5G-5G-A 超可靠低時(shí)延通信工業(yè)場景需求白皮書

前言牽頭編寫單位：

中國信息通信研究院

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是第四次工業(yè)革命的重華為技術(shù)有限公司

要支撐，在賦能產(chǎn)業(yè)升級(jí)中將發(fā)揮基礎(chǔ)性、聚合

性、融合性作用，為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能

參與編寫單位：

化發(fā)展提供新的實(shí)現(xiàn)路徑。2019年，中國5G網(wǎng)精誠工科汽車系統(tǒng)有限公司

絡(luò)正式商用，5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新發(fā)展成東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司

為產(chǎn)業(yè)界積極探索方向，在“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”

上海勃傲自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司：

10大重點(diǎn)行業(yè)中涌現(xiàn)出20大典型應(yīng)用場景，提

質(zhì)、降本、增效、綠色、安全等產(chǎn)業(yè)賦能作用顯美的集團(tuán)股份有限公司

著。隨著5GR16、R17等標(biāo)準(zhǔn)版本的陸續(xù)發(fā)布，四川長虹電子集團(tuán)公司

5G超可靠低時(shí)延通信（URLLC）特性逐步成熟三一重工有限公司

，5G與工業(yè)的融合應(yīng)用將深入到生產(chǎn)制造的核上海中移信息技術(shù)有限公司

心環(huán)節(jié)，為設(shè)備無線化、產(chǎn)線柔性化、生產(chǎn)智能

上海機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司

化發(fā)展提供新的技術(shù)選擇。

上海簡衍科技有限公司

目前5GURLLC特性在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍處上海簡領(lǐng)科技有限公司

于初步探索階段，為深入挖掘超可靠低時(shí)延工業(yè)深圳市智流形機(jī)器人技術(shù)有限公司

應(yīng)用場景和需求，中國信息通信研究院在“5G

東莞市云雀科技有限公司

URLLC工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新先鋒營活動(dòng)”中，與華為技

匯川技術(shù)股份有限公司

術(shù)有限公司共同牽頭，聯(lián)合多家單位編制《5G/

5G-A超可靠低時(shí)延通信工業(yè)場景需求白皮書》深圳艾靈網(wǎng)絡(luò)有限公司

，定義5GURLLC工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新場景、對(duì)齊場景中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司

業(yè)務(wù)需求、明確5G網(wǎng)絡(luò)能力基線、加快推動(dòng)產(chǎn)中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司

業(yè)應(yīng)用實(shí)踐。

中國電信集團(tuán)有限公司

本白皮書結(jié)合行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展需求及企

業(yè)生產(chǎn)面對(duì)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，分行業(yè)分場景深度挖

掘5G與工業(yè)控制融合場景價(jià)值，提出工業(yè)現(xiàn)場

5G網(wǎng)絡(luò)部署方案，提出5G具體網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，

為各行業(yè)5GURLLC應(yīng)用的場景落地提供參考依

據(jù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟公眾號(hào)

編寫組成員：

曹薊光、黃穎、管子健、沈彬、于青民、李宗祥、段世惠、谷蓉婷、馬欣、

包盛花、曾正洋、伍勇、楊曉華、張向業(yè)、袁占江、李建和、司磊、張?zhí)旌啤?/p>

潘祥喜、陳鵬、姜峰、閆勇斌、劉揚(yáng)、譚樂、高冉、褚亮、彭超、馬宇航、陳俊

、章宏達(dá)、王軍、王鑫、韓宇瑞、張帥、劉巖、王輝、楊陽、鄭學(xué)亮、王勝齊、

莊冀、占華程、呂賀、賴長川、蔡琳、吳金鑫、陳辛、戴丹、陳懷端、余鋼鋒、

廖耿鑫、安崗、張文博、錢紅赫、李文杰、王宣嚴(yán)義、俞一帆、馮江平、郝曉

龍、鄧偉、王銳、邢源日、李凱、沈云飛、孫麗楠、朱紅綠

一、概述

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線

網(wǎng)。當(dāng)前，全球工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)正由現(xiàn)場總線向工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無

線網(wǎng)演進(jìn)，5G在設(shè)計(jì)之初就考慮了工業(yè)高實(shí)時(shí)、高可靠、高安全的

通信要求，與工業(yè)融合，將進(jìn)一步激發(fā)創(chuàng)新活力。

1.15G將為工業(yè)通信帶來發(fā)展?jié)摿?/p>

5G技術(shù)低時(shí)延、超可靠、大連接的特性，彌補(bǔ)了工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)

無線技術(shù)（如Wi-Fi、藍(lán)牙、基于IEEE802.15.4的短距離工業(yè)無線

等）廠區(qū)覆蓋范圍有限、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不佳、終端連接率不足等方面

的問題，將使無線技術(shù)由工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署的能力補(bǔ)充轉(zhuǎn)變?yōu)楣S內(nèi)網(wǎng)

的基礎(chǔ)組成部分。HMS發(fā)布的2021工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場份額預(yù)測報(bào)告指

出無線業(yè)務(wù)繼續(xù)以24%的速度快速增長，無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已擁有7%

的市場份額。未來，5G無線業(yè)務(wù)將在工廠的全面落地，從智能物流、

園區(qū)監(jiān)測等生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié)到進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，預(yù)計(jì)未

來無線連接設(shè)備的市場需求將會(huì)大幅增加。

1.25G將為工業(yè)自動(dòng)化注入柔性化智能化升級(jí)活力

傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場會(huì)有大量移動(dòng)設(shè)備，如隨行夾具/機(jī)器人抓手更換/

