工控應(yīng)用需求與5G網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)轉(zhuǎn)譯技術(shù)報(bào)告-離散制造領(lǐng)域

5G譯技術(shù)報(bào)告——離散制造領(lǐng)域（2024）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟2024年10月目 錄一、5G進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)工控域的值與戰(zhàn)典場(chǎng)景 1（）典場(chǎng)景 1（）關(guān)價(jià)值 7（）主挑戰(zhàn) 8二、基工控務(wù)需的應(yīng)用KQI指描述 9（）現(xiàn)級(jí)工場(chǎng)景用的KQI概述 10（二應(yīng)用KQI之：通服務(wù)用性 10（三應(yīng)用KQI之：生節(jié)拍 15（四應(yīng)用KQI之：安全Safety 18（五應(yīng)用KQI之：控精度 25三網(wǎng)絡(luò)KPI指定義 28（）RTT最時(shí)延 28（）RTT平時(shí)延 28（）最大RTT時(shí)抖動(dòng) 28（）最接收間隔動(dòng) 29（）丟率 30（）時(shí)同步度 30四業(yè)務(wù)KQI對(duì)絡(luò)KPI需的轉(zhuǎn)方法 30（）指轉(zhuǎn)譯映射法 30（）工控KQI與5GKPI的射模型 31（）5G網(wǎng)指標(biāo)分級(jí)檔 32（）轉(zhuǎn)工具作原理 34五應(yīng)用例 36（）通服務(wù)用性譯應(yīng)案例 36（）生節(jié)拍譯的例 38（）生安全譯的例 41（）生精度譯的例 43附錄 46參文獻(xiàn) 48一、5G進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工控領(lǐng)域的價(jià)值與挑戰(zhàn)典型場(chǎng)景（一）典型場(chǎng)景ISA-955ERP、MES、SCADA、PLC化調(diào)整：離散制造行業(yè)例如汽車制造領(lǐng)域以MES+PLCSCADA1MES、SCADA、PLC圖1ISA95標(biāo)準(zhǔn)定義的5層業(yè)務(wù)架構(gòu)ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）ITERP（倉(cāng)儲(chǔ)/物流/產(chǎn)能等），并最終將生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)至工廠側(cè)；MES/人/機(jī)/料的管理，核心是提升生產(chǎn)管理能力，主要應(yīng)用于離散型制造業(yè)（將原材料加工成零件，經(jīng)部件組裝和總體組裝成為成品，完全按照裝配方式生產(chǎn)加工的制造類型，例如3C/家電/汽車）例如汽車制造中，完成生產(chǎn)決策到生產(chǎn)過(guò)程的銜接工作，其核心是生產(chǎn)調(diào)度（生產(chǎn)任務(wù)的細(xì)化，工單下達(dá)，協(xié)調(diào)）和生產(chǎn)管控（管理設(shè)備，生產(chǎn)狀態(tài)，質(zhì)量監(jiān)控），側(cè)重生產(chǎn)的人機(jī)料法環(huán)管理。圖2MES系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景示例（某離散工廠）SCADA（數(shù)據(jù)采集監(jiān)視控制系統(tǒng)）屬于監(jiān)督控制網(wǎng)，SCADA遙控、遙調(diào)、遙視），側(cè)重生產(chǎn)設(shè)備的管控。離散制造行業(yè)例如汽車制造領(lǐng)域的SCADA層的典型應(yīng)用是設(shè)備控制例如物流AGV和設(shè)備監(jiān)控診斷。圖3SCADA系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景示例（某煤礦開(kāi)采區(qū)）PLCAGV、EMSI/O及各工藝工具等實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)線中的設(shè)備控制。工廠控制網(wǎng)絡(luò)一般按照工廠=>車間=>生產(chǎn)線=>工島進(jìn)行分層控制：PLCPLCSCADA/MESSCADA/MESPLCL2CC2CC2C(Controller-to-ControllerPLCPLC訊，以及機(jī)器人與機(jī)器人之間系統(tǒng)控制時(shí)的通信。L2C(LinetoControllerPLCPLCPLCAGV/EMSL2CC2CPLCC2D(Controller-to-Device)C2IO(Controller-to-I/O)，PLCI/O/執(zhí)行器智能設(shè)備類：如工業(yè)機(jī)器臂運(yùn)動(dòng)控制類：如編碼器/伺服電機(jī)其中，PLC東西向和南向場(chǎng)景就是我們一般說(shuō)的PLC現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制場(chǎng)景，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、確定性要求相對(duì)最強(qiáng)的場(chǎng)景。圖4 PLC現(xiàn)級(jí)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)示（某散制工廠）PLCPLCAGV、EMSI/O以及各工藝工具等實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)線中的設(shè)備控制的場(chǎng)景，為了更加具體地描述現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制場(chǎng)景中的典型應(yīng)用場(chǎng)景，本文以離散制造業(yè)中相對(duì)較具典型性先進(jìn)性5G傳統(tǒng)有線通信的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。C2CAGVAGVPLCAGV，一般AGVPLCWIFIPLC/PLCWIFI差，同時(shí)可在線數(shù)量低，通訊時(shí)延長(zhǎng)等問(wèn)題。5GAGV間，提高生產(chǎn)節(jié)拍。5GPLCAGVPLCPLCPLCAGVIOAGV圖5工藝AGV示意圖C2C：EMSEMS（ElectrifiedMonorailSystemConveyor）主要應(yīng)用在汽車、家電等行業(yè)的輸送及裝配等方面，根據(jù)其負(fù)載可分為輕載EMSEMS，訊等。首先，物理連線的安裝和維護(hù)要求較高，需要專業(yè)人員進(jìn)行安裝調(diào)試和定期檢修，增加了人力成本。其次，這種物理介質(zhì)通信方式與特定的分散控制器捆綁且集成技術(shù)基本被一些國(guó)外廠商壟斷，增加了系統(tǒng)的采購(gòu)成本。再者，由于安裝和維護(hù)過(guò)程繁瑣耗時(shí)，它會(huì)在系統(tǒng)升級(jí)或故障恢復(fù)時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)線暫停，從而影響生產(chǎn)效率并帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。此外，傳統(tǒng)系統(tǒng)的開(kāi)放性不足，限制了與5G從而簡(jiǎn)化了安裝和維護(hù)流程，減少了因維護(hù)和升級(jí)導(dǎo)致的生產(chǎn)停滯時(shí)間，不僅降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，也提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)的可靠性。圖6EMS示意圖C2C焊裝車間是汽車制造中自動(dòng)化程度最高、機(jī)器人使用數(shù)量最多的車間。在焊裝生產(chǎn)過(guò)程中，存在各種機(jī)器人與機(jī)器人協(xié)同工作的情況，如：兩臺(tái)或多臺(tái)5G線纜部署，網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化，減少硬件成本，使產(chǎn)線部署更靈活。圖7機(jī)器人協(xié)同控制組網(wǎng)示意圖C2IO/IOMTS（備貨型生產(chǎn)）MTO（按訂單生產(chǎn)）ETO（按訂單設(shè)計(jì)）的變化，產(chǎn)線對(duì)柔性生產(chǎn)的需求不斷提升，機(jī)器人的工具切換，正是一項(xiàng)有效對(duì)策，工具切換可以使機(jī)器人在工藝流程不同階段使用不同工具，或通過(guò)更換不同工具適應(yīng)生產(chǎn)不同型號(hào)產(chǎn)品的需求，使得多型產(chǎn)品共線生產(chǎn)成IOPLC5G件，減少維護(hù)工作量，減少空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的物理通訊故障（斷線、接頭松動(dòng)等），無(wú)現(xiàn)場(chǎng)總線物理對(duì)接，無(wú)通訊對(duì)接時(shí)重啟等待時(shí)間，減少對(duì)接設(shè)備維護(hù)工作量，每一工具都是通訊永遠(yuǎn)在線狀態(tài)，可提升生產(chǎn)節(jié)拍和效率。