2021-2022年5G与智能工厂研究报告.pdf

2021-2022年 5G与 智 能 工厂 研 究 报 告 目 录一 、 智 能 工 厂 背 景 及 趋 势 41.1 制 造 业 变 革 趋 势41.2 智 能 工 厂 定 义51.3 连 接 是 智 能 工 厂 基 础5二 、 智 能 工 厂 对 连 接 的 需 求 与 挑 战 72.1 工 厂 构 成 要 素72.2 工 厂 中 的 五 大 连 接 需 求 与 挑 战9三 、 5G 智 能 工 厂 解 决 方 案 1 83.1 5G 网 络 优 势 特 点18 3.2 5G 智 能 工 厂 整 体 方 案193.3 五 大 场 景 解 决 方 案233.4 商 业 模 式 及 经 济 效 益28四 、 智 能 工 厂 应 用 案 例 3 14.1 制 造 核 心 环 节 应 用 试 点314.2 工 厂 整 体 改 造 案 例31 图 标 目 录图 表 1 工 厂 六 类 要 素 .7图 表 2 工 厂 五 大 连 接 需 求 .9图 表 3 工 业 自 动 控 制 对 连 接 的 相 对 指 标 要 求 .1 1图 表 4 设 备 检 测 管 理 对 连 接 的 相 对 指 标 要 求 .1 2图 表 5 环 境 监 测 管 理 对 连 接 的 相 对 指 标 要 求 .1 3图 表 6 物 料 供 应 管 理 对 连 接 的 相 对 指 标 要 求 .1 5图 表 7 人 员 操 作 交 互 对 连 接 的 相 对 指 标 要 求 .1 7图 表 8 5 G 智 能 工 厂 解 决 方 案 视 图 .1 9图 表 9 工 业 控 制 切 片 与 相 关 场 景 网 络 指 标 对 比 .2 0图 表 1 0 工 业 多 媒 体 切 片 与 相 关 场 景 网 络 指 标 对 比 .2 1图 表 1 1 工 业 物 联 网 切 片 与 相 关 场 景 网 络 指 标 对 比 .2 2图 表 1 2 工 业 自 动 控 制 场 景 解 决 方 案 .2 4图 表 1 3 物 料 供 应 管 理 场 景 解 决 方 案 .2 5 图 表 1 4 设 备 检 测 管 理 场 景 解 决 方 案 .2 6图 表 1 5 环 境 监 测 管 理 场 景 解 决 方 案 .2 7图 表 1 6 人 员 操 作 交 互 场 景 解 决 方 案 .2 8图 表 1 7 南 京 工 厂 场 景 解 决 方 案 .3 2图 表 1 8 南 京 工 厂 厂 区 布 局 图 及 铁 塔 布 置 .3 2图 表 1 9 南 京 工 厂 解 决 方 案 视 图 .3 3图 表 2 0 南 京 工 厂 场 景 需 求 与 解 决 方 案 .3 4图 表 2 1 南 京 工 厂 效 益 提 升 点 .3 6 一 、 智 能 工 厂 背 景 及 趋 势1.1 制 造 业 变 革 趋 势经 济 发 展 瓶 颈 引 发 “ 再 工 业 化 ” 浪 潮 。 从 上 世 纪 80 年 代 开 始 ， 欧美 等 工 业 发 达 国 家 的 制 造 业 经 历 了 明 显 衰 退 ， 工 业 对 经 济 贡 献 大 幅 下降 。 2008 年 金 融 危 机 之 后 ， 面 对 产 业 空 心 化 所 带 来 的 经 济 衰 退 ， 各 国重 新 审 视 实 体 产 业 尤 其 是 制 造 业 在 创 造 就 业 、 拉 动 增 长 等 方 面 的 重 要作 用 ， 一 度 边 缘 化 的 制 造 业 重 新 获 得 重 视 ， 纷 纷 提 出 “ 再 工 业 化 ” 战略 。 全 球 主 要 大 国 充 分 意 识 到 智 能 制 造 之 重 要 ， 从 国 家 层 面 起 ， 全 力 引 导 支 持 ， 为 抢 占 先 机 ， 纷 纷 出 台 相 应 政 策 积 极 筹 划 布 局 。 纵 观 全 球 ， 根据 生 产 规 模 、 生 产 结 果 、 生 产 效 益 、 持 续 发 展 能 力 的 不 同 ， 可 将 国 家 划分 为 三 大 方 阵 ： 第 一 方 阵 以 美 国 为 代 表 ， 产 业 规 模 大 ， 产 业 结 构 以 高 科技 等 技 术 密 集 型 为 主 ， 质 量 效 益 高 ， 持 续 发 展 能 力 强 ， 是 工 业 基 础 最 为领 先 的 方 阵 ， 主 要 侧 重 于 搭 建 创 新 平 台 及 增 加 研 发 投 入 激 发 产 业 革 命 ；第 二 方 阵 以 德 国 、 日 本 为 代 表 ， 相 较 美 国 略 为 落 后 ， 但 德 国 率 先 提 出 “工 业 4.0” 概 念 ， 其 基 于 信 息 物 理 系 统 的 网 络 化 工 厂 ， 成 为 全 球 智 能 制造 一 大 标 志 ； 第 三 方 阵 以 韩 国 、 法 国 、 英 国 为 代 表 ， 中 国 、 印 度 最 为 发展 最 快 的 发 展 中 国 家 ， 同 样 位 于 第 三 方 阵 。 