輸送設(shè)備等，現(xiàn)有有線組網(wǎng)復(fù)雜、易于磨損；同時(shí)，現(xiàn)場存在大量

OT設(shè)備的多層級(jí)組網(wǎng)，無法有效兼容數(shù)據(jù)采集、AR、機(jī)器視覺等

非實(shí)時(shí)IT業(yè)務(wù)。因此，工業(yè)現(xiàn)場亟待引入5G技術(shù)解決當(dāng)前難題，

進(jìn)而帶動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展。

5G帶來的改變體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是去掉有線束縛，解決不便

于有線連接的移動(dòng)類場景，減少移動(dòng)造成的通訊物理故障。二是智

1

能融合組網(wǎng)，5G提供IT非實(shí)時(shí)與OT實(shí)時(shí)多業(yè)務(wù)共用一張網(wǎng)的能力，

網(wǎng)絡(luò)的扁平化架構(gòu)可以解決業(yè)務(wù)兼容問題。三是工業(yè)控制應(yīng)用創(chuàng)新，

5G與工業(yè)的融合將加速云化機(jī)器人、云化PLC的應(yīng)用落地，降低

網(wǎng)絡(luò)部署成本，云化算力和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)也為工廠的智能化柔性生產(chǎn)夯

實(shí)基礎(chǔ)。

圖1-1智能化柔性工廠工業(yè)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)

1.35GURLLC為工業(yè)控制提供無線實(shí)時(shí)連接

工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)提出低時(shí)延與高可靠性的要求，

在網(wǎng)絡(luò)扁平化的同時(shí)，要求工業(yè)5G具備eMBB和URLLC等特性的

多業(yè)務(wù)能力。

當(dāng)前，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用主要著眼于增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）

特性，以大帶寬數(shù)據(jù)傳輸類應(yīng)用為主。3GPP于2020年7月、2022

年6月分別凍結(jié)了5G第二版本R16和第三版本R17，進(jìn)一步增強(qiáng)了

5G服務(wù)行業(yè)應(yīng)用的能力。其中5G超可靠低延遲通信（URLLC）特

性不斷成熟，相關(guān)應(yīng)用從單鏈路的人機(jī)遠(yuǎn)程操控，逐步開始進(jìn)入工

業(yè)自動(dòng)化控制的人機(jī)界面控制和現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制。隨著3GPP標(biāo)準(zhǔn)后

續(xù)版本的持續(xù)演進(jìn)及5G工控領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的逐步落地，5G/5G-A

（5G-Advanced）URLLC的能力將不斷增強(qiáng)，通信時(shí)延降低、網(wǎng)絡(luò)

2

可靠性提高、設(shè)備連接數(shù)增多，可滿足大多數(shù)的工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)

控制應(yīng)用。

5G及5G-A是5G技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)過程中的不同技術(shù)階段，同

屬于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為簡化表達(dá)，本文后續(xù)描述如無特別區(qū)分5G與

5G-A，將5G/5G-A統(tǒng)稱為5G。

3

二、5GURLLC工業(yè)應(yīng)用概覽

2.15GURLLC工廠中應(yīng)用場景分類

傳統(tǒng)工廠網(wǎng)絡(luò)可以劃分為三種類型：工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)，車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)

場級(jí)網(wǎng)絡(luò)。其中工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)以IT網(wǎng)絡(luò)為主，車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級(jí)網(wǎng)絡(luò)以

OT網(wǎng)絡(luò)為主。目前，車間網(wǎng)一般是多種網(wǎng)絡(luò)混合部署：傳統(tǒng)工業(yè)OT網(wǎng)

絡(luò)主要用于現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制，如果在車間現(xiàn)場要連接寬帶數(shù)據(jù)采集，或

AGV等移動(dòng)設(shè)備，則需要在車間OT網(wǎng)絡(luò)之外，再部署IP以太網(wǎng)或

WIFI。

圖2-1制造工廠傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)5層金字塔架構(gòu)

工業(yè)5G將提供統(tǒng)一的、扁平化的車間內(nèi)網(wǎng)，5GURLLC下沉到OT

主要面向現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)RT（RealTime）和運(yùn)動(dòng)控制同步實(shí)時(shí)IRT

（IsochronousRealTime）場景。同時(shí)5G將提供大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸用于

各類數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)下載，以及5G定位用于跟蹤各類物料、工具、人員

等。同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)的星型架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)車間級(jí)和現(xiàn)場級(jí)網(wǎng)絡(luò)的融合，確保

現(xiàn)場的每個(gè)終端設(shè)備扁平化接入，避免了傳統(tǒng)有線多級(jí)交換機(jī)分層分級(jí)

的不便。

4

圖2-2工業(yè)5G現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中的生產(chǎn)線由一系列執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)的機(jī)器和一系列控

制單元組成，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)支撐生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)控制。在生產(chǎn)中，對(duì)于生產(chǎn)線

的主控制器與多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一臺(tái)機(jī)器通常有一個(gè)控制單

元(從PLC或運(yùn)動(dòng)控制器)和幾個(gè)現(xiàn)場設(shè)備(I/O盒)，具有1:n雙向通信關(guān)

