《5G与工业自动化融合应用研究报告》（可下载）
极速导读
当前，数字化浪潮已成为变革性力量，深化IT、CT与OT融合是全球数字化技术发展的大趋势。需要充分发挥新一代信息通信技术对制造业数字化转型的创新驱动作用，加快推进新型工业化。
工业是5G应用的主战场。5G工业应用已成为国内外工业企业推动数字化转型、建设智能工厂的重要抓手。当前，5G工业应用已从生产外围辅助环节逐步深入至生产核心控制环节。为加快推动5G在工业自动化领域的规模化应用，中国工业互联网研究院联合西门子(中国)有限公司共同编写《5G与工业自动化融合应用研究报告》（以下简称《研究报告》）。
研究报告重点梳理了5G与工业自动化融合应用的需求、组网架构，展示了5G在移动机器人、AGV、远程控制和工业控制器间实时通信中应用的解决方案。研究报告从终端、技术、网管三个方面总结了5G与工业自动化融合应用挑战，即工业自动化低时延场景5G终端种类不够丰富、网络确定性与高实时性不足、网络管理困难。
完整报告下载方式见文末！
『制造前沿』解读报告如下
PART
01
国内外5G工业应用情况
1、国内5G工业应用情况
- 自2019年5G规模商用以来，中国通过政策引导和行业实践案例发布，推动了5G在工业领域的应用。
- 工业和信息化部印发了相关推进方案和建设指南，促进了“5G+工业互联网”的发展。
- 5G应用已从生产外围辅助环节逐步深入到生产核心控制环节，主要产业如飞机、船舶、汽车、电子、采矿等开展了创新实践。
- 形成了远程设备操控、机器视觉质检、无人智能巡检等典型应用。
- 国内5G专网的部署方式以虚拟专网和混合专网为主，满足实时性要求相对不高的工厂应用需求。
2、国外5G工业应用情况
- 欧美各国通过政策制定、联盟成立、工业专用频段分配等方式，加快5G在工业的应用。
- 德国实施了“5G Strategy for Germany”战略，西门子、博世等企业积极推进5G服务工业的应用研究与实践。
- 欧盟成立了5G-ACIA联盟，推动5G工厂建设，并有电信运营商与制造企业合作开展5G应用探索。
- 美国电信运营商与三星电子合作，在德州打造了专注于5G在制造业应用的创新区。
- 欧美国家选择了优先发展“5G工业专频专网”建网路线，分配了工业专用频段，促进了5G专网的创新与发展。
3、5G专网部署的5G版本情况
- 当前5G专网主要基于3GPP R15版本标准，对于高实时性工厂应用存在技术局限，尚未大规模部署。
- 随着基于R16版本标准的5G产业链成熟，以及工业频段为主的建网模式形成规模，未来将探索5G高实时与高价值应用。
报告指出，国内外都在积极探索5G技术在工业自动化领域的应用，但目前5G技术在工业自动化领域的应用还面临一些技术和市场挑战。随着5G技术的不断发展和产业链的成熟，预计将在工业自动化领域实现更广泛的应用。
PART
02
5G 与工业自动化融合应用
5G技术在移动机器人和自动导引车（AGV）中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 应用场景：
- 移动机器人和AGV在工业环境中提供了更高的灵活性，尤其在物料搬运、拣选、入库等环节。
- 在生产工厂中，移动机器人用于在不同生产步骤之间移动产品，例如从一条生产线移动到另一条生产线或进行质量检测。
- 在轮胎制造等行业中，超大型AGV被部署用于搬运重型物料。
图/5G在轮胎厂移动机器人应用场景
2. 5G的优势：
- 5G网络提供的高速率、低时延通信能力，对于保障移动机器人和AGV的安全生产至关重要。
- 5G网络的高数据传输速率和低时延特性，使得移动机器人和AGV能够实现更快速、更精确的移动和操作，提高生产效率。
3. 解决方案：
- 在AGV上部署工业5G路由器，实现车载PLC、高清摄像头等设备的5G网络接入。
- 通过5G专网承载工业以太网PROFINET通信协议，实现调度中心主控PLC与车载PLC之间的通信。
- 车载高清摄像头通过5G专网与调度中心服务器进行高清视频传输，使操作员能够实时监控AGV的运行状态。