由 于 各 国 工 业 基 础 的 差 异 ，虽 然 其 基 本 核 心 都 是 以 智 能 制 造 为 目 标 ， 但 实 现 策 略 、 抓 手 、 路 线 图 各 有 不 同 。中 国 政 府 2015 年 5 月 推 出 中 国 制 造 2025 战 略 规 划 ， 以 高 新 技术 和 网 络 为 依 托 ， 站 在 更 高 的 起 点 上 重 构 制 造 业 产 业 链 ， 把 向 服 务 转 型 、 向 智 能 制 造 升 级 作 为 制 造 业 升 级 转 型 的 关 键 方 向 。 在 具 体 落 实 工程 上 ， 国 家 提 出 新 四 基 ： 新 型 基 础 设 施 ， 自 动 控 制 与 感 知 、 工 业 云 、工 业 互 联 网 、 工 业 软 件 面 向 供 给 侧 结 构 性 改 革 和 制 造 业 转 型 升 级 发 展需 求 ， 发 展 信 息 物 理 系 统 和 工 业 互 联 网 ， 推 动 生 产 制 造 与 经 营 管 理 向智 能 化 、 精 细 化 、 网 络 化 转 变 。1.2 智 能 工 厂 定 义智 能 工 厂 作 为 实 现 智 能 制 造 的 重 要 载 体 ， 是 指 以 先 进 的 信 息 网 络技 术 和 先 进 的 制 造 技 术 深 度 融 合 ， 实 现 工 厂 生 产 操 作 、 生 产 管 理 、 管 理 决 策 三 个 层 面 全 部 业 务 流 程 的 闭 环 管 理 ， 继 而 实 现 整 个 工 厂 全 部 业务 流 程 上 下 一 体 化 业 务 运 作 的 决 策 、 执 行 自 动 化 。相 较 传 统 工 厂 ， 智 能 工 厂 中 各 类 传 感 器 、 机 器 人 被 大 量 使 用 ； 基于 大 数 据 、 云 平 台 的 智 能 分 析 工 具 将 帮 助 企 业 实 现 更 为 科 学 的 决 策 ；同 时 ， 生 产 的 本 地 性 概 念 不 断 被 弱 化 ， 由 集 中 生 产 向 网 络 化 异 地 协 同生 产 转 变 ， 信 息 网 络 技 术 使 不 同 环 节 的 企 业 间 实 现 信 息 共 享 ， 实 现 全球 范 围 内 的 资 源 高 效 协 作 和 配 置 。1.3 连 接 是 智 能 工 厂 基 础 先 有 大 连 接 才 有 大 数 据 ， 才 有 智 能 ， 才 有 智 能 生 产 制 造 的 未 来 。网 络 连 接 是 智 能 工 厂 的 基 础 ， 打 造 低 时 延 、 高 可 靠 的 网 络 基 础 设施 是 实 现 全 要 素 各 环 节 的 泛 在 深 度 互 联 的 前 提 。 针 对 制 造 新 四 基 之 一 的 “ 网 ” ， 在 中 国 制 造 2025 中 明 确 指 出 ， “ 加 强 工 业 互 联 网 基 础 设 施建 设 规 划 与 布 局 ， 建 设 低 延 时 、 高 可 靠 、 广 覆 盖 的 工 业 互 联 网 。 ” 。在 工 业 互 联 网 网 络 体 系 中 ， 工 业 企 业 内 网 实 现 工 厂 内 各 生 产 要 素 的 互联 ； 工 业 企 业 外 网 实 现 生 产 企 业 和 智 能 产 品 、 用 户 、 协 作 企 业 等 工 业全 环 节 的 广 泛 互 联 。连 接 是 智 能 工 厂 的 基 础 ， 网 络 是 连 接 的 载 体 。 随 着 网 络 的 演 进 ，5G 即 将 在 2020 年 迎 来 商 用 ， 其 超 低 时 延 、 超 高 可 靠 性 、 海 量 连 接 、 超大 带 宽 等 特 性 ， 将 为 智 能 工 厂 的 实 现 打 下 坚 实 基 础 。 二 、 智 能 工 厂 对 连 接 的 需 求 与 挑 战2.1 工 厂 构 成 要 素在 一 个 典 型 制 造 执 行 车 间 内 ， 主 要 一 般 由 六 类 要 素 构 成 生 产环 境 、 物 料 、 生 产 设 备 、 PLC（ 可 编 程 控 制 器 ） 、 制 造 执 行 控 制 系 统 、人 。