系。

圖2-3工業(yè)自動(dòng)化控制典型業(yè)務(wù)分類

工業(yè)自動(dòng)化正走向網(wǎng)絡(luò)化、智能化，如圖2-3所示，轉(zhuǎn)型過程中主

要包括四方面業(yè)務(wù)的連接升級(jí)：

5

1）C2IO（ControltoIO），指PLC到IO的實(shí)時(shí)邏輯控制，包含主

PLC-IO/從站、從PLC-IO兩種情況。

2）MC(MotionControl)指的是PLC到伺服的運(yùn)動(dòng)控制。

3）HMI（HumanMachineInterface）包括各個(gè)裝備及產(chǎn)線的人機(jī)界

面控制。

4）NRT(Non-RealTime)涵蓋數(shù)字采集/機(jī)器視覺/定位等IT類非實(shí)時(shí)

業(yè)務(wù)。

此外，對(duì)于控制器之間的實(shí)時(shí)邏輯控制C2C（ControltoControl），

即主PLC之間的通信，現(xiàn)網(wǎng)中比例不高，所以在本文中不作為主要分類。

對(duì)于同一臺(tái)設(shè)備，如果既有C2IO或MC的控制業(yè)務(wù)，又有NRT的非實(shí)

時(shí)業(yè)務(wù)，則場景歸類為前者，即在C2IO/MC的場景中會(huì)預(yù)留一定的

NRT帶寬支持多業(yè)務(wù)流并發(fā)。對(duì)于只有NRT業(yè)務(wù)的設(shè)備，則歸類為

NRT業(yè)務(wù)，如AR等。

2.25GURLLC落地行業(yè)分析

工業(yè)子行業(yè)種類眾多，各個(gè)行業(yè)在自動(dòng)化領(lǐng)域的特點(diǎn)各有差異，經(jīng)

過前期調(diào)研和分析，本白皮書將對(duì)汽車制造、電子/機(jī)械制造、精鑄及傳

統(tǒng)工業(yè)，三大類典型行業(yè)的5GURLLC應(yīng)用場景進(jìn)行分析，具體如表2-

1所示：

表2-15GURLLC典型行業(yè)/場景

場景汽車電子/機(jī)械精鑄及傳統(tǒng)工業(yè)

NRT：非實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)√√√

HMI：人機(jī)控制√√√

C2IO：實(shí)時(shí)邏輯控制√√√

MC:運(yùn)動(dòng)控制O√√

注釋O代表Optional，無線化可選。

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2.35GURLLC行業(yè)場景需求參數(shù)說明

為方便分析各行業(yè)的場景特征以及對(duì)于5GURLLC的需求，本文將

按照表2-2的形式說明行業(yè)場景需求參數(shù)，對(duì)各行業(yè)場景展開分析。

表2-25GURLLC行業(yè)應(yīng)用場景需求參數(shù)說明

序應(yīng)用場景CT/msST/C0宕機(jī)時(shí)移動(dòng)性NRT帶寬/組態(tài)節(jié)車間節(jié)點(diǎn)

號(hào)T倍長*連接點(diǎn)數(shù)/面/面積

數(shù)/Mbps積

100節(jié)

C2IO-智能400/3.3

14/821-3年3D-2-31點(diǎn)/500

從站萬平

平

C2IO-固定1200/3.3

24/821-3年-10-

工藝設(shè)備萬平

CT（CircleTime）：指PLC與設(shè)備側(cè)IO/伺服的更新周期，例如

4ms是指PLC與設(shè)備側(cè)IO的更新周期是4ms。該指標(biāo)用來測算5G通信

時(shí)延。

ST/CT倍數(shù)：ST（SurvivalTime）等于看門狗最大次數(shù)減1，例如

對(duì)于某個(gè)IO，看門狗設(shè)置3次CT，則對(duì)應(yīng)的ST=2次CT。該指標(biāo)用來

測算5G單包可靠性。

0宕機(jī)時(shí)長：考察0次宕機(jī)可接受的系統(tǒng)連續(xù)工作的觀察時(shí)長，比

如1年表示兩次宕機(jī)事件之間的連續(xù)工作時(shí)長(不包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類故障)。

該指標(biāo)用來測算5G單包可靠性。

移動(dòng)性：包含三個(gè)指標(biāo)：運(yùn)動(dòng)軌跡類型-移動(dòng)速度/米/秒-移動(dòng)范圍/米，

例如3D-2-3表示3維運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)速度2m/s，移動(dòng)范圍3米。該指標(biāo)供

5GURLLC終端的移動(dòng)速度能力做參考。

NRT帶寬/連接:對(duì)于該場景的每個(gè)連接，需要預(yù)留多少非實(shí)時(shí)帶寬，

如1Mbps，表示需要為這個(gè)場景中的每個(gè)連接預(yù)留1Mbps。該指標(biāo)用來

測算5G終端的NRT帶寬，及5G基站的NRT帶寬。

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組態(tài)節(jié)點(diǎn)/面積：是指主/從PLC的組態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)和對(duì)應(yīng)的分布地理面

積。例如某PLC組態(tài)節(jié)點(diǎn)密度是20節(jié)點(diǎn)/70平米，是指該P(yáng)LC下共組態(tài)