4. 实际应用示例：
- 在汽车制造厂中，AGV被用于搬运重型部件，如发动机或底盘。5G网络的应用使得AGV的调度更加灵活和高效。
- 在物流中心，移动机器人用于自动化拣选和包装流程，5G网络确保了机器人之间的协同工作和快速响应。
5G技术在移动机器人和AGV中的应用，不仅提高了工业生产的自动化水平，还增强了生产的柔性化和智能化，为工业4.0的实现提供了有力支持。随着5G技术的不断成熟和应用的深入，预计将在更多工业场景中看到5G与移动机器人和AGV的结合。
5G技术在远程控制中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 应用场景：
- 矿山远程开采：由于矿山环境复杂，部署有线网络成本高且困难，5G网络的低时延、高可靠特性能够满足远程开采的需求。
图/5G 在矿山远程开采中的应用
- 港口龙门吊远程操控：在港口等需要高空作业的场景中，5G技术可以减少操作人员介入，提升安全性和操作效率。
2. 5G的优势：
- 低时延：5G网络的低时延特性对于实时控制至关重要，可以确保远程控制的精确性和响应速度。
- 高可靠性：5G网络的高可靠性减少了通信中断的风险，保障了远程控制的连续性和稳定性。
3. 解决方案：
- PLC设备通过工业5G路由器接入5G专网，实现与主控PLC的通信。
- 利用5G专网传输PROFINET等工业以太网协议，确保数据传输的实时性和可靠性。
- 通过5G网络，可以实现对远程设备的精确控制，如矿山机械的远程操作或港口龙门吊的远程操控。
4. 实际应用示例：
- 在矿山，操作员可以在控制室内通过5G网络远程控制采矿设备，观察由安装在设备上的摄像头传输的高清视频，及时做出操作决策。
- 在港口，操作员可以利用5G网络远程控制龙门吊进行集装箱的装卸作业，减少现场作业人员，提高作业效率。
5. 技术实现：
- 5G网络的部署需要考虑到工业现场的具体需求，如网络覆盖、设备兼容性和安全性等。
- 需要开发和部署支持5G通信的工业级路由器和网关，以及适应5G网络特性的工业应用和控制系统。
5G在远程控制中的应用，不仅提升了操作的安全性和效率，还为工业自动化和智能制造提供了新的解决方案。随着5G技术的不断发展和完善，其在远程控制领域的应用前景将更加广阔。
5G技术在工业控制器间的实时通信应用主要涉及以下几个关键点：
1. 应用场景：
- 在工业自动化系统中，控制器之间的实时通信对于协同作业至关重要。例如，在包装机械中，穿梭车和堆垛机需要实时交换位置和控制数据以完成任务。
图/5G 在穿梭车和堆垛机中的应用
2. 5G的优势：
- 5G网络提供的低时延和高可靠性对于确保工业控制器间的实时通信至关重要，可以避免因数据传输失败或延迟导致的机器操作停止。
3. 解决方案：
- 通过5G路由器将两个PLC（可编程逻辑控制器）接入5G专网，实现它们之间的互联。
- 利用5G网络承载PROFINET等工业以太网协议，确保通信的实时性和可靠性。
4. 技术实现：
- 需要确保5G网络的覆盖范围和质量，以满足工业现场的需求。
- 需要开发和部署支持5G通信的工业级路由器和网关，以及适应5G网络特性的工业应用和控制系统。
5. 实际应用示例：
- 在一个自动化的包装生产线中，多个控制器需要协同工作以确保产品的准确包装和运输。5G网络可以实现这些控制器之间的高速、低延迟通信。
6. 挑战与展望：
- 尽管5G技术为工业控制器间的实时通信提供了潜在的优势，但目前基于3GPP R15版本标准的5G网络可能无法完全满足某些工业自动化应用场景的实时性和确定性需求。
- 随着5G技术的发展，特别是R16及更高版本标准的实施，预计将提供更低的时延和更高的确定性，从而更好地满足工业自动化的需求。
7. 未来发展：
- 随着5G技术的成熟和工业应用的深入，预计将开发出更多支持5G通信的工业自动化设备和解决方案。
- 工业5G网络的建设和优化将继续进行，以实现更广泛的工业自动化和智能制造应用。