图表1工厂六类要素 生 产 环 境 ： 包 括 温 度 、 湿 度 、 灰 尘 、 有 害 气 体 、 循 环 风 速 、光 照 等 生 产 车 间 内 所 必 须 的 环 节 条 件 。 物 料 供 应 ： 用 于 生 产 制 造 的 物 料 ， 以 及 储 存 物 料 的 载 体 货 架 ，运 送 物 料 的 设 备 （ 如 叉 车 、 AGV） 。生 产 设 备 ： 生 产 设 备 分 为 自 动 化 机 械 设 备 及 其 他 设 备 。 自 动化 机 械 设 备 包 括 机 械 臂 、 数 控 机 床 、 流 水 线 等 由 站 点 PLC 控制 的 生 产 设 备 ； 其 他 设 备 包 括 工 具 、 仪 器 、 安 全 配 套 等 不 需要 PLC控 制 的 相 关 生 产 设 备 。PLC： 可 编 程 控 制 器 ， 通 过 指 令 输 入 输 出 控 制 各 种 类 型 的 机械 设 备 或 生 产 过 程 。 PLC 介 于 制 造 执 行 管 控 系 统 中 的 MES（ 制 造 执 行 系 统 ） 与 生 产 设 备 之 间 。 MES 系 统 调 度 控 制 几 个 产 线 PLC； 产 线 PLC是 一 条 生 产 线 的 总 自 动 控 制 模 块 ， 同 时 控制 几 个 站 点 PLC； 一 个 站 点 PLC控 制 一 个 作 业 单 元 的 设 备 ，直 接 与 生 产 设 备 的 阀 门 、 I/O模 块 、 传 送 带 、 机 器 人 对 接 。制 造 执 行 管 控 系 统 ： 一 个 车 间 内 的 顶 层 执 行 管 控 系 统 ， 在 传统 车 间 主 要 由 MES系 统 构 成 ， 用 于 车 间 的 制 造 数 据 管 理 、 计划 排 程 管 理 、 生 产 调 度 管 理 、 库 存 管 理 、 工 具 工 装 管 理 等 。MES 系 统 一 般 会 集 成 SCADA（ 数 据 采 集 与 监 视 控 制 系 统 ） 等传 统 制 造 执 行 层 面 信 息 系 统 。 而 随 着 物 联 网 发 展 ， 一 些 诸 如环 境 检 测 管 理 、 AGV（ 自 动 引 导 车 ） 调 度 控 制 、 生 产 设 备 预 防 性 维 护 等 新 管 控 系 统 补 充 了 MES 系 统 ， 与 MES 系 统 共 同 构成 更 加 智 能 化 的 制 造 执 行 管 控 系 统 。人 ： 即 使 是 自 动 化 生 产 车 间 ， 也 仍 然 离 不 开 人 的 干 预 。 譬 如新 上 设 备 需 要 人 来 安 装 调 试 ， 关 键 操 作 需 要 人 员 参 与 ， 生 产 环 节 出 现 高 级 告 警 需 要 人 工 排 查 处 理 ， 复 杂 生 产 设 备 需 要 人 工巡 检 等 等 。2.2 工 厂 中 的 五 大 连 接 需 求 与 挑 战由 上 述 六 类 要 素 构 成 的 工 厂 中 ， 主 要 有 五 大 典 型 生 产 制 造 场 景 ， 分别 为 实 时 工 业 控 制 、 设 备 检 测 管 理 、 环 节 检 测 管 理 、 物 料 供 应 管 理 、 深度 媒 体 交 互 ， 每 个 场 景 中 都 有 对 连 接 的 需 求 。图表2工厂五大连接需求 具 体 如 下 ：场 景 1： 工 业 自 动 控 制 ， 需 要 自 动 化 机 械 设 备 与 PLC间 的 连 接 通 过闭 环 控 制 ， 自 动 化 机 械 设 备 与 PLC 构 成 基 本 的 生 产 单 位 ， 完成 基 本 自 动 化 生 产 动 作 。 PLC 要 在 一 个 程 序 执 行 周 期 内 接 收 自 动 化 机 械 设 备 反 馈 的 信 息 ， 并 发 出 控 制 指 令 ， 一 般 这 一 周 期 在 ms 级 。 几 个 站 点PLC 与 产 线 PLC之 间 也 需 要 信 息 指 令 往 来 ， 都 在 ms级 。随 着 柔 性 制 造 的 推 进 ， 生 产 制 造 灵 活 性 、 柔 性 成 为 发 展 趋 势 ， 原有 的 固 定 产 线 生 产 模 式 逐 渐 被 解 构 ， 灵 活 的 可 重 新 编 排 的 制 造 单 元 、移 动 化 机 器 人 越 来 越 多 的 进 入 厂 房 内 。 