了20個(gè)節(jié)點(diǎn)，總共占用了70平的面積。該指標(biāo)主要針對(duì)從站PLC和主

站PLC的場景給出即可，分支IO節(jié)點(diǎn)的場景可被合并。該指標(biāo)用來測

算5G單包可靠性時(shí)的宕機(jī)相關(guān)性，并用來測算5G小區(qū)的容量密度。

車間節(jié)點(diǎn)/面積：是指在典型的車間面積下，該類場景或節(jié)點(diǎn)的密度，

例如C2IO智能從站1200個(gè)/6萬平，表示典型的車間面積是6萬平，車

間內(nèi)這類連接共有1200個(gè)。該指標(biāo)用來識(shí)別哪類終端的比例高，對(duì)應(yīng)的

終端能力會(huì)供5G終端典型能力做參考，并識(shí)別主力的行業(yè)終端類型，比

如汽車行業(yè)占比高的行業(yè)終端可能是閥島、智能從站和變頻器。

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三、汽車制造工廠自動(dòng)化

3.1.行業(yè)數(shù)字化升級(jí)概述

汽車制造行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè),正處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型、新能

源產(chǎn)線創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，5G與邊緣計(jì)算、人工智能等新技術(shù)融合，

將有效激發(fā)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新活力，隨著5G超高可靠低時(shí)延通信（5G/5G-A

URLLC）能力的不斷成熟，將有效支撐汽車制造行業(yè)構(gòu)建柔性化智能產(chǎn)

線，助力轉(zhuǎn)型發(fā)展。

汽車的制造工藝主要有沖壓、焊裝、涂裝、總裝，也就是俗稱的

“四大工藝”。焊裝和總裝車間的各種設(shè)備連接和操作具有典型性，包

括機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺(tái)、滑臺(tái)、柔性滑軌系統(tǒng)(EMS)、車型識(shí)別系統(tǒng)(ID)、皮帶

輥床等設(shè)備，能夠覆蓋80%的典型場景，可以代表汽車行業(yè)產(chǎn)線的典型

特征。本部分主要以某自主品牌焊裝車間和總裝車間為例，總結(jié)典型產(chǎn)

線自動(dòng)化場景。

面向多車型快速上線的柔性生產(chǎn)，現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在以下四個(gè)問題：

1)信息采集采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，總線網(wǎng)絡(luò)有Profibus-DP、Profinet、

DeviceNet、EtherCAT等，協(xié)議接口眾多。

2)網(wǎng)絡(luò)采用硬線銅纜，數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制需要獨(dú)立布線，投資成本高，

施工周期長。

3)新車型導(dǎo)入涉及網(wǎng)絡(luò)改造、網(wǎng)絡(luò)重建，工程復(fù)雜，靈活性差。

4)生產(chǎn)過程中由于設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行、磨損導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)硬線故障，處理困

難、解決時(shí)間長。

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5G商用三年來，產(chǎn)業(yè)成效已經(jīng)初步顯現(xiàn)，目前多家車企制造企業(yè)正

在開展5G工廠創(chuàng)新，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將是汽車制造領(lǐng)域新的發(fā)力點(diǎn)，期

望5G的URLLC特性能夠打破傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)痛點(diǎn)。

3.2.焊裝車間場景描述

3.2.1車間總體情況

圖3-1某汽車焊裝車間平面圖

某汽車制造焊裝車間的平面布局圖如上，車間面積，其中

44544㎡

自動(dòng)線體面積約。該車間每年總產(chǎn)能萬臺(tái)，每秒輸出一

33000㎡2064

輛焊裝車身。整個(gè)車間包含機(jī)器人370多臺(tái)，主要完成焊接、搬運(yùn)、涂

膠、弧焊、鉚接、螺柱焊等工藝。車間內(nèi)存在多種物料運(yùn)送方式，車身

下部線、主線、補(bǔ)焊線內(nèi)部采用輥床滑撬輸送，工位節(jié)距6米；其余各

線體區(qū)域內(nèi)通過機(jī)器人搬運(yùn)的形式完成工件的輸送；機(jī)艙前地板總成、

后地板總成、側(cè)圍總成及頂蓋總成通過EMS小車輸送至主線進(jìn)行合拼。

10

該焊裝車間生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)采用主站+遠(yuǎn)程站的形式，主站采用安

全型PLC，遠(yuǎn)程站采用柜內(nèi)遠(yuǎn)程IO、閥島、現(xiàn)場級(jí)總線I/O模塊，人機(jī)

界面采用12英寸精智面板。整個(gè)焊裝車間共包含21套PLC，各線體主

要設(shè)備統(tǒng)計(jì)明細(xì)如表3-1所示：

表3-1焊裝車間各線體設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計(jì)

輥床工位PLC電表柜內(nèi)I/O交換機(jī)觸摸屏驅(qū)動(dòng)柜機(jī)器人切換盤轉(zhuǎn)臺(tái)/轂EMS

下部線171721340165042400

主焊線1010182293125810

補(bǔ)焊線191921343164036200

側(cè)圍線024216581884521240

頂蓋線0312113105210

地板線02531653178253331

機(jī)艙線019417722085551950

前門線026212361460401202

后門線026212381460401402

機(jī)蓋線08151852414230

后背門011151953314130

匯總4618821119410137541937679205

3.2.2傳統(tǒng)工業(yè)通信組網(wǎng)

(一)傳統(tǒng)工業(yè)通信組網(wǎng)架構(gòu)

該焊裝車間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用“集中管理、分散控制”的模式。

依據(jù)這一原則，將整個(gè)焊裝車間內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)分為兩層網(wǎng)絡(luò)(標(biāo)

準(zhǔn)以太網(wǎng)、Profinet總線)，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了MES到PLC的數(shù)據(jù)采集與

監(jiān)控，Profinet總線實(shí)現(xiàn)了PLC到現(xiàn)場IO的控制，在每個(gè)層次中使用不

同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟硬件配置，以實(shí)現(xiàn)各自不同的功能。