圖8工具切換圖示C2IO：隨行夾具/轉(zhuǎn)臺(tái)/滑臺(tái)等隨行夾具是汽車柔性生產(chǎn)線移動(dòng)的工裝設(shè)備，該工裝設(shè)備通常有分布式IO設(shè)備如閥島等，5G無(wú)線化可簡(jiǎn)化有線現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，減少硬件，減少維護(hù)工作量，減少水平運(yùn)動(dòng)造成的物理通訊故障（斷線、接頭松動(dòng)等），無(wú)現(xiàn)場(chǎng)總線物理對(duì)接，減少對(duì)接設(shè)備維護(hù)工作量，提升設(shè)備開(kāi)工率；每一隨行夾具都是通訊在線狀態(tài)，在多車型交替生產(chǎn)時(shí)，便于優(yōu)化程序提升生產(chǎn)節(jié)拍和效率。圖9隨行夾具示意圖5GPLC提高設(shè)備開(kāi)動(dòng)率，提升產(chǎn)能，甚至可以進(jìn)一步催生集中化/PLC圖105G無(wú)線接入的PLC現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制場(chǎng)景組網(wǎng)圖示圖（二）關(guān)鍵價(jià)值工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是連接工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)各要素的信息通路，是實(shí)現(xiàn)“以信息為中心”的智能制造系統(tǒng)的基座，制造行業(yè)各生產(chǎn)車間的傳統(tǒng)有線現(xiàn)場(chǎng)控制應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)多數(shù)是樹(shù)形或者環(huán)形加樹(shù)形的結(jié)構(gòu)，樹(shù)形拓?fù)涔た鼐W(wǎng)絡(luò)受限于組網(wǎng)配置與網(wǎng)絡(luò)端口的物理綁定，難以快速靈活調(diào)整，借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化后的現(xiàn)場(chǎng)控制應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)扁平化的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更好地使能設(shè)備布局的靈活調(diào)整，是實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的前提。5G可靠和超大連接等網(wǎng)絡(luò)能力，是賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新型基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是5G（uRLLC）可以滿足現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制的工業(yè)以太RT（RealTime）級(jí)要求，解決現(xiàn)有有線應(yīng)用中走線復(fù)雜、改造工程大、插拔故WIFI5G5G和連接即服務(wù)等特性，實(shí)現(xiàn)一次開(kāi)通、永久在線、靈活移動(dòng)的業(yè)務(wù)連接能力，Sensor業(yè)務(wù)需求，而傳統(tǒng)有線在生產(chǎn)調(diào)整時(shí)需要將原來(lái)的設(shè)備和線路進(jìn)行改造，費(fèi)時(shí)5G場(chǎng)級(jí)控制場(chǎng)景中的插拔、移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或有柔性生產(chǎn)需求環(huán)節(jié)的有線工業(yè)以太總線，打破有線連接的位置束縛，快速搭建移動(dòng)化、高度靈活的柔性生產(chǎn)線，滿5GPLCAI5G+邊緣化/PLC+AI（三）主要挑戰(zhàn)目前，5G在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用成熟度不夠，依然面臨多方面的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)工業(yè)控制場(chǎng)景對(duì)5G時(shí)承載不同業(yè)務(wù)。不同的業(yè)務(wù)，不同的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)不同的指標(biāo)有不同的需5G當(dāng)前的工業(yè)協(xié)議較多，在不同的工業(yè)協(xié)議下，即使具有相同的業(yè)務(wù)需求，對(duì)通信指標(biāo)等級(jí)要求也各不相同。例如，不同的工業(yè)協(xié)議存在不同5G5G現(xiàn)有的部分工業(yè)控制場(chǎng)景對(duì)通信指標(biāo)要求過(guò)高，例如，高精度全自動(dòng)協(xié)同場(chǎng)景要求達(dá)到1ms@99.999的時(shí)延可靠性指標(biāo)。然而，5G無(wú)線通信5G5G進(jìn)入工控環(huán)節(jié)面臨的挑戰(zhàn)之一。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們首先需要明白的是，一方面，5G力受限。受限于無(wú)線通信系統(tǒng)本身的技術(shù)特點(diǎn)，空口時(shí)延受和可靠性受到無(wú)線傳播環(huán)境中慢衰落、快衰落、干擾等影響，其丟包率要遠(yuǎn)高于有線傳輸，不可KQIKPI5G5G能力還無(wú)法滿足；另一方面，5G一般通過(guò)降低碼率和冗余傳輸?shù)燃夹g(shù)來(lái)降低系統(tǒng)重傳，從而降低時(shí)延提高可靠性，但會(huì)帶來(lái)空口資源消耗的增加，降低網(wǎng)絡(luò)連接用戶數(shù)。因此需要綜合考慮業(yè)務(wù)連接和業(yè)務(wù)保障能力，實(shí)現(xiàn)成本和性能的平衡。所以首當(dāng)其沖的是需要研KQIKQI5G5G5G二、基于工控業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用KQI指標(biāo)描述（一）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工控場(chǎng)景應(yīng)用的KQI概述在工業(yè)領(lǐng)域，OEE（設(shè)備綜合效率）分比，是衡量制造業(yè)生產(chǎn)效率的黃金標(biāo)準(zhǔn)。OEE機(jī)時(shí)間的情況下盡可能快地制造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。如OEE=100的含義即100的質(zhì)量（只有好的產(chǎn)品）、100的性能（盡可能快）和100的可用性（沒(méi)有停機(jī)時(shí)間）。即：OEE=可用性×性能×質(zhì)量從上述工業(yè)OEE概念可以進(jìn)一步推導(dǎo)出現(xiàn)場(chǎng)及工控場(chǎng)景的KQI（關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)）：可用性對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)線可用性，即產(chǎn)線可按照要求正常運(yùn)行的時(shí)間占比：Availability=（計(jì)劃工作時(shí)間-計(jì)劃停機(jī)時(shí)間-非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間）/(計(jì)劃工作時(shí)間-計(jì)劃停機(jī)時(shí)間)從上式不難看出，為確保產(chǎn)線可用性就需要讓非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間符合生產(chǎn)要求，即減少產(chǎn)線停機(jī)時(shí)間。常見(jiàn)的停機(jī)原因一般有兩個(gè)：一是通信可用性即工業(yè)以太總線（例如Profinet）的看門(mén)狗超時(shí)導(dǎo)致的產(chǎn)線停機(jī)；另一方面是因?yàn)榘踩玈afety看門(mén)狗超時(shí)導(dǎo)致的產(chǎn)線停機(jī)。性能其實(shí)對(duì)應(yīng)的就是產(chǎn)線的產(chǎn)能或生產(chǎn)節(jié)拍；質(zhì)量對(duì)應(yīng)于良品率，在離散制造業(yè)生產(chǎn)中決定良品率的其實(shí)就是控制精度，控制精度不達(dá)標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致次品甚至破壞生產(chǎn)工具或設(shè)備。綜上，使得整體OEE效率達(dá)標(biāo)，就是需要確保產(chǎn)線的可用性（通信可用性和安全safety）、生產(chǎn)節(jié)拍、控制精度都滿足業(yè)主需求，這也就是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工控場(chǎng)景應(yīng)用的KQI。