传 统 连 接 机 械 设 备 与 PLC 间 的现 场 工 业 总 线 妨 碍 了 灵 活 编 排 与 移 动 机 器 人 ， 需 要 无 线 化 部 署 方 式 ，以 便 于 移 动 。 另 一 方 面 ， 机 械 设 备 供 应 商 从 卖 产 品 逐 渐 转 向 卖 服 务 ，从 一 次 性 买 卖 ， 到 与 工 厂 客 户 契 动 运 营 ， 卖 出 的 机 械 设 备 需 要 随 时 在线 ， 尤 其 是 控 制 部 分 与 外 界 需 要 更 加 广 泛 的 进 行 数 据 融 通 。 为 了 便 于 更 加 灵 活 的 实 时 控 制 ， 本 地 化 、 封 闭 的 MES 系 统 逐 渐 被 云 化 MES 系 统替 代 ， 随 之 硬 件 PLC 逐 渐 软 件 化 、 云 化 。 云 化 的 PLC 与 机 械 设 备 之 间需 要 超 低 时 延 高 可 靠 的 数 据 传 输 。自 动 化 机 械 设 备 与 PLC 之 间 的 连 接 需 要 超 低 时 延 数 据 传 输 ， 根 据 机械 设 备 的 不 同 、 控 制 周 期 的 不 同 ， 时 延 要 求 一 般 在 10ms-100ms 之 间 。工 控 领 域 同 时 也 是 工 业 中 对 可 靠 性 、 安 全 性 要 求 最 高 的 。时 延 ： 毫 秒 级 超 低 时 延 ， 短 周 期 在 5-20ms， 长 周 期 在 20-50ms； 可靠 性 ： 99.999%； 安 全 性 ： 不 会 受 到 攻 击 ， 保 障 安 全 生 产 ； 可 靠 性 ： 只 允 许 极 少 量 的数 据 丢 包 ， 信 息 不 能 出 错 ； 图表3工业自动控制对连接的相对指标要求 场 景 2： 设 备 检 测 管 理 ， 需 要 生 产 设 备 与 制 造 管 控 系 统 间 的 连 接工 厂 需 要 对 所 有 生 产 设 备 ， 既 包 括 与 制 造 执 行 强 相 关 的 自 动 化 机械 设 备 ， 也 包 括 工 具 、 仪 器 、 辅 助 器 材 等 其 它 设 备 ， 进 行 检 测 管 理 ，以 便 更 好 的 维 护 、 统 计 。 传 统 情 况 下 ， 这 些 工 作 大 量 依 靠 人 力 完 成 ，效 率 低 下 ， 成 本 高 昂 。智 能 化 工 厂 中 ， 通 过 压 力 、 转 速 等 传 感 器 ， 将 包 括 精 度 、 位 置 、数 量 、 转 速 等 数 据 在 内 的 设 备 运 行 状 态 、 使 用 情 况 上 传 至 制 造 管 控 系统 ， 制 造 管 控 系 统 对 设 备 进 行 预 测 性 维 护 分 析 、 告 警 实 时 处 理 ， 生 产设 备 与 制 造 管 控 系 统 产 生 数 据 连 接 。 由 于 工 厂 设 备 数 量 庞 大 ， 很 多 也 在 移 动 状 态 ， 需 要 无 线 连 接 。终 端 连 接 数 ： 一 个 规 模 工 厂 内 生 产 设 备 数 量 在 万 级 以 上 ； 电 池 寿 命 ： 许 多 设 备 ， 如 安 防 、 工 具 都 没 有 外 接 电 源 ， 需 要 通 信模 块 电 池 寿 命 长 ；图表4设备检测管理对连接的相对指标要求 场 景 3： 环 境 检 测 控 制 ， 需 要 生 产 环 境 与 制 造 管 控 系 统 间 的 连 接 生产 车 间 对 于 环 境 有 严 格 的 要 求 ， 温 度 、 湿 度 、 灰 尘 、 有 害 气 体 、循 环 风 速 、 光 照 等 条 件 需 要 控 制 在 一 定 的 范 围 之 内 ， 并 且 可 以 按 照 阈 值设 定 相 应 的 设 备 进 行 动 态 调 整 。智 能 工 厂 中 ， 通 过 温 度 、 湿 度 等 传 感 器 将 环 境 信 息 采 集 起 来 ， 发送 给 制 造 管 控 系 统 ， 根 据 环 境 实 时 变 化 动 态 做 出 调 整 ， 再 下 发 到 相 应的 执 行 设 备 中 。 因 此 需 要 生 产 环 境 与 制 造 管 控 系 统 间 的 连 接 。 目 前 很多 企 业 通 过 传 统 的 环 境 监 控 器 做 到 了 现 场 的 闭 环 控 制 ， 但 是 数 据 还 没 有 上 报 到 云 端 制 造 管 控 系 统 ， 无 法 做 到 历 史 数 据 可 追 溯 以 满 足 质 量 审 核的 标 准 和 要 求 。 