5G在工业控制器间的实时通信应用展示了5G技术在工业自动化领域的巨大潜力，尤其是在提高生产效率、降低运营成本和提升系统可靠性方面。随着技术的不断进步，5G预计将在工业自动化领域扮演越来越重要的角色。
5G在运动控制中的应用是一个前沿领域，它具有巨大的潜力，但也面临一些挑战。以下是5G技术在运动控制领域应用的相关情况：
1. 应用场景：
- 运动控制系统通常要求高精度和实时性，例如在汽车制造中，底盘和车身的连接过程需要精确控制，以避免碰撞和损坏。
2. 技术需求：
- 运动控制系统中的设备（如传感器、执行器和驱动器）通常对性能要求较高，需要低延迟和高可靠性的通信。
3. 5G的优势：
- 5G网络的低时延、高可靠性和高速数据传输能力，理论上非常适合运动控制应用，可以提供必要的实时反馈和控制。
4. 现有挑战：
- 根据报告，当前基于3GPP R15版本标准的5G网络，端到端的时延大多数在10ms以上，这可能无法满足运动控制应用的严格要求。
- 5G R16版本标准及其后续版本提供了更低时延和更高可靠性的特性，但目前这些技术尚未成熟商用。
5. 解决方案：
- 尽管5G技术在运动控制领域的应用还处于早期阶段，但随着5G技术的进一步发展，特别是R16版本标准的实施，预计将提供更低的时延和更高的确定性，从而更好地满足运动控制的需求。
6. 未来发展：
- 随着5G技术的成熟，预计将开发出更多支持5G通信的运动控制系统，这将使得无线连接带来的自由移动便利性与有线连接的性能要求相结合。
7. 技术实现：
- 为了实现5G在运动控制中的应用，需要开发能够集成到现有运动控制系统中的5G组件，同时确保这些组件能够满足运动控制的苛刻性能要求。
8. 案例分析：
- 报告中提到，目前还没有使用5G实现运动控制的案例，特别是在汽车制造等行业，这表明5G在这一领域的应用仍处于探索阶段。
5G在运动控制中的应用前景广阔，但要实现这一目标，还需要克服技术、成本和市场接受度等多方面的挑战。随着5G技术的不断进步和产业链的成熟，预计未来5G将在运动控制领域发挥更加重要的作用。
PART
03
5G与工业自动化融合应用挑战
5G与工业自动化融合应用面临的挑战主要包括以下几个方面：
1. 工业自动化低时延场景5G终端种类不够丰富：
- 目前，5G终端产品主要集中于高带宽应用场景和实时性要求不高的应用场景，而对于低时延的闭环控制等场景，相应的5G终端产品还处于研发阶段，例如支持5G的PLC。
2. 网络确定性与高实时性不足：
- 现有的有线工业网络协议提供了确定性和实时性保障机制，而5G技术需要与这些工业网络技术深度融合，以满足工业自动化的确定性和高实时性需求。当前5G技术尚未完全满足运动控制等高实时性要求的工业自动化应用。
3. 网络管理困难：
- 5G网络的商用侧重于全面连接覆盖，但缺乏对工业网络各层级的融合。5G网络与工业网络的融合存在困难，导致两者难以统一管理，增加了运维的复杂性。
4. 技术融合问题：
- 5G技术需要与现有的工业网络技术（如工业以太网、PROFINET等）进行深度融合，以实现数据的无缝传输和设备的协同工作。
5. 产业链成熟度：
- 5G技术在工业自动化领域的应用还受限于整体产业链的成熟度，包括终端芯片成本、网络设备的可靠性和兼容性等。
6. 安全和隐私问题：
- 随着5G网络的深入应用，数据安全和隐私保护成为重要考虑因素，尤其是在工业环境中，需要确保通信的安全性和防止潜在的网络攻击。
7. 法规和标准制定：
- 5G在工业自动化领域的应用需要相应的法规和标准支持，以确保技术的合规性和互操作性。
8. 成本问题：
- 5G网络的建设和维护成本相对较高，企业需要评估投资回报率，并寻找成本效益高的解决方案。
报告中指出，尽管存在这些挑战，但随着技术的不断发展和产业链的成熟，预计5G将在工业自动化领域实现更广泛的应用。同时，报告也提出了对未来发展的展望，包括丰富5G终端种类、攻关工业5G确定性和高实时网络技术、建设工业网络综合管理平台等，以克服现有挑战并推动5G与工业自动化的深度融合。
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