（二）應(yīng)用KQI之一：通信服務(wù)可用性概述除去設(shè)備的可用性影響，通信服務(wù)可用性主要受網(wǎng)絡(luò)包級(jí)可靠性指標(biāo)影響，即丟包、時(shí)延、抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)丟包，時(shí)延或抖動(dòng)加大等問(wèn)題會(huì)觸發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)看門(mén)狗機(jī)制，從而導(dǎo)致宕機(jī)。由此可見(jiàn)，不同的看門(mén)狗機(jī)制影響KQI指標(biāo)通信服務(wù)可用性向網(wǎng)絡(luò)性能KPI指標(biāo)映射模型。工業(yè)以太協(xié)議常見(jiàn)的兩種總線機(jī)制：等停響應(yīng)模式（例如ModbusTCP）和周期性對(duì)發(fā)模式（例如Profinet、EthernetIP）。他們各自的工業(yè)總線看門(mén)狗機(jī)制也是不一樣的，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求指標(biāo)當(dāng)然也是不一樣的。圖11兩類工業(yè)總線的通信服務(wù)可用性對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求示意圖周期性對(duì)發(fā)模式中（Profinet），側(cè)對(duì)等地周期性對(duì)發(fā)報(bào)文。兩側(cè)互為發(fā)送端和接收端，兩側(cè)的接收端都有看門(mén)狗機(jī)制：圖12PLC和IO設(shè)備兩側(cè)看門(mén)狗圖示以單側(cè)為例，看門(mén)狗機(jī)制示意圖如下：接收端收到有效（不亂序且校驗(yàn)通過(guò)）CT1，CT（工業(yè)有線一34）時(shí)引發(fā)看門(mén)狗超時(shí)，此時(shí)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量影響工業(yè)業(yè)務(wù)的通信服務(wù)可用性，進(jìn)而影響產(chǎn)線可用性。工業(yè)是通過(guò)監(jiān)測(cè)接收包間隔<WDt（WatchDogTimerfromProfinet）來(lái)決定鏈路是否正常的，而網(wǎng)絡(luò)側(cè)是通過(guò)確保接收包間隔抖動(dòng)<ST（SurvivalTimefrom3GPP，ST=WDt-CT，CTCycleTime）所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求是：網(wǎng)絡(luò)的接收包間隔抖動(dòng)jitterjitter<=xms@n93CT，則而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，3CT門(mén)狗時(shí)間門(mén)限內(nèi)抵達(dá)接收端，看門(mén)狗就不會(huì)超時(shí)，這三次報(bào)文中，最后一次允許抖動(dòng)的范圍最小，不能超過(guò)一個(gè)CT，為了簡(jiǎn)化分析，從嚴(yán)要求網(wǎng)絡(luò)所有的報(bào)jitter<CT@n9，在確保網(wǎng)絡(luò)不丟包、不亂序的前提下，jitter<CT@n9。圖13看門(mén)狗機(jī)制圖示（本例中看門(mén)狗門(mén)限是以4倍CT為例示意）ModbusTCP是：主站發(fā)送端應(yīng)用層發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，從站收到后應(yīng)用層會(huì)發(fā)送應(yīng)用層響應(yīng)。主站根據(jù)應(yīng)用層請(qǐng)求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文之間的時(shí)間來(lái)判斷如果超過(guò)預(yù)先設(shè)置的WDT的通信服務(wù)可用性，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求是：網(wǎng)絡(luò)時(shí)延RTTRTT<=xms@n9。Step1：產(chǎn)線通信服務(wù)可用性求解產(chǎn)線的可用性，工廠里計(jì)算有如下兩種方式，基本是等價(jià)的。方法一：Aline=（計(jì)劃工作時(shí)間-計(jì)劃停機(jī)時(shí)間-非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間）/(計(jì)劃工作時(shí)間-計(jì)劃停機(jī)時(shí)間)方法二：Aline=（計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間-非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間）/計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間80002Aline=(8000-2)/8000=99.975。可見(jiàn)減少通信系統(tǒng)的非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間是提升通信服務(wù)可用性的關(guān)鍵，而非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間基本等同于工業(yè)通信系統(tǒng)的宕機(jī)時(shí)間，其主要受組成系統(tǒng)的每個(gè)通信鏈路可用性綜合影響。Step2：每個(gè)單向空口鏈路可用性求解n2（如5G）接入工業(yè)通信系統(tǒng)，那么任何一條鏈路的看門(mén)狗超時(shí)都會(huì)導(dǎo)2n計(jì)學(xué)上獨(dú)立不相關(guān)，它們之間的故障為串聯(lián)模式。從而從系統(tǒng)的通信服務(wù)可用AlineAlink。同理也可以計(jì)算出雙端無(wú)線或者是單/Alink。Step3：?jiǎn)伟煽啃杂?jì)算對(duì)于單鏈路可靠性而言，在指定時(shí)間內(nèi)所有看門(mén)狗時(shí)限都不超時(shí)才可以保證可靠性，這是屬于故障的串聯(lián)模型。而每個(gè)看門(mén)狗時(shí)限內(nèi)發(fā)送的報(bào)文中，只要其中有一個(gè)報(bào)文在看門(mén)狗時(shí)間門(mén)限內(nèi)抵達(dá)接收端，看門(mén)狗就不會(huì)超時(shí)。假設(shè)NProfinetWDTNCT，NNTMM-(N-1)次看門(mén)狗機(jī)制生效機(jī)會(huì)。這些看門(mén)狗中一次都不能出現(xiàn)超時(shí)，P。圖14看門(mén)狗滑窗機(jī)制示意圖具體從通信服務(wù)可用性到網(wǎng)絡(luò)單包可靠性轉(zhuǎn)譯的應(yīng)用案例詳見(jiàn)5.1章節(jié)。（三）應(yīng)用KQI之二：生產(chǎn)節(jié)拍產(chǎn)能是制造業(yè)最重要的生產(chǎn)力和競(jìng)爭(zhēng)力，一個(gè)工廠的生產(chǎn)節(jié)拍直接決定了工廠全年的產(chǎn)能能力，生產(chǎn)節(jié)拍的定義：在產(chǎn)線的成品出口處相鄰兩次成品下6060離散制造工廠的一條產(chǎn)線通常有多個(gè)工島組成，每個(gè)工島由若干機(jī)器人、閥島、I/O模塊，以及其他工藝設(shè)備組成。圖X是一個(gè)簡(jiǎn)單產(chǎn)線示意圖，不同顏色為不同工島。整個(gè)生產(chǎn)流程從原始待加工件從物料入口上件開(kāi)始，依次經(jīng)過(guò)多個(gè)工島的不同工序的串行加工，例如涂膠、焊接等，最終從成品出口處下線。被加工件經(jīng)過(guò)產(chǎn)線的多個(gè)串行工序完成加工。圖15離散制造某產(chǎn)線加工流程示意圖41瓶頸工島。工島1的串行加工動(dòng)作總耗時(shí)即為該條產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍。圖16離散制造某產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍示意圖在瓶頸工島中每個(gè)工序里通常有幾個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作的流程簡(jiǎn)化理解就是PLC/機(jī)器人控制器，PLC/機(jī)器人控制器進(jìn)行運(yùn)算后通知執(zhí)行器進(jìn)行某動(dòng)作的執(zhí)行。