而 对 于 还 不 具 备 环 境 监 控 和 控 制 系 统 的 企 业 ， 无 线 的 部署 方 式 更 灵 活 、 更 便 捷 、 成 本 更 低 ， 可 以 快 速 的 满 足 生 产 的 要 求 ， 并 且做 到 数 据 的 云 端 处 理 和 可 追 溯 ， 提 高 了 厂 房 智 能 化 管 控 的 能 力 。终 端 连 接 数 ： 需 大 量 加 装 环 境 传 感 器 ； 电 池 寿 命 ： 环 境 传 感 器 多 为无 外 接 电 源 ， 对 电 池 寿 命 要 求 高 ； 安 全 性 ： 环 境 监 测 情 况 将 直 接 影响 生 产 决 策 ， 对 安 全 要 求 较 高 ；时 延 ： 环 境 实 时 变 化 ， 生 产 决 策 实 时 调 整 ， 当 出 现 突 发 危 险 时 需 及 时 告 警 ， 因 此 对 时 延 有 一 定 要 求 ；图表5环境监测管理对连接的相对指标要求 场 景 4： 物 料 供 应 管 理 ， 需 要 物 料 供 应 与 制 造 管 控 系 统 间 的 连 接 厂 房 内 一 般 会 有 堆 放 物 料 的 货 架 （ 包 括 库 房 货 架 ， 及 产 线 旁 的 物 料缓 冲 区 ） 用 于 堆 放 物 料 ， 传 统 工 厂 通 过 人 工 干 预 补 充 物 料 至 产 线 上 。 智能 工 厂 中 大 量 采 用 AGV 等 机 器 人 运 送 物 料 ， 货 架 也 通 过 加 装 传 感 器 实 现自 动 化 感 知 备 料 状 况 ， AGV 与 货 架 向 位 于 制 造 管 控 系 统 中 的 物 料 管 控 模块 发 送 运 行 状 态 ， 物 料 管 控 系 统 实 时 做 出 物 料 管 控 决 策 ， 做 到 及 时 补 料， 精 准 取 料 放 料 。由 于 物 料 供 应 运 输 设 备 （ 如 AGV） 移 动 性 强 ， 当 前 多 采 用 工 业WIFI 连 接 方 式 。 但 WIFI 可 靠 性 差 ， 经 常 出 现 丢 包 断 网 现 象 ， 导 致 工 作现 场 整 体 停 顿 ； 终 端 接 入 能 力 差 ， 同 时 超 过 100 台 接 入 设 备 后 就 超 出 其 接 入 能 力 ； 移 动 性 差 ， 对 于 大 厂 房 、 跨 厂 房 库 房 间 的 长 距 离 搬 运 ，涉 及 到 网 络 切 换 时 ， 经 常 容 易 出 错 ； 没 有 责 任 保 障 ， WIFI 售 出 后 出 现问 题 造 成 生 产 事 故 ， 没 有 责 任 方 承 担 。 这 些 劣 势 在 工 厂 中 严 重 限 制 了AGV的 应 用 ， 急 需 新 的 移 动 网 络 方 案 。时 延 ： AGV 一 直 在 移 动 运 行 状 态 ， 调 度 周 期 较 短 ， 对 时 延 要 求 较 高 ；安 全 性 ： AGV 直 接 供 物 料 至 产 线 旁 ， 出 现 差 错 将 影 响 生 产 ， 对 安 全性 要 求 较 高 ；可 靠 性 ： 可 接 受 少 量 丢 包 ， 但 大 量 错 误 将 造 成 AGV 瘫 痪 ， 因 此 对 可 靠 性 要 求 较 高 ；货 架 智 能 化 场 景 中 ， 需 要 安 装 多 种 传 感 器 ， 终 端 接 入 数 据 大 。 同 事货 架 多 无 外 接 供 电 ， 因 此 对 传 感 器 、 通 信 模 块 电 池 寿 命 要 求 较 高 ； 图表6物料供应管理对连接的相对指标要求 场 景 5： 人 员 操 作 交 互 ， 需 要 人 与 制 造 执 行 间 的 连 接 即 便 是 在 全自 动 化 的 工 厂 中 ， 仍 然 有 人 工 参 与 的 环 节 ， 主 要 集 中在 设 备 安 装 、 故 障 排 查 、 关 键 环 节 操 作 。 传 统 的 人 为 参 与 环 节 ， 都 通过 书 面 材 料 、 人 眼 观 察 、 经 验 判 断 ， 大 量 依 赖 于 工 作 人 员 个 人 能 力 素质 ， 与 操 作 对 象 的 交 互 程 度 也 较 浅 ， 当 存 在 多 人 作 业 时 ， 沟 通 协 作 也不 够 流 畅 。