11

頂蓋線體為整個(gè)焊裝車間工藝最簡單的線體，采用現(xiàn)有工業(yè)有線的

組網(wǎng)，如圖3-2所示。

圖3-2頂蓋線體工業(yè)有線組網(wǎng)圖

(二)傳統(tǒng)工業(yè)通信及業(yè)務(wù)功能描述

受限于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能力，主PLC與MES之間，主PLC與現(xiàn)場設(shè)備，

主PLC之間采用不同類型的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。主PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)

將設(shè)備信息上傳至MES進(jìn)行非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互?，F(xiàn)場網(wǎng)管型交換機(jī)組成環(huán)

網(wǎng)之后接于主PLC上，用于連接現(xiàn)場設(shè)備。線體間的主PLC之間的信號(hào)

交互通過PN/PN耦合器實(shí)現(xiàn)，耦合器安裝在主控柜內(nèi)。

主PLC和現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備之間通過Profinet總線，采用星型+總線型

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，但需要保證相鄰設(shè)備間距離不能超過90米。

Profinet總線使用專用線纜，接頭使用專用快速連接接頭，以保證網(wǎng)絡(luò)通

訊的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

(三)傳統(tǒng)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)投資

12

以頂蓋焊接線體為例，產(chǎn)線135平米的面積內(nèi)包含1個(gè)主PLC，25

個(gè)下掛設(shè)備（從PLC5個(gè)、下掛OT設(shè)備20個(gè)），具體如表3-2所示。

表3-2頂蓋焊接線體現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量

主PLC下掛OT設(shè)備/

產(chǎn)線面積主PLC數(shù)量從PLC數(shù)量從PLC下掛OT設(shè)備

從PLC

13511758

頂蓋線為整個(gè)焊裝車間工藝最簡單的線體，其站點(diǎn)數(shù)量約為正常線

體的1/3，如表3-3所示，頂蓋線有線網(wǎng)絡(luò)投資約為8萬元，預(yù)估正常線

體的網(wǎng)絡(luò)投資約為24萬元。

表3-3頂蓋焊接線體有線網(wǎng)絡(luò)投資統(tǒng)計(jì)

頂蓋線體

序號(hào)減少項(xiàng)目數(shù)量單位單價(jià)未稅合計(jì)未稅備注

1網(wǎng)管型交換機(jī)11.00個(gè)8563.728563.7216口

2網(wǎng)管型交換機(jī)22.00個(gè)4668.149336.288口

3PN耦合器1.00個(gè)3120.353120.35

4PN通訊接頭164.00個(gè)115.047362.83柜內(nèi)使用

5PN通訊接頭240.00個(gè)238.949557.52現(xiàn)場使用

6PN通訊模塊10.00個(gè)2076.8520768.50機(jī)器人一軸三軸各一個(gè)

7PN銅纜1500.00米11.265630.00固定應(yīng)用

8PN銅纜2100.00米23.922392.00高柔

9網(wǎng)絡(luò)柜均攤1.00項(xiàng)10000.0010000.00

10施工費(fèi)1.00項(xiàng)2000.002000.00

11未稅總計(jì)78731.21

整個(gè)車間，一般有20-100個(gè)主PLC，有線網(wǎng)絡(luò)的投資大約500萬-

2000萬。

3.2.3工業(yè)現(xiàn)場5G應(yīng)用場景及需求

(一)工業(yè)現(xiàn)場5G化改造后組網(wǎng)

13

圖3-3頂蓋線體5G化改造后的組網(wǎng)拓?fù)?/p>

如圖3-3，頂蓋線體在5G化改造后，主PLC與現(xiàn)場設(shè)備之間，以及

機(jī)器人PLC與下掛IO之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，采用5GURLLC進(jìn)行連接。

主PLC、HMI、現(xiàn)場設(shè)備與MES之間的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，采用5G大帶

寬來支持。5G一張網(wǎng)支持實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，主PLC通過5GUPF接入,

現(xiàn)場設(shè)備通過5G終端星型扁平化接入。其中5G基站部署在車間，5G

UPF下沉車間，提供實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)交互。

(二)工業(yè)現(xiàn)場5G應(yīng)用場景及價(jià)值

傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在不柔性，不智能等問題，5GURLLC應(yīng)用于焊裝

車間，將為汽車制造會(huì)帶來三大類價(jià)值場景：

1)去掉有線束縛的柔性化應(yīng)用：汽車多車型生產(chǎn)，存在很多柔性

裝備，如機(jī)器人工具切換，立體庫隨行夾具等。傳統(tǒng)有線連接的移動(dòng)

類場景，減少移動(dòng)造成的通訊物理故障。目前全年累計(jì)因線纜拖拽/

磨損導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間約60小時(shí)/工廠，5G化可有效減少停機(jī)時(shí)間及相

關(guān)電纜/插針/repeater等傳統(tǒng)有線設(shè)備，預(yù)估每年可帶來經(jīng)濟(jì)價(jià)值~7

億元/工廠。

14

2)IT/OT融合智能化應(yīng)用：面向大量現(xiàn)場設(shè)備接入，有線網(wǎng)絡(luò)分

層，投資成本高（8萬平車間，1.7萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，投資~2千萬元），且