所以該瓶頸工島各串行生產(chǎn)動(dòng)作總耗時(shí)除了占比最高的各加工步驟中工藝設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)延（這部分時(shí)延是生產(chǎn)節(jié)拍中時(shí)延構(gòu)成的最大組成部分，估計(jì)占比在95以上甚至更高），以及所有串行步驟中PLC以及各機(jī)器人控制器、I/OCPU新周期外，還包括瓶頸工島這若干個(gè)加工步驟中PLC、機(jī)器人控制器與各I/O設(shè)備、工藝設(shè)備之間有效串行交互過(guò)程中引入的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延總耗時(shí)，即生產(chǎn)節(jié)拍KPI圖17離散制造某瓶頸工島工序示意圖無(wú)線替代有線后，定量分析對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍可能帶來(lái)的影響是非常重要的，便于業(yè)主和集成商評(píng)估影響是否在可以接受的范圍內(nèi)以及評(píng)估可能的產(chǎn)線布局、工藝流程等方面的優(yōu)化以抵消這部分影響。Step1：評(píng)估瓶頸路徑上的串行交互次數(shù)n1/n2我們需要重點(diǎn)關(guān)注的瓶頸工位中一系列串行工序中所包含的有效的PLC與其下掛設(shè)備，以及機(jī)器人控制柜與其下掛的設(shè)備之間的所有有效串行消息交互次數(shù)，這個(gè)過(guò)程需要有專業(yè)的工藝規(guī)劃師和PLC以及機(jī)器人控制器程序開(kāi)發(fā)人員共同來(lái)根據(jù)整個(gè)工序程序設(shè)計(jì)情況，對(duì)期間所有有效串行消息交互次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，不同的離散制造行業(yè)，不同的產(chǎn)線，不同的工島，其工序圖都是不盡相同的需要有針對(duì)性的統(tǒng)計(jì)。由于產(chǎn)線中各節(jié)點(diǎn)的無(wú)線接入方式可能存在單端無(wú)線接入和雙端無(wú)線接入兩種方式，消息交互的時(shí)延路徑會(huì)有不同，所以串行交互次數(shù)需要區(qū)分接入方式；Step2：計(jì)算無(wú)線接入后對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的影響無(wú)線接入后對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的影響主要體現(xiàn)在如下幾方面：工業(yè)以太總線刷新周期CT可能的增加，例如有線場(chǎng)景下通常CT配置為2ms，而切到無(wú)線時(shí)CT修改為8ms；RTT_agvus的增加1）n1n2CT產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍。變量名稱變量符號(hào)有線場(chǎng)景下的工業(yè)以太總線刷新周期CT_有線5G場(chǎng)景下的工業(yè)以太總線刷新周期CT_無(wú)線5GS的平均時(shí)延RTT_agv單端無(wú)線節(jié)點(diǎn)參與生產(chǎn)節(jié)拍中的有效串行消息交互次數(shù)n1雙端無(wú)線節(jié)點(diǎn)參與生產(chǎn)節(jié)拍中的有效串行消息交互次數(shù)n2原有線場(chǎng)景下的生產(chǎn)節(jié)拍T有線生產(chǎn)節(jié)拍5G無(wú)線化后對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的絕對(duì)影響ΔT產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍5G無(wú)線化后對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的相對(duì)影響ΔT產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍具體從生產(chǎn)節(jié)拍到網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延需求轉(zhuǎn)譯的應(yīng)用案例詳見(jiàn)5.2章節(jié)。（四）應(yīng)用KQI之三：安全Safety安全Safety制造業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)遍及生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)，安全功能是生產(chǎn)的基礎(chǔ)。如下圖示例的安全急停，安全光柵掃描儀，安全護(hù)欄/門(mén)等。圖18某產(chǎn)線安全節(jié)點(diǎn)示意圖安全（Safety）safty安全系統(tǒng)通過(guò)適當(dāng)?shù)募夹g(shù)或組織措施，來(lái)確定性地防止危險(xiǎn)或?qū)⑵滹L(fēng)險(xiǎn)降低到可容忍程度。安全功能（SafetyFunction）失效后，會(huì)立即造成人員和機(jī)械設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的功能。因?yàn)榘踩谏a(chǎn)環(huán)節(jié)中至關(guān)重要，所以行業(yè)都有相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和行規(guī)。IEC61508是功能安全基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，IEC61784-3是其在通信領(lǐng)域的延伸。說(shuō)明安全完整性等級(jí)SILSyiryv)誤動(dòng)作等級(jí)STL(isrpls)計(jì)算基礎(chǔ)平均失效危險(xiǎn)機(jī)率（PFD/PFH）平均失效安全機(jī)率（PFS）概念描述安全功能在應(yīng)動(dòng)作的時(shí)候未動(dòng)作的幾率安全功能在不應(yīng)動(dòng)作時(shí)動(dòng)作的幾率代表Safety可用度Process可用度表示方式SIL(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)STL(根據(jù)用戶要求)等級(jí)的范圍1到4客戶自定義目標(biāo)防止拒動(dòng)(避免帶來(lái)傷害風(fēng)險(xiǎn))防止誤動(dòng)(避免帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失)SIL，STL例介紹，該系統(tǒng)要求當(dāng)人員闖入光柵的時(shí)候，設(shè)備立即安全停機(jī)。圖19機(jī)器人工島安全光柵示意圖①安全完整性等級(jí)（SIL）：安全功能應(yīng)動(dòng)作的時(shí)候未動(dòng)作的幾率，是控制系統(tǒng)安全等級(jí)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。目標(biāo)是防止拒動(dòng)。例如，人員闖入光柵，出現(xiàn)了安全風(fēng)險(xiǎn)，但設(shè)備未安全停機(jī)，安全拒動(dòng)。例如汽車制造工廠的SIL等級(jí)一般要求SIL3。SIL每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率（高要求或連續(xù)操作模式）1≥10-6且＜10-52≥10-7且＜10-63≥10-8且＜10-74≥10-9且＜10-8SIL等級(jí)定義表（摘自ISO13849-1:2006）②誤動(dòng)作等級(jí)（STL）：安全功能在不應(yīng)動(dòng)作時(shí)誤動(dòng)作的幾率。目標(biāo)是防止誤動(dòng)。例如，沒(méi)有人員闖入光柵，不存在安全風(fēng)險(xiǎn)，但設(shè)備意外安全停機(jī)了，安全誤動(dòng)。SIL；STL系統(tǒng)的可用性，目標(biāo)是防止誤動(dòng)，可能造成意外停機(jī)，影響生產(chǎn)；5G當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域功能安全通信都是采用IEC61784-3定義的“黑色通道”機(jī)制進(jìn)行，即在原有標(biāo)準(zhǔn)通信兩端疊加安全通信應(yīng)用層，所有安全數(shù)據(jù)均只在該層進(jìn)行數(shù)據(jù)解包和校驗(yàn)，該應(yīng)用層通過(guò)了序列號(hào)、CRC、看門(mén)狗等校驗(yàn)措施，對(duì)底層通信的丟失、不可接受的時(shí)延、意外重復(fù)、訛傳、錯(cuò)序、插入、偽裝、尋址等錯(cuò)誤進(jìn)行校驗(yàn)，保證通信的時(shí)效性、真實(shí)性、完整性，確保底層出現(xiàn)任何錯(cuò)誤均可以將系統(tǒng)返回到安全狀態(tài)。安全通信應(yīng)用層以下全部稱為“黑色通道”，“黑色通道”中采用任何技術(shù)均不影響安全通信應(yīng)用層的校驗(yàn)功能。目前主流的工業(yè)通訊協(xié)議均有符合IEC61784-3-1定義的安全通信層規(guī)范的安全通訊協(xié)議例如：FOUNDATION Fieldbus，SERCOS,Profibus/Profinet,INTERBUS,CC-LINK,EtherCAT,EthernetPOWERLINK,EPA,RAPIEnet,SafetyNET等。1在通信兩端，疊加安全通信應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)通信錯(cuò)誤校驗(yàn)措施，下層通信任何的錯(cuò)誤都將觸發(fā)安全動(dòng)作，即：寧可誤動(dòng)，也不拒動(dòng)，確保安全性。