AR、 平 视 显 示 、 高 清 视 频 等 新 交 互 技 术 进 入 到 工 厂 生 产 中 ， 能 够加 强 人 机 交 互 ， 提 升 人 员 间 协 作 能 力 ， 从 而 显 著 提 升 人 员 参 与 效 率 。这 种 情 况 下 需 要 建 立 操 作 人 员 与 操 作 对 象 （ 如 机 械 设 备 ） ， 以 及 工 厂 智 能 中 枢 制 造 执 行 管 控 系 统 间 的 连 接 ， 才 能 使 得 制 造 作 业 数 据 、 图 像 与 人 形 成 深 度 交 互 。带 宽 ： AR、 高 清 视 频 等 媒 体 交 互 中 ， 传 输 数 据 量 很 大 ， 需 要 高 带 宽， 上 下 行 速 率 需 达 到 50Mbps以 上 ；时 延 ： 为 防 止 卡 顿 ， 对 时 延 要 求 较 高 ；很 多 关 键 性 需 要 人 员 参 与 的 操 作 ， 设 备 作 业 环 境 严 苛 ， 危 险 性 大 ，人 员 不 宜 近 距 离 操 作 。 需 要 通 过 网 络 连 接 ， 实 现 人 员 远 程 操 作 。 人 与 执行 设 备 的 连 接 要 求 超 低 时 延 高 可 靠 高 安 全 性 ， 差 错 容 忍 度 很 低 ， 对 网 络连 接 提 出 很 高 要 求 。 时 延 ： 远 程 操 控 直 接 影 响 生 产 设 备 动 作 ， 对 时 延 非 常 敏 感 ； 安 全 性 ：安 全 级 别 很 高 ；可 靠 性 ： 99.999%；带 宽 ： 多 数 远 程 操 控 会 有 摄 像 头 实 时 传 回 高 清 视 频 ， 对 带 宽 要 求 很高 ； 图表7人员操作交互对连接的相对指标要求 三 、 5G 智 能 工 厂 解 决 方 案3.1 5G 网 络 优 势 特 点随 着 网 络 的 演 进 ， 5G 即 将 在 2020 年 迎 来 商 用 。 相 比 于 4G 以 个 人用 户 为 主 、 企 业 用 户 为 辅 ， 5G 则 兼 顾 个 人 和 企 业 用 户 ， 提 供 满 足 行 业需 求 的 无 线 网 络 ； 在 设 计 目 的 上 ， 4G 以 移 动 宽 带 增 强 为 主 ， 5G 则 面 向网 络 社 会 ， 应 对 快 速 增 长 的 对 速 率 、 连 接 、 时 延 、 可 靠 性 要 求 。 5G 具有 许 多 技 术 创 新 ， 如 采 用 毫 米 波 技 术 、 增 加 带 宽 技 术 、 微 基 站 技 术 、高 阶 MIMO（ 大 规 模 天 线 ） 技 术 、 波 束 赋 形 技 术 。 此 外 ， 5G 还 支 持 网 络切 片 功 能 ， 部 署 上 支 持 边 缘 云 。 通 过 技 术 突 破 ， 使 得 5G 在 工 业 领 域 关注 的 速 率 、 时 延 、 终 端 连 接 数 、 可 靠 性 、 安 全 性 、 电 池 寿 命 六 个 指 标 上 优 势 突 出 ： 超 高 速 率 ： 峰 值 速 率 下 行 20Gbps、 上 行 10Gbps， 用 户 感 觉速 率 可 达 10-100Mbps， 比 4G 速 率 快 100 倍 ， 在 线 看 4K、 VR、AR无 障 碍 ； 超 低 时 延 ： 时 延 1-10ms， 能 够 满 足 大 部 分 工 业 控 制 对 时 延 的需 要 ； 海 量 终 端 连 接 数 ： 每 平 方 公 里 可 接 入 一 百 万 终 端 ， 满 足 容 纳大 规 模 工 厂 中 连 接 数 量 ； 超 强 电 池 寿 命 ： 采 用 NB-IoT 接 入 的 5G 网 络 ， 具 有 超 长 时 间休 眠 功 能 ， 使 得 终 端 电 池 寿 命 可 达 10 年 ， 满 足 无 外 源 供 电工 业 传 感 器 需 求 ； 可 靠 性 ： 99.999%， 可 达 到 大 部 分 工 业 企 业 要 求 ；安 全 性 ： 支 持 网 络 切 片 功 能 ， 切 片 间 独 立 工 作 ， 互 不 干 扰 ，网 络 攻 击 无 法 穿 越 网 络 切 片 ， 形 成 坚 实 阻 隔 ； 网 络 采 用 加 密传 输 ， 设 备 与 网 络 间 为 双 向 加 密 认 证 机 制 ， 防 止 任 何 形 式 的数 据 盗 取 。3.2 5G 智 能 工 厂 整 体 方 案对 于 一 个 典 型 的 厂 区 ， 5G 智 能 工 厂 解 决 方 案 为 五 大 场 景 接 入 +三 张 切 片 +三 朵 云 。 