傳統(tǒng)工業(yè)以太難以滿足IT業(yè)務(wù)與OT共一張網(wǎng)。5G相比有線是扁平

化架構(gòu)，組網(wǎng)簡單；并提供IT非實(shí)時(shí)與OT實(shí)時(shí)多業(yè)務(wù)共用一張網(wǎng)的

能力，從而降本增效。

3)創(chuàng)新應(yīng)用：云化機(jī)器人(如AGV)將有效降低機(jī)器人的成本，并

借助云化算力和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)支持更柔性的一機(jī)多工藝能力(如協(xié)作搬運(yùn)/

線邊協(xié)作)。云化PLC，將進(jìn)一步降低PLC以及網(wǎng)絡(luò)部署成本，同時(shí)

借助云化算力和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)支持更柔性的工藝編排能力，應(yīng)對(duì)新車型快

速上線，跨廠商跨協(xié)議的設(shè)備實(shí)現(xiàn)組態(tài)。

汽車焊接車間現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，按照上述模式進(jìn)行5G化改造后，將會(huì)有如

下表所示的5GURLLC應(yīng)用場景，其中每個(gè)場景的詳細(xì)描述請(qǐng)參考附錄

A.1-A.1.17。

表3-4現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)5G化改造后5GURLLC應(yīng)用場景及價(jià)值描述

參考附錄應(yīng)用場景典型設(shè)備主要價(jià)值

A.1.1C2IO-工具切換從PLC到IO，如機(jī)器人6軸和?？空鹃g總線設(shè)備去掉有線束縛

插拔對(duì)接，遠(yuǎn)程IO/閥島/焊槍等的柔性化應(yīng)用

A.1.2C2IO-智能從站機(jī)器人1、3、6軸移動(dòng)總線設(shè)備，遠(yuǎn)程IO、閥組網(wǎng)簡化降本

島、工藝設(shè)備控制器等

A.1.3C2IO-回轉(zhuǎn)傳隨夾具臺(tái)一起回轉(zhuǎn)傳輸移動(dòng)的總線設(shè)備/遠(yuǎn)程去掉有線束縛

輸、隨行夾具IO/閥島等的柔性化應(yīng)用

A.1.4C2IO-轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)隨轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)鼓180度往復(fù)運(yùn)動(dòng)的總線設(shè)備d，交去掉有線束縛

鼓換機(jī)、遠(yuǎn)程IO、閥島、變頻器等的柔性化應(yīng)用

A.1.5C2IO-升降機(jī)、隨升降機(jī)、滑臺(tái)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的總線設(shè)備，交去掉有線束縛

滑臺(tái)換機(jī)、遠(yuǎn)程IO、閥島、變頻器等的柔性化應(yīng)用

A.1.6C2IO-有軌、閉隨EMS/滑板/吊具等輸送線設(shè)備有軌循環(huán)運(yùn)動(dòng)的去掉有線束縛

環(huán)、滑觸線/漏總線設(shè)備，遠(yuǎn)程IO、變頻器等的柔性化應(yīng)用

波電纜通訊

A.1.7C2IO-點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，隨立體庫堆垛機(jī)移動(dòng)的總線設(shè)備，遠(yuǎn)程IO/閥島去掉有線束縛

紅外通訊、激光/變頻器等的柔性化應(yīng)用

通訊

A.1.8C2IO-上、下料遠(yuǎn)程IO、閥島等去掉有線束縛

臺(tái)/夾具定位臺(tái)的柔性化應(yīng)用

A.1.9C2IO-安全操作安全I(xiàn)O、總線安全掃描儀等組網(wǎng)簡化降本

15

A.1.10C2IO-識(shí)別系統(tǒng)總線相機(jī)、總線RFID等組網(wǎng)簡化降本

A.1.11C2IO-固定輸送遠(yuǎn)程IO/變頻器/伺服驅(qū)動(dòng)控制器等組網(wǎng)簡化降本

A.1.12C2IO-固定工藝從PLC到IO，如螺柱焊控制器、點(diǎn)焊控制器、涂組網(wǎng)簡化降本

設(shè)備膠控制器/激光控制器/遠(yuǎn)程IO等

A.1.13C2IO-集中/云化PLC進(jìn)集中化處理，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域控制，直接進(jìn)核創(chuàng)新應(yīng)用

PLC心網(wǎng)

A.1.14C2IO-AGV遠(yuǎn)程IOAGV遠(yuǎn)程IO化，從屬于線體主控PLC創(chuàng)新應(yīng)用

化

A.1.15NRT-數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集，如能源監(jiān)控，總線電表/水表/氣表組網(wǎng)簡化降本

等實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)

一張網(wǎng)

A.1.16C2C-控制器數(shù)據(jù)總線IO復(fù)制器等組網(wǎng)簡化降本

耦合交互線體間信號(hào)交

互不再需要PN

耦合器，降低

成本

A.1.17HMI-人機(jī)示教/有限移動(dòng)的有線操作屏，觸摸屏，遠(yuǎn)程IO等去掉有線束縛

急停的柔性化應(yīng)用

(三)工業(yè)現(xiàn)場5G應(yīng)用場景需求

針對(duì)汽車焊接車間的不同應(yīng)用場景，基于行業(yè)典型部署，梳理各個(gè)

場景的業(yè)務(wù)需求如下表，其中業(yè)務(wù)需求主要包含：業(yè)務(wù)周期CT、業(yè)務(wù)穩(wěn)