12將安全通信應(yīng)用層以下全部看做“黑色通道”，5G作為“黑色通道”最底層的傳輸鏈路，是“黑色通道”一部分。23以PROFIsafe為例，協(xié)議架構(gòu)為：PROFIsafe安全通信應(yīng)用層overProfinetover以太網(wǎng)over5G。34安全通信應(yīng)用層（e.g.PROFIsafe）直接為安全性負(fù)責(zé)，無(wú)論底層采用什么通信技術(shù)。即底層采用5G、WIFI亦或有線，都不影響安全性，但這些技術(shù)產(chǎn)生的通信錯(cuò)誤（e.g.丟包、大時(shí)延等）可能觸發(fā)安全誤動(dòng)，影響可用性。4圖20安全Safety協(xié)議相關(guān)示意圖總結(jié)：安全性由安全通信應(yīng)用層協(xié)議保證（例如PROFIsafe、CIPSafety應(yīng)用層協(xié)議），5G、WIFI、有線等都是“黑色通道”的一部分，都不會(huì)影響安全SIL，但可能因?yàn)閭鬏旀溌返耐ㄐ佩e(cuò)誤（e.g.丟包、大時(shí)延等），造成安全誤動(dòng)，產(chǎn)生意外停機(jī)，影響可用性STL。5G5GKQI5GKPI5GKPIKQI安全通信5G網(wǎng)絡(luò)KPI需求計(jì)算流程如下：步驟計(jì)算流程名稱輸入信息輸出結(jié)果1安全功能響應(yīng)時(shí)間防護(hù)措施、安全距離S、移動(dòng)速度K、穿越距離CSFRT2安全看門(mén)狗安全功能響應(yīng)時(shí)間、安全傳感器處理時(shí)間、安全執(zhí)行器處理時(shí)間TSWDT3傳輸時(shí)延RTTStep1：安全功能響應(yīng)時(shí)間SFRT安全功能響應(yīng)時(shí)間與安全距離和移動(dòng)速度有關(guān)，不同防護(hù)措施有不同的計(jì)算要求，例如安全光柵（垂直部署于危險(xiǎn)源），計(jì)算公式為S=SFRT*K+C，其中S，K，CK、CIEC/ISO圖21安全距離示意圖參數(shù)名參數(shù)描述參數(shù)來(lái)源輸入/輸出S安全距離防護(hù)措施、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、工程部署輸入K移動(dòng)速度防護(hù)措施、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)輸入C穿越距離防護(hù)措施、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)輸入SFRT安全功能響應(yīng)時(shí)間工程部署輸出Step2：安全看門(mén)狗一個(gè)完成的安全功能由安全輸入、安全輸出以及兩對(duì)安全通信鏈路組成，因此，安全看門(mén)狗與安全功能響應(yīng)時(shí)間、安全輸入延遲、安全輸出延遲進(jìn)行計(jì)算。圖22安全SFRT路徑示意圖參數(shù)名參數(shù)描述參數(shù)來(lái)源輸入/輸出SFRT防護(hù)措施、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、工程部署輸入TID輸入延遲傳感器等硬件性能輸入TOD輸出延遲執(zhí)行器等硬件性能輸入TSWDT安全看門(mén)狗組態(tài)配置輸出Step3：5G傳輸時(shí)延一對(duì)完整的安全傳輸鏈路由安全主站、安全從站、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議以及傳輸鏈路組成，因此，5G傳輸鏈路往返時(shí)延與安全看門(mén)狗、安全輸入延遲、安全輸出延遲、工業(yè)以太網(wǎng)傳輸延遲進(jìn)行計(jì)算。圖23 5G無(wú)化后的E2E傳路徑意圖參數(shù)名參數(shù)描述參數(shù)來(lái)源輸入/輸出TSWDT安全看門(mén)狗組態(tài)配置輸入TSPD安全從站硬件性能輸入TMPD安全主站硬件性能輸入TED工業(yè)以太網(wǎng)延遲Profinet看門(mén)狗組態(tài)配置輸入RTT5G往返傳輸時(shí)延網(wǎng)絡(luò)性能輸出（五）應(yīng)用KQI之四：控制精度精度控制場(chǎng)景，通常就是指運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景下的精度控制。運(yùn)動(dòng)控制（MotionControl）是指讓系統(tǒng)中的可動(dòng)部分以可控制的方式移動(dòng)的系統(tǒng)，通4統(tǒng)的組成部門(mén)，對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的影響屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS，NetworkControlSystem）問(wèn)題。圖24開(kāi)環(huán)控制示意圖根據(jù)控制方式區(qū)分可以分為開(kāi)環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)控制無(wú)反饋信息的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入量不受輸出量影響的控制系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋信息的系統(tǒng)控制方式，輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)、參與控制。半閉環(huán)控制與閉環(huán)控制有一定的區(qū)別，半閉環(huán)控制反饋信號(hào)來(lái)自于電機(jī)而不是最終執(zhí)行器，而閉環(huán)控制的反饋信號(hào)則來(lái)自于最終執(zhí)行器。圖25開(kāi)環(huán)/半閉環(huán)/閉環(huán)控制示意圖控制鏈路和反饋鏈路的網(wǎng)絡(luò)性能將直接決定運(yùn)動(dòng)控制的控制精度?？刂凭扰c整個(gè)控制回路的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，例如下圖是一個(gè)典型變頻電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制邏輯組網(wǎng)圖，從傳感器采集反饋信息后到PLC根據(jù)反饋信息下發(fā)控制指令，再到執(zhí)行器執(zhí)行新控制指令的整個(gè)回路響應(yīng)時(shí)間?？刂凭扰c傳感器的采集周期、輸入模塊的采樣周期、總線發(fā)送周期、鏈路傳輸時(shí)間、控制器CPU處理周期、輸出模塊的采樣周期、執(zhí)行器的執(zhí)行周期均有關(guān)。其中鏈路傳輸?shù)臅r(shí)延抖動(dòng)與其他環(huán)節(jié)一樣，也是通過(guò)影響控制回路響應(yīng)時(shí)間進(jìn)而影響控制精度。圖26閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制響應(yīng)時(shí)間示意圖以一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制工藝分析網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制精度的影響，PLC控制執(zhí)行器勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到到位信號(hào)后，PLC下發(fā)制動(dòng)指令，執(zhí)行器的停止位置偏差即為控制精度。整個(gè)回路時(shí)延分解為，傳感器檢測(cè)到到位信號(hào)后，被輸入模塊采集到，再通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)出、經(jīng)過(guò)鏈路傳輸時(shí)間到達(dá)控制器、經(jīng)過(guò)CPU處理時(shí)間完成控制命令生成、再經(jīng)過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)出、經(jīng)過(guò)鏈路傳輸時(shí)間到達(dá)電機(jī)執(zhí)行器、經(jīng)過(guò)執(zhí)行器處理延遲及機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間后，最終在經(jīng)過(guò)S的制動(dòng)距離，執(zhí)行器完成停止，控制原理及參數(shù)如下所示。圖27閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制響應(yīng)時(shí)間構(gòu)成示意圖參數(shù)名參數(shù)描述參數(shù)來(lái)源輸入/輸出T采集傳感信號(hào)采集延遲硬件性能及組態(tài)配置輸入TED工業(yè)以太網(wǎng)延遲組態(tài)配置輸入TTD傳輸鏈路時(shí)延網(wǎng)絡(luò)性能輸入TCPUPLC處理延遲性能性能及組態(tài)配置輸入TEXD執(zhí)行器機(jī)械延遲硬件性能輸入V運(yùn)行速度硬件性能輸入S運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算輸出三、網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)定義KQI5GSKPIKPI（一）RTT最大時(shí)延RTT（Round-TripTime）時(shí)延：往返時(shí)延，通常是指從發(fā)送方發(fā)送報(bào)文開(kāi)始，到發(fā)送方接收到來(lái)自接收方的確認(rèn)消息（假設(shè)接收端收到數(shù)據(jù)后便立即發(fā)送確認(rèn)）所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，通常包括傳輸時(shí)延、處理時(shí)延、排隊(duì)等待時(shí)延等。