图表85G智能工厂解决方案视图（ 1） 五 大 场 景 接 入 五 大 场 景 中 各 终 端 设 备 、 传 感 器 通 过 5G 模 块 接 入 5G 网 络 。 终 端根 据 场 景 的 不 同 ， 选 择 合 适 的 5G 模 块 。 如 设 备 检 测 管 理 、 环 境 监 测 管理 、 物 料 货 架 监 测 管 理 符 合 物 联 网 场 景 ， 需 要 低 功 耗 终 端 模 块 ， 可 采用 5G的 NB-IOT（ 窄 带 蜂 窝 物 联 网 ） 接 入 。 （ 2） 三 张 切 片5G 采 用 切 片 网 络 方 式 ， 对 于 某 个 工 厂 可 提 供 多 个 网 络 切 片 ， 承 载不 同 类 型 的 业 务 ， 切 片 内 的 业 务 对 网 络 要 求 类 似 ， 切 片 可 根 据 业 务 需求 特 点 进 行 配 置 ， 便 于 工 厂 用 户 按 需 定 制 网 络 。根 据 工 厂 具 体 连 接 需 求 对 网 络 要 求 特 点 ， 可 构 建 三 张 切 片 ：工 业 控 制 切 片 ： uRLLC 低 时 延 高 可 靠 通 信 类 网 络 连 接 需 求 。 适用 于 对 可 靠 性 、 时 延 敏 感 要 求 高 的 业 务 领 域 ， 尤 其 是 在 工业 自 动 化 控 制 、 机 器 人 调 度 、 远 程 操 控 业 务 领 域 ； 图表9工业控制切片与相关场景网络指标对比 工 业 多 媒 体 切 片 ： eMBB增 强 型 移 动 宽 带 网 络 连 接 需 求 。 移 动性 强 、 高 带 宽 ， 适 用 于 大 数 据 量 的 业 务 领 域 ， 如 人 员 通 过 AR、高 清 视 频 交 互 场 景 。图表10工业多媒体切片与相关场景网络指标对比 工 业 物 联 网 切 片 ： mMTC 大 规 模 物 联 网 连 接 需 求 。 低 成 本 、 低 能耗 、 小 数 据 包 、 海 量 连 接 ， 适 用 于 终 端 接 入 数 量 大 的 业 务领 域 ， 如 物 料 监 控 、 设 备 监 控 、 环 节 监 控 ； 图表11工业物联网切片与相关场景网络指标对比 每 个 网 络 切 片 将 根 据 场 景 需 求 通 过 特 定 编 排 独 占 特 定 网 络 资 源 ，切 片 间 独 立 工 作 ， 互 不 干 扰 。（ 3） 三 朵 云5G 网 络 资 源 深 度 云 化 ， 根 据 承 载 内 容 及 部 署 位 置 ， 可 分 为 运 营 商运 营 的 边 缘 云 、 核 心 云 ， 以 及 工 厂 或 其 它 相 关 企 业 的 远 端 云 。 根 据 距离 工 厂 的 远 近 ， 依 次 部 署 边 缘 云 、 核 心 云 、 远 端 云 ， 越 靠 近 工 厂 侧 ，云 上 越 多 部 署 对 实 时 性 、 安 全 性 要 求 高 的 业 务 。 根 据 切 片 网 络 对 网 络性 能 的 要 求 ， 不 同 切 片 将 选 择 适 合 的 云 部 署 相 应 的 应 用 。 由 于 核 心 网能 力 下 沉 ， 在 对 时 延 要 求 高 的 切 片 中 ， 5G 核 心 网 将 部 署 在 近 工 厂 的 云 中 。 边 缘 云 ： 距 离 工 厂 最 近 的 云 ， 主 要 承 载 接 入 网 ， 及 对 时 延 、安 全 性 要 求 最 高 的 工 厂 应 用 。 核 心 云 ： 距 离 工 厂 较 远 ， 主 要 用 于 承 载 核 心 网 络 及 对 时 延 、安 全 性 要 求 不 高 的 应 用 。 远 端 云 ： 相 对 于 运 营 商 运 营 的 云 来 讲 ， 其 它 部 署 云 为 远 端 云 ，包 括 工 厂 自 己 的 云 ， 以 及 与 工 厂 业 务 往 来 的 设 备 商 、 上 游 物料 供 应 商 、 下 游 客 户 、 销 售 平 台 、 其 它 工 业 内 容 供 应 商 的 数据 云 。 由 于 智 能 工 厂 对 数 据 的 打 通 ， 工 厂 外 的 云 、 工 厂 自 己 的 云 ， 以 及 运营 商 的 云 ， 实 现 了 数 据 互 联 互 通 ， 产 生 更 高 的 经 济 价 值 。3.3 五 大 场 景 解 决 方 案针 对 第 二 章 的 五 大 工 厂 场 景 业 务 需 求 ， 设 计 相 应 接 入 方 案 、 切 片 方案 、 部 署 方 案 。