。这其中的重要创新是将5G作为统一无线接入传输介质，通信技术（CT）不再是外在或外挂的载体，而是成为OT和IT内嵌的必要功能，实现OT和IT的深度融合。
当前，5G在工业应用还处在初级阶段，虽然初见成效，但规模还不够大，我们相信，随着5G技术的快速发展以及R16标准及后续标准商用的成熟，终端芯片、模组成本快速下降，5G在工业网络和工业现场的深度应用和大规模应用并不遥远。通过云边一体、算网融合、智慧网络，5G技术和5G网络将为工业应用提供更快、更稳定的通信网络、更高效的计算和储存能力，为工业数字化转型和智能工厂的建设提供强有力的技术支持。
作者：中国工业互联网研究院总工程师 王宝友