由E2E5GSRTTUPF、傳輸、UE5GSRTT最大時(shí)延是指在一段統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)所有報(bào)文RTT時(shí)延的最大值，通常采用概率分布的方式來(lái)表征：最大時(shí)延@可靠性，這里的可靠性即為時(shí)延小于等于某上邊界的樣本數(shù)與發(fā)送端發(fā)送的總樣本數(shù)的比例，而這個(gè)上邊界即為對(duì)應(yīng)可靠性要求下的最大RTT時(shí)延。（二）RTT平均時(shí)延RTT平均時(shí)延是指在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，所有收到的時(shí)延樣本的平均值。注：平均時(shí)延的統(tǒng)計(jì)對(duì)象中不包括接收端沒(méi)有收到的丟包報(bào)文，所以平均時(shí)延通常會(huì)與丟包率配套使用。（三）最大RTT時(shí)延抖動(dòng)RTTRTTRTT時(shí)延之間的最大偏離程度。通常采用概率分布的方式來(lái)表征：最大RTT@RTT本數(shù)與發(fā)送端發(fā)送的總樣本數(shù)的比例，而這個(gè)上邊界即為對(duì)應(yīng)可靠性要求下的RTT（四）最大接收包間隔抖動(dòng)IEC62657-1標(biāo)準(zhǔn)中定義的接收包間隔（ReceiveInterval，標(biāo)準(zhǔn)中的名UpdateTime）ProfiNetReceiveInterval=ReceiveTime_y-ReceiveTime_x圖28接收包間隔示意圖其中有效報(bào)文是指接收到的正確的新報(bào)文，即有效報(bào)文的包序號(hào)需要大于之前收到的有效報(bào)文的包序號(hào)，亂序報(bào)文會(huì)被接收端丟棄。如圖28所示，接收包間隔（ReceiveInterval）減去發(fā)送包間隔（TransferInterval，若不考慮發(fā)送端的發(fā)送抖動(dòng)，發(fā)送包間隔就是CT）即OTST（3GPP22.104SurvialTime，實(shí)際ST=WDT-CT）時(shí)，該工業(yè)以太總線將出現(xiàn)看門(mén)狗超時(shí)，產(chǎn)線將出現(xiàn)宕機(jī)。最大接收包間隔抖動(dòng)是指在一段統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)所有報(bào)文的接收包間隔抖動(dòng)的最大值，通常采用概率分布的方式來(lái)表征：最大接收包間隔抖動(dòng)@可靠性，這里的可靠性即為接收包間隔抖動(dòng)小于等于某上邊界的樣本數(shù)與發(fā)送端發(fā)送的總樣本數(shù)的比例，而這個(gè)上邊界即為對(duì)應(yīng)可靠性要求下的最大接收包間隔抖動(dòng)。（五）丟包率丟包率是指時(shí)延樣本中大于超時(shí)門(mén)限的樣本數(shù)（包括接收端未收到的報(bào)文）與總樣本數(shù)的比例。超時(shí)門(mén)限取決于應(yīng)用場(chǎng)景下的最大容忍時(shí)延。（六）時(shí)間同步精度時(shí)間同步精度是指經(jīng)時(shí)間同步后，被授時(shí)終端時(shí)鐘輸出的時(shí)間與授時(shí)時(shí)鐘(例如GPS)輸出的時(shí)間的差異。四、業(yè)務(wù)KQI對(duì)網(wǎng)絡(luò)KPI需求的轉(zhuǎn)譯方法（一）指標(biāo)轉(zhuǎn)譯及映射方法5GtoB制造領(lǐng)域市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，應(yīng)用場(chǎng)景加速成熟并逐步進(jìn)入PLC級(jí)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，工控應(yīng)用對(duì)于網(wǎng)絡(luò)需求愈加嚴(yán)苛，目前存在幾個(gè)痛點(diǎn)問(wèn)題：相同應(yīng)用場(chǎng)景不同出處，5G 相同應(yīng)用場(chǎng)景相同出處，在不同業(yè)務(wù)需求、工程參數(shù)配置、不同協(xié)議參數(shù)下，5G相同應(yīng)用場(chǎng)景不同出處，5G 相同應(yīng)用場(chǎng)景相同出處，在不同業(yè)務(wù)需求、工程參數(shù)配置、不同協(xié)議參數(shù)下，5G5G5G部分項(xiàng)目則直接根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行應(yīng)用部署并作為該類應(yīng)用的需求基線。因此需要構(gòu)建業(yè)務(wù)到網(wǎng)絡(luò)需求轉(zhuǎn)譯及映射方法（29），需求、工程集成商參數(shù)與工業(yè)協(xié)議配置參數(shù)之間的協(xié)同，形成第一層轉(zhuǎn)譯，生KQIKQIKPIKPI的轉(zhuǎn)譯。進(jìn)一步將網(wǎng)絡(luò)的KPI５G５G部署及配置。圖29應(yīng)用KQI與網(wǎng)絡(luò)KPI轉(zhuǎn)譯示意圖在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初即可完成需求映射，提出準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)需求確保項(xiàng)目快速上線；如果網(wǎng)絡(luò)能力無(wú)法達(dá)到業(yè)務(wù)需求，轉(zhuǎn)譯工具也能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)能力提出對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行適配調(diào)整的建議，幫助客戶選擇更準(zhǔn)確了解不同網(wǎng)絡(luò)能力對(duì)業(yè)務(wù)性能的影響，以選擇更經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)方案。（二）工控KQI與5GKPI的映射模型圖30應(yīng)用KQI與網(wǎng)絡(luò)KPI映射示意圖2OEESafetyKPI通信服務(wù)可用性根據(jù)工業(yè)總線協(xié)議的不同對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)有需求，等停響應(yīng)模式工業(yè)總線通常對(duì)網(wǎng)絡(luò)的RTT最大時(shí)延有需求、周期性對(duì)發(fā)模式工業(yè)總線通常對(duì)網(wǎng)絡(luò)的最大接收包間隔抖動(dòng)有需求，間接對(duì)最大RTT時(shí)延抖動(dòng)有需求；生產(chǎn)節(jié)拍對(duì)網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延有需求；RTTRTT功能安全Safety通常對(duì)網(wǎng)絡(luò)的最大RTT時(shí)延有需求；丟包率雖然并不一定直接影響應(yīng)用KQI，但連續(xù)丟包或者丟包率高也是會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)有負(fù)面影響，是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。