定性(ST,0宕機(jī)時(shí)長)、業(yè)務(wù)場景(移動(dòng)性，NRT并發(fā))，以及業(yè)務(wù)密度(組

態(tài)節(jié)點(diǎn)密度和車間節(jié)點(diǎn)密度)，其具體參數(shù)的含義，請(qǐng)參考章節(jié)2.3。

車間典型業(yè)務(wù)周期CT為4ms，C2IO典型PLC組態(tài)密度約為100節(jié)

點(diǎn)/500平方米,車間節(jié)點(diǎn)密度約5780/3.3萬平方米。

表3-5汽車焊接車間5GURLLC應(yīng)用場景需求

ST/C0宕組態(tài)節(jié)

CT/m移動(dòng)性NRT帶寬/車間節(jié)點(diǎn)

序號(hào)應(yīng)用場景T倍機(jī)時(shí)點(diǎn)數(shù)/面

s連接面積

數(shù)長*/Mbps積/

C2IO-工140/3.3

1423年3D-2-31——

具切換萬平

100節(jié)

C2IO-智400/3.3

2423年3D-2-310點(diǎn)/500

能從站萬平

平

C2IO-回

3D-2-500/3.3

3轉(zhuǎn)傳輸、423年1——

(10~200)萬平

隨行夾具

16

C2IO-轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)-1-60/3.3萬

4423年1——

臺(tái)、轉(zhuǎn)鼓(3~10)平

C2IO-升

2D-1-180/3.3

5降機(jī)、滑423年1——

(3~20)萬平

臺(tái)

C2IO-有

軌、閉

2D-2-90/3.3萬

6環(huán)、滑觸423年1——

(10~200)平

線/漏波

電纜

C2IO-點(diǎn)

對(duì)點(diǎn)，紅3D-2-30/3.3萬

7423年1——

外通訊、(10~200)平

激光通訊

C2IO-

上、下料180/3.3

8423年——1——

臺(tái)/夾具萬平

定位臺(tái)

C2IO-安700/3.3

9423年——1——

全操作萬平

C2IO-識(shí)100/3.3

10423年——1——

別系統(tǒng)萬平

C2IO-固800/3.3

11423年——1——

定輸送萬平

C2IO-固

1200/3.

12定工藝設(shè)423年-10——

3萬平

備

C2IO-集

700/3.3

13中/云化423年——100——

萬平

PLC

C2IO-

200/3.3

14AGV遠(yuǎn)程423年——1——

萬平

IO化

NRT-能100-200/3.3

1523年——1——

源監(jiān)控200萬平

16C2C-控制423年——10——100/3.3

17

器數(shù)據(jù)耦萬平

合交互

HMI-人

機(jī)示教/100-步行-1-200/3.3

1723年10——

急停/監(jiān)1000(10~200)萬平

測

3.3.總裝車間場景描述

3.3.1車間總體情況

圖3-4某汽車制造總裝車間布局圖

如圖3-4所示，汽車制造總裝車間共占地面積64512㎡，具體車間

運(yùn)行流程為：PBS（白車身儲(chǔ)運(yùn)線）—內(nèi)飾1線—內(nèi)飾2線—底盤1線—

底盤2線—最終1線—最終2線—完成線—檢測線—淋雨線—報(bào)交線。

18

圖3-5某汽車制造總裝車間實(shí)景1

圖3-6某汽車制造總裝車間實(shí)景2

19

總裝車間自動(dòng)化系統(tǒng)在非標(biāo)輸送線、AGV、單機(jī)設(shè)備中均有應(yīng)用。

非標(biāo)輸送線的線體類型有柔性滑軌系統(tǒng)（以下簡稱EMS）、滑橇輸送線、

摩擦輸送線、板鏈、輥筒輸送線，單機(jī)設(shè)備常見類型有助力機(jī)械手、玻

璃涂膠機(jī)、加注機(jī)、擰緊機(jī)。

該車間底盤線、車門線采用EMS輸送線，內(nèi)飾線采用升降滑板輸送

線。PBS線采用滑橇輸送線，輪胎線、座椅線采用輥筒輸送線，最終線、

完成線、淋雨線、報(bào)交線采用板鏈輸送線。除EMS線外、其他線體與焊

裝車間頂蓋線形式相同，下文不再贅述。

EMS常用的分散控制器配置有單軸（EMS+吊具輸送系統(tǒng)）、雙軸

（EMS+升降吊具輸送系統(tǒng)）、雙軸+安全（EMS+升降吊具輸送系統(tǒng)）、

三軸+安全功能（EMS+升降旋轉(zhuǎn)吊具輸送系統(tǒng)），滑板線常用的配置有

單軸（升降滑板輸送線）、單軸+安全（安全型升降滑板輸送線）。

3.3.2傳統(tǒng)工業(yè)通信組網(wǎng)

(一)傳統(tǒng)工業(yè)通信組網(wǎng)架構(gòu)

圖3-7某汽車制造總裝車間組網(wǎng)架構(gòu)

20

如圖3-7所示，總裝車間組網(wǎng)架構(gòu)由IT層和OT層組成，“黑色線

條”為IT層網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系，“藍(lán)色線條”為C2C數(shù)據(jù)耦合交互網(wǎng)絡(luò)連

接關(guān)系，“綠色線條“為C2IO實(shí)時(shí)邏輯控制網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。

EMS線和滑板線屬于圖3-7中“ConveyorPLC”所處網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，為

OT層的現(xiàn)場級(jí)網(wǎng)絡(luò)，常用的現(xiàn)場總線協(xié)議為Profinet。

表3-6總裝車間各線體設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計(jì)