（ 1） 工 业 自 动 控 制 场 景 。将 PLC（ 含 站 点 PLC 及 产 线 PLC） 软 件 化 、 虚 拟 化 ， 与 MES、 SCADA、机 器 人 协 作 调 度 等 软 件 部 署 到 云 端 ， 实 现 集 中 化 控 制 。 在 自 动 化 机 械 设 备 相 应 部 件 上 加 装 5G 通 信 模 块 ， 部 件 包 括 I/O 模 块 、 传 送 带 、 阀 门 、机 器 人 等 ， 实 现 无 线 接 入 。 图表12工业自动控制场景解决方案 该 场 景 对 网 络 连 接 的 要 求 ， 复 合 典 型 工 业 控 制 网 络 切 片 性 能 。 为保 障 超 低 时 延 超 高 可 靠 性 ， 将 vRAN（ 虚 拟 接 入 网 ） 、 5G 核 心 网 以 及vPLC（ 虚 拟 可 编 程 控 制 器 ） 、 MES、 SCADA、 机 器 人 控 制 应 用 部 署 在 边缘 云 端 。（ 2） 物 料 供 应 管 理 场 景在 带 有 物 料 感 应 的 智 能 货 架 ， 以 及 AGV 上 ， 加 装 5G 通 信 模 块 ， 无线 接 入 网 络 。 将 AGV 调 度 、 物 料 管 理 等 相 关 应 用 ， 部 署 在 云 端 。 实 现货 架 与 运 输 设 备 间 ， 以 及 同 样 部 署 在 云 端 的 SCADA、 MES， 实 现 数 据 互通 ； 同 时 可 将 上 游 物 料 供 应 商 的 远 端 云 中 的 物 流 管 理 数 据 接 入 进 来 ， 打 通 物 料 供 应 全 流 程 ， 实 现 自 动 化 物 料 供 应 处 理 。 图表13物料供应管理场景解决方案 该 场 景 对 网 络 的 需 求 可 分 为 两 类 智 能 货 架 的 工 业 物 联 网 场 景 、AGV 实 时 调 度 的 工 业 控 制 场 景 ， 通 过 工 业 物 联 网 切 片 及 工 业 控 制 切 片 实现 。 在 工 业 控 制 切 片 中 ， 对 实 时 性 、 安 全 性 要 求 较 高 ， 将 AGV 调 度 应用 部 署 在 距 离 工 厂 较 近 的 边 缘 云 端 ； 在 工 业 物 联 网 切 片 中 ， 将 对 时 延要 求 不 高 的 物 料 管 理 应 用 部 署 在 核 心 云 端 。（ 3） 设 备 检 测 管 理 在 机 械 设 备 、 工 具 、 仪 器 、 安 全 设 备 上 加 装 压 力 、 转 速 等 传 感 器 ，通 过 加 装 5G 物 联 网 通 信 模 块 ， 将 采 集 到 的 运 行 数 据 发 送 到 云 端 。 将 设备 状 态 分 析 等 应 用 部 署 在 云 端 。 同 时 可 将 数 据 输 入 到 设 备 供 应 的 远 端 云， 启 动 预 防 性 维 护 ， 实 时 进 行 专 业 的 设 备 运 维 。图表14设备检测管理场景解决方案 该 场 景 对 网 络 的 需 求 符 合 工 业 物 联 网 网 络 切 片 能 力 ， 终 端 接 入 数 量大 ， 将 设 备 状 态 分 析 、 设 备 管 理 应 用 部 署 在 核 心 云 端 。（ 4） 环 境 监 测 管 理在 光 照 、 温 度 、 风 速 、 温 度 、 粉 尘 等 环 境 监 测 传 感 器 上 加 装 5G 物联 网 通 信 模 块 ， 实 现 环 境 数 据 实 时 采 集 上 次 。 将 环 境 分 析 、 环 境 管 理应 用 部 署 在 云 端 ， 并 与 MES 系 统 打 通 ， 实 现 环 境 与 制 造 执 行 间 联 动 ，对 环 境 的 变 化 及 时 作 出 反 应 。 图表15环境监测管理场景解决方案 该 场 景 对 网 络 需 求 符 合 工 业 物 联 网 切 片 能 力 ， 将 环 境 分 析 、 关 键 管理 应 用 部 署 在 中 央 云 端 。（ 5 ） 人 员 操 作 交 互在 远 程 操 作 场 景 中 ， 将 5 G通 信 某 块 装 在 机 器 设 备 上 ， 将 机 器 人 控制 部 署 在 云 端 ， 机 器 设 备 运 行 数 据 实 时 通 过 5 G网 络 传 输 给 远 程 操 作 人员 ， 操 作 人 员 操 作 指 令 通 过 网 络 实 时 发 送 至 机 器 设 备 ， 实 现 远 程 操 控 。