（三）5G網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的分級(jí)分檔第一章我們對(duì)離散制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工控領(lǐng)域進(jìn)行了部分典型應(yīng)用場(chǎng)景的舉例，KQI5GKPI5G/5G-A進(jìn)，面向行業(yè)提供分級(jí)分檔的網(wǎng)絡(luò)能力，從而更好地統(tǒng)一行業(yè)需求、降低業(yè)務(wù)5GSLAMESSACADA5GIRTSLA擋位（L0-L5）應(yīng)用場(chǎng)景分類詳細(xì)場(chǎng)景子類適配工業(yè)協(xié)議業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)SLA需求分檔（L0-L5）面向規(guī)模商用Level 0(MES-工廠級(jí))5G全連工 MES生產(chǎn)管理1234物流全連接：掃碼槍/扭矩槍交互等測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)采集園區(qū)安防監(jiān)控MQTT/RTSP/OPCUA/http/TCP/ModbusTCP/S7等業(yè)務(wù)參數(shù)配置①模式1：事件觸發(fā)②模式2：周期觸發(fā)≥100ms網(wǎng)絡(luò)SLA需求：①RTT時(shí)延：100ms@99.9%②RTT平均時(shí)延：30msLevel 1(SCADA-車間級(jí))面SCADA遠(yuǎn)控/集控1234物流AGV/無(wú)人叉車交互車間SCADA移動(dòng)HMI（人機(jī)視頻AI檢測(cè)S7/ModbusTCP/UDP/TCP等業(yè)務(wù)組態(tài)配置：CT>=50msWDT>=4*CT網(wǎng)絡(luò)SLA需求：①RTT時(shí)延：50ms@99.99%②RTT平均時(shí)延：30msLevel 2(WiFi/小無(wú)線-設(shè)備級(jí))現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制C2C①柔性產(chǎn)線：工AGV/EMS/RGV ②分揀機(jī)、堆垛機(jī)等物流自動(dòng)化設(shè)備Modbus EtherNet/IP/PROFINETRT/CC-LinkIE等業(yè)務(wù)組態(tài)配置：CT>=16/32msWDT>=4*CT網(wǎng)絡(luò)SLA需求：①RTT時(shí)延：20ms@99.99%②RTT平均時(shí)延：16ms③RTT時(shí)延抖動(dòng)：16ms@99.99%Level(有線60現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制C2IO12無(wú)線閥島/無(wú)線IO等控制PLC集中化/云化Modbus EtherNet/IP/PROFINETRT/CC-LinkIE等業(yè)務(wù)組態(tài)配置：CT>=8msWDT>=4*CT網(wǎng)絡(luò)SLA需求：①RTT時(shí)延：12ms@99.99%②RTT平均時(shí)延：8ms③RTT時(shí)延抖動(dòng)：8ms@99.99%面向未來(lái)演進(jìn)Level 面(有線現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控12柔性產(chǎn)線增強(qiáng)（收編更多種類設(shè)備5G無(wú)線化）初步進(jìn)入部分精度控制場(chǎng)景Modbus TCP/業(yè)務(wù)組態(tài)配置：制C2IOEtherNet/IPCT>=4ms/PROFINETRT/CC-WDT>=4*CTLink IE/POWERLINK/Ether網(wǎng)絡(luò)SLA需求：CAT等①RTT時(shí)延：6ms@99.99%②RTT平均時(shí)延：4ms③RTT時(shí)延抖動(dòng)：4ms@99.99%探索中Level 5(有線IRT-設(shè)備級(jí))運(yùn)動(dòng)控制C2M①高精度運(yùn)動(dòng)控制②全自動(dòng)協(xié)同PROFINETIRT/EtherCAT業(yè)務(wù)組態(tài)配置：CT>=1msWDT>=4*CT~1ms@99.999%②RTT平均時(shí)延：~1ms③時(shí)間同步精度：1us（四）轉(zhuǎn)譯工具工作原理5G5G部分項(xiàng)目則直接根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行應(yīng)用部署并作為該類應(yīng)用的需求基線，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)需求的不匹配。通過(guò)研發(fā)業(yè)務(wù)到網(wǎng)絡(luò)需求轉(zhuǎn)譯工具，并集OT、CT需求確保項(xiàng)目快速上線。OT5G5GCT成到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及部署平臺(tái)，可以根據(jù)需求轉(zhuǎn)譯結(jié)果準(zhǔn)確得到建網(wǎng)需求，并提供標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)分檔網(wǎng)絡(luò)供客戶評(píng)估業(yè)務(wù)影響程度。工具轉(zhuǎn)譯流程圖建議如下：圖31轉(zhuǎn)譯工具流程示意圖以面向OT領(lǐng)域的需求轉(zhuǎn)譯工具介紹典型流程案例，工具使用流程也與集成商進(jìn)行傳統(tǒng)有線項(xiàng)目工業(yè)組態(tài)的流程一致，融入集成商的使用習(xí)慣中，具體流程如下：1集成商規(guī)劃和設(shè)計(jì)一個(gè)工控項(xiàng)目，評(píng)估哪些工藝環(huán)節(jié)和控制子站使用有線傳輸，哪些需要使用無(wú)線傳輸。12集成商開(kāi)始組態(tài)配置，如果全部工藝環(huán)節(jié)、全部控制子站均使用有線傳輸，則組態(tài)完成后即可進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)試。23如果某些工藝環(huán)節(jié)和控制子站需要使用5G傳輸，則在組態(tài)軟件中調(diào)用5G需求轉(zhuǎn)譯工具。34在需求轉(zhuǎn)譯工具中輸入或自動(dòng)獲取業(yè)務(wù)需求及部署參考等，自動(dòng)計(jì)算出5G網(wǎng)絡(luò)需求，并對(duì)應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)化的分級(jí)分檔網(wǎng)絡(luò)。45集成商將計(jì)算出的5G網(wǎng)絡(luò)需求及分檔網(wǎng)絡(luò)提交給業(yè)務(wù)或運(yùn)營(yíng)商，供其55G組態(tài)完成。如果業(yè)務(wù)或運(yùn)營(yíng)商評(píng)估該需求無(wú)法達(dá)成，則給出當(dāng)前可以提供的標(biāo)準(zhǔn)化分檔網(wǎng)絡(luò)能力，或者提供預(yù)期可提供的網(wǎng)絡(luò)能力，集成商選擇該能力，自動(dòng)計(jì)算出業(yè)務(wù)參數(shù)調(diào)整建議以及對(duì)業(yè)務(wù)性能的影響程度。集成商根據(jù)工具建議，評(píng)估對(duì)業(yè)務(wù)的硬性程度，調(diào)整組態(tài)配置。五、應(yīng)用案例（一）通信服務(wù)可用性轉(zhuǎn)譯應(yīng)用案例EMS是汽車制造的總裝車間里最常用的空中有軌運(yùn)輸系統(tǒng)，如下圖所示：圖32EMS圖示EMSPLCPLCEMS管進(jìn)行通信，存在安裝要求高、與外購(gòu)分散控制器捆綁銷售價(jià)格昂貴、安裝和5G能省去定期更換管道等復(fù)雜耗時(shí)費(fèi)錢(qián)的運(yùn)維投入和施工期間因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。某汽車工廠總裝產(chǎn)線吊具場(chǎng)景的5G無(wú)線改造應(yīng)用場(chǎng)景，EMS吊具數(shù)量近100個(gè)，5G組網(wǎng)示意圖如下，EMS吊具是單端無(wú)線接入5G網(wǎng)絡(luò)：圖33無(wú)線接入的EMS示意圖5GEMS性的業(yè)務(wù)需求和產(chǎn)線規(guī)模以及相關(guān)組態(tài)參數(shù)，推算出對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求以及可能的對(duì)組態(tài)參數(shù)中看門(mén)狗參數(shù)的修改述求。EMS80002具數(shù)量近100CT32ms2.2章節(jié)的轉(zhuǎn)譯邏輯，在WDT=3*CT變量名稱變量符號(hào)取值/計(jì)算結(jié)果計(jì)劃運(yùn)行（小時(shí)）T_ScheduledRunTime8000非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間（小時(shí)）T_UnscheduledDownTime2發(fā)包周期（ms）CT8看門(mén)狗超時(shí)門(mén)限中CT的次數(shù)N35G終端個(gè)數(shù)n100產(chǎn)線通信服務(wù)可用性Aline99.975產(chǎn)線中每個(gè)單向空口鏈路可用性Alink0.99999871小時(shí)內(nèi)的工業(yè)報(bào)文數(shù)112500單包可靠性需求P99.9777≈99.99需要說(shuō)明的是，由于上文計(jì)算過(guò)程都假設(shè)了空口報(bào)文獨(dú)立不相關(guān)等前提，而實(shí)際場(chǎng)景中，并不存在完全獨(dú)立不相關(guān)的前提，所以為了確保產(chǎn)線的穩(wěn)定可5GCT345GCT4，16吊具的連續(xù)一周時(shí)間以上的穩(wěn)定運(yùn)行，工業(yè)總線沒(méi)有出現(xiàn)看門(mén)狗超時(shí)，初步滿5G（二）生產(chǎn)節(jié)拍轉(zhuǎn)譯的案例在現(xiàn)代化離散制造行業(yè)，柔性化生產(chǎn)述求越來(lái)越高，例如汽車制造產(chǎn)線中，在多車型交替的柔性生產(chǎn)中，需要經(jīng)常切換隨行夾具（工裝），隨行夾具在運(yùn)輸過(guò)程中是離線狀態(tài)，到達(dá)目標(biāo)工島后與固定側(cè)進(jìn)行插針通信對(duì)接，反復(fù)插拔對(duì)接也可能會(huì)存在插針接口積灰、氧化、接觸不良等故障；工島上也可能存在轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)讓機(jī)器人手臂進(jìn)行待加工件不同部位的加工。