輥工PL電柜內(nèi)交換觸摸驅(qū)動(dòng)機(jī)器切換轉(zhuǎn)臺(tái)/吊具/滑

床位C表I/O機(jī)屏柜人盤轂板

PBS線250022301610600120

內(nèi)飾線30482230128400450

底盤線0362228128400040

最終線0481164420020

完成線0301142220000

淋雨線061132220000

報(bào)交線061132220000

輪胎線0011126531060

座椅線0011126530060

車門線028221886600060

底盤分裝

03433146630060

線

匯總28023617171607658371036150

底盤EMS是最全新一代適用于底盤裝配作業(yè)的輸送線，通過對(duì)車

身的作業(yè)高度，車身的角度進(jìn)行多方位的調(diào)整，合理的解決了裝配線上

人機(jī)工程的問題。EMS電控系統(tǒng)由地面主控PLC、吊具分散控制器、通

訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、定位系統(tǒng)組成。分散控制器為“三軸+安全功能”配

置，采用滑觸線供電，通過PXV二維碼讀寫進(jìn)行定位，通訊系統(tǒng)采用以

微波管道為載體的波導(dǎo)通訊系統(tǒng)。

21

圖3-8EMS系統(tǒng)架構(gòu)(西門子分散控制器)

(二)傳統(tǒng)工業(yè)通信及業(yè)務(wù)功能描述

如圖3-9所示，主站PLC對(duì)吊具進(jìn)行調(diào)度控制，主站PLC經(jīng)交換機(jī)

后接入AP，然后進(jìn)行波導(dǎo)通訊，在吊具側(cè)通過CP接入分散控制器。分

散控制器的驅(qū)動(dòng)單元通過現(xiàn)場變頻器實(shí)現(xiàn)，在分散控制器本體內(nèi)部集成

有安全I(xiàn)O模塊，可對(duì)安全保護(hù)傳感器、高度信息、定位信息收集并反饋

至CPU，最終實(shí)現(xiàn)吊具各個(gè)方向的閉環(huán)控制。

圖3-95G改造前現(xiàn)有方式(波導(dǎo)通訊)

22

(三)傳統(tǒng)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)投資

以簡化的EMS系統(tǒng)為例，包含兩套車載控制系統(tǒng)，其軟硬件包含分

散控制器、安全I(xiàn)O、現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)單元、遙控器，平均每套系統(tǒng)投入約19

萬元。因遠(yuǎn)端主控制器PLC與EMS吊具之間的實(shí)時(shí)控制需要采用無線

網(wǎng)絡(luò)，目前僅有少數(shù)廠商提供定制化的解決方案(如波導(dǎo)管)，無論是定制

的無線網(wǎng)絡(luò)，還是吊具上的分散控制器，成本都很高。

以總裝EMS簡化系統(tǒng)為例，包含1個(gè)主PLC，24個(gè)下掛設(shè)備（從

PLC2個(gè)、下掛OT設(shè)備22個(gè)），具體如表3-7所示。

表3-7總裝EMS簡化系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量

主PLC下掛OT設(shè)備/

產(chǎn)線面積主PLC數(shù)量從PLC數(shù)量從PLC下掛OT設(shè)備

從PLC

300012222

表3-8為簡化EMS線體傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)投資明細(xì)，含1個(gè)主站和2個(gè)從站

（分散控制器）之間的網(wǎng)路通訊部分，波導(dǎo)管道總長為126米，總計(jì)12

萬元。

表3-8總裝EMS簡化系統(tǒng)傳統(tǒng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)投資

序號(hào)型號(hào)中文品名數(shù)量單位單價(jià)小計(jì)

1051511-015米帶條碼區(qū)域波導(dǎo)管31根779.3424159.49

2051511-03#帶條碼區(qū)域波導(dǎo)管1根989.02989.02

3051512-01#帶條碼區(qū)域波導(dǎo)管5根3335.9716679.87

4051512-01#帶條碼區(qū)域波導(dǎo)管1根3335.973335.97

5051551-03端頭3個(gè)1994.865984.57

6051551-01接頭3個(gè)1994.865984.57

7051541-01固定夾250個(gè)13.053262.88

8051552-01#轉(zhuǎn)換器2個(gè)14735.2029470.40

90130轉(zhuǎn)換電纜1米1813.391813.39

10051590-01安裝包2個(gè)399.00798.01

11051521-01接頭10個(gè)49.38493.81

12051521-03PE接頭7個(gè)122.53857.68

13051522-01#接頭電纜7個(gè)38.75271.23

14051561-01#膨脹件4個(gè)989.093956.36

15051501-01#移動(dòng)端碳刷天線2個(gè)11382.4822764.96

16051502-01支架4個(gè)125.90503.62

含稅金額￥121,327.01

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如表3-9所示，EMS吊具端的工控系統(tǒng)成本中，本地PLC，即分散控

制器約占40%。

表3-9EMS吊具工控系統(tǒng)成本明細(xì)(含本地控制器)

序號(hào)型號(hào)中文品名數(shù)量單位單價(jià)小計(jì)

72808.7

16ES72120AB152BJ2EMS600S控制器1件72808.75

5

10938.7

26ES7292-0AA51-0AA0顯示模塊1件10938.75

5

36ES7292-0CA50-0AA0遙控器1件5183.755183.75

46SL3525-0PE27-5AA1變頻器功率模塊2件1625632512

56SL3525-0PE24-0AA1變頻器功率模塊1件1054510545

66SL35250PE215AA1變