在傳統(tǒng)有線通信時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)的水平往返旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)容易造成斷線、接頭松動(dòng)等物理通訊故障；工島中也存在使用地軌工業(yè)機(jī)器人走地軸底座以擴(kuò)展機(jī)器人工作范圍，滑臺(tái)的水平往返運(yùn)動(dòng)容易造成斷線、接頭松動(dòng)等物理通訊故障；另外也存在一個(gè)機(jī)器人在一套工序中需要更換數(shù)次不同工具的情況，傳統(tǒng)產(chǎn)線多數(shù)是以有線+通信中繼或者轉(zhuǎn)接頭+插針的方式進(jìn)行工具的反復(fù)插拔切換，電氣接口插針存在容易積5G后，簡(jiǎn)化有線現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，減少硬件，減少維護(hù)工作量，減少插拔或水平往返旋轉(zhuǎn)/移動(dòng)運(yùn)動(dòng)造成的物理通訊故障（斷線、接頭松動(dòng)等），最終提升生產(chǎn)產(chǎn)能。PLCIOIO5GS；而兩個(gè)機(jī)器人控制柜下分別下掛的工藝設(shè)備和抓手閥島，則屬于雙端無(wú)線接入5GS。圖34某瓶頸工島組態(tài)拓?fù)涫疽鈭D再來(lái)看該工島的整個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍中的流程，從如下工序圖的右上角可以看出110s，圖中存在幾處較短的并行的工序流程，這些過(guò)程中產(chǎn)生的通信鏈路上的交互次數(shù)都將不被計(jì)入有效串行消息交互次數(shù)。我們需要關(guān)注的是下圖紅色長(zhǎng)線箭頭所示意的這一系列串行工序中所包含的有效的PLC與其下掛設(shè)備，以及機(jī)器人控制柜與其下掛的設(shè)備之間的所有有效串行消息交PLC人員共同來(lái)根據(jù)整個(gè)工序程序設(shè)計(jì)情況，對(duì)期間所有有效串行消息交互次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，不同的離散制造行業(yè)，不同的產(chǎn)線，不同的工島，其工序圖都是不盡110sPLC24效串行消息交互次數(shù)是8步。圖35某汽車制造的瓶頸工島工序示意圖本項(xiàng)目中明確了如上各設(shè)備的無(wú)線接入方式，以及單端無(wú)線和雙端無(wú)線接CT2ms，以CT4ms，4ms，就可以根據(jù)上小節(jié)的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算無(wú)線相對(duì)與有線通信部分引入的對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍CT對(duì)影響約224ms，影響占比約0.2。CT_有線ms有 線生 節(jié)拍sCT_無(wú)線msRTT_agvms單端無(wú)線串行交互數(shù)數(shù)無(wú)線化后對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的影響Δ生產(chǎn)節(jié)拍絕對(duì)值msΔ生產(chǎn)節(jié)拍百分比21108102485920.5381818182110442482240.203636364CTRTT的絕對(duì)影響和影響百分比情況。目前跟部分業(yè)主和集成商交流，認(rèn)為對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的絕對(duì)影響控制在1s內(nèi)，或者影響百分比控制在1以內(nèi)，是基本可以接受的。另外無(wú)線化帶來(lái)的產(chǎn)線柔性程度提高、故障時(shí)間的縮短等，本身也會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)效率上的提升。（三）生產(chǎn)安全轉(zhuǎn)譯的案例功能安全是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，汽車制造行業(yè)作為自動(dòng)化程度最高的行業(yè)，大量使用機(jī)器人、夾具、焊機(jī)等設(shè)備，安全風(fēng)險(xiǎn)覆蓋整個(gè)生產(chǎn)流程。當(dāng)前汽車IEC61508ISO26262等，各個(gè)國(guó)家也將汽車行業(yè)的功能安全寫(xiě)入法規(guī)，汽車行業(yè)各大OEM焊裝工藝作為汽車行業(yè)的四大工藝之一，肩負(fù)著車身成型，為整車提供支撐框架的重要使命，焊裝車間也是整車生產(chǎn)工藝中自動(dòng)化程度最高的工藝環(huán)節(jié)，機(jī)5G布局和工藝的靈活性，滿足當(dāng)前汽車快速換型、定制化選配等需求。圖36焊裝產(chǎn)線示意圖SafetyPLC保人員安全，即在闖入人員光柵進(jìn)入安全區(qū)域，在抵達(dá)圍欄前，機(jī)器人必須已經(jīng)完全停止才能確保人員的絕對(duì)安全。圖37機(jī)器人安全示意圖根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，人體運(yùn)動(dòng)速度一般標(biāo)稱值為1.6m/s；假設(shè)原有線時(shí)，CT=2ms，TWDT=3*CT=6ms，0；5GCT=8ms，TWDT=4*CT=32ms，5G13ms，其他各相關(guān)參數(shù)都不變，包括：傳感器例如（光柵TSDLTAD，TMSCPLCTSC5G全距離的影響：如果原有線時(shí)的安全看門(mén)狗設(shè)置裕量較大，則很可能無(wú)線替代有線后，仍能滿足原安全看門(mén)狗設(shè)置，則無(wú)線替代后也不會(huì)影響安全功能響應(yīng)時(shí)間，也就不會(huì)影響安全距離；若原本有線下的安全看門(mén)狗并無(wú)額外裕量，則需要詳細(xì)計(jì)算無(wú)線化后對(duì)安全看門(mén)狗、安全功能響應(yīng)時(shí)間、安全距離的影響，并采取加大安全看門(mén)狗配置以及適當(dāng)放寬安全距離等措施確保安全以后者為例有線及無(wú)線的變化的參數(shù)如下表所示：參數(shù)名參數(shù)描述參數(shù)來(lái)源值TED工業(yè)以太網(wǎng)延遲有線下組態(tài)配置2ms*3倍RTT往返傳輸時(shí)延有線下傳輸鏈路時(shí)延~0ms參數(shù)名參數(shù)描述參數(shù)來(lái)源值TED工業(yè)以太網(wǎng)延遲5G下組態(tài)配置8ms*4倍RTT往返傳輸時(shí)延5G下傳輸鏈路時(shí)延13ms△SFRT_avg安全功能響應(yīng)時(shí)間平均影響計(jì)算0.05s△S_avg安全距離平均影響計(jì)算0.08m△SFRT_max安全功能響應(yīng)時(shí)間最大影響計(jì)算0.13s△S_max安全距離最大影響計(jì)算0.208m即無(wú)線化后需要將原有線場(chǎng)景下安全距離平均增大0.08m，最大增加0.208m，評(píng)估工程參數(shù)部署是否已經(jīng)留有足夠的余量，或者通過(guò)參數(shù)優(yōu)化等方式，控制整個(gè)安全控制回路減少0.13s的耗時(shí)。（四）生產(chǎn)精度轉(zhuǎn)譯的案例5G、人工智能等科技創(chuàng)新，深入推動(dòng)高端化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型。其中，庫(kù)區(qū)無(wú)人化、智5GITOTHMI電纜卷筒在鋼鐵、港口等領(lǐng)域大型移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用廣泛，但是該方案存在如下痛點(diǎn)：1通信不穩(wěn)定：電源和信號(hào)同時(shí)傳輸，對(duì)信號(hào)有干擾；滑環(huán)磨損和積碳也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)定。12限制多：線纜和傳感器一一對(duì)應(yīng)，傳感器無(wú)法靈活增減。23成本高：進(jìn)口為主，單價(jià)幾十萬(wàn)量級(jí),施工周期長(zhǎng)，單臺(tái)部署周期在4人天以上。3圖38傳統(tǒng)電纜卷筒方案示意圖5G和夾鉗的開(kāi)合，精準(zhǔn)調(diào)取鋼卷輸送到指定位置，其中吊具旋轉(zhuǎn)通過(guò)編碼器反饋PLCPLC圖395G吊具精度控制場(chǎng)景示意圖5G1.5°/s；假設(shè)原有線時(shí)，CT=2ms，有線通信時(shí)0；5GCT=8ms5G13ms，其他各相關(guān)參數(shù)都不變，包括：傳感器采集時(shí)間、CPU機(jī)械設(shè)備執(zhí)行時(shí)間等。有線及無(wú)線的變化的參數(shù)如下表所示：參數(shù)名參數(shù)描