5G在邊緣增強型工業控制網絡的應用探索

傅成龍，管立軍，程 遠（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

1 概述

在過去的幾十年中，工業自動化領域歷經了單點離散控制、分布式控制系統、集散控制系統等發展［1］。根據應用場景的不同，上述控制方式均廣泛應用于不同的產業中。單點離散控制器適用于獨立運作的機器，分布式控制系統在石化產業的流程化作業中有著廣泛的應用。隨著下一代工業革命的到來，工業控制系統將向網絡化、智能化方向發展［2］。

工業控制系統的一個智能化發展方向是引入云計算、邊緣計算、物聯網等新興技術，構建全新的工業控制網絡架構——邊緣增強型工業控制網絡［3］。在工業控制系統的網絡化變革中，通信技術起著關鍵性作用。傳統的現場總線網絡已經無法適應工業自動化的發展趨勢［2］。近10 年來，工業有線以太網以其廣泛的適用性和價格優勢得到了大量發展。而伴隨著以5G 和工業Wi-Fi［4］為代表的無線網絡技術的成熟，無線網絡連接已經能夠滿足工業控制網絡的時延和帶寬要求。另外5G MEC（Multi-access Edge Computing）技術能夠與邊緣增強型工業控制網絡融合發展。

2 邊緣增強型工業控制網絡相關技術

邊緣增強型工業控制網絡充分利用了云計算、邊緣計算、物聯網等計算機技術。物聯網將作業現場的生產設備、傳感器、攝像頭等互聯，以便將所有設備接入到一個更智能的系統中。云計算借助強大計算能力，通過分析大量來自現場的數據，為工業生產提供最優的方案。業界還在探索直接在云計算平臺上建立云化PLC 系統，直接控制現場設備自動化運行［5］。然而，云計算服務器通常遠離作業現場，在數據傳輸的物理距離上難以滿足極低時延的要求。因此在作業現場邊緣部署一個邊緣計算服務器是必要的。邊緣計算緊鄰作業現場，對現場設備通過物聯網上傳的數據進行預處理，進而實現智能化作業。

邊緣計算的引入使工業控制網絡進行了重構。根據邊緣計算產業聯盟（Edge Computing Consortium，ECC）發布的邊緣計算參考架構3.0［6］，整個系統分為云、邊緣和現場3 層。邊緣計算位于云層和現場層之間，邊緣層向下支持各種現場設備（執行器、傳感器、攝像頭等）的接入，向上可與云層對接（如圖1 所示）。云層和邊緣層、邊緣層和現場層可利用工業有線以太網或無線網絡通信。無線網絡具有高度靈活的優勢，能滿足現場設備的移動作業。

圖1 邊緣增強型工業控制網絡的網絡架構

3 無線網絡與工業控制網絡

隨著無線局域網和無線廣域網技術的成熟，無線網絡在工業自動化領域越來越多地發揮作用。無線網絡在無需為每個現場設備鋪設網絡線纜的情況下，提供工業以太網互聯功能，使得設備隨時隨地接入物聯網和工業控制網絡。

3.1 傳統無線局域網技術

無線局域網通常采用IEEE802.3和IEEE802.11標準。根據現場設備的類型，Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Z-wave等無線局域網技術在工業場景均有運用。其中，Wi-Fi支持標準的TCP/IP 通信協議，能夠直接接入工業以太網。而其余無線局域網技術通常需要額外的網關設備來達到接入工業以太網的目的。根據無線傳輸功率“隨距離增加而衰減”的原理，Wi-Fi的極限覆蓋范圍一般不超過500 m［7］。一些工業用Wi-Fi 制造商通過增大發射功率的方式來提高覆蓋能力。Wi-Fi 已經在工廠室內環境有所應用，建設通常采用有線網絡線纜和無線AP（Access Point）相結合的方式。此類建設方式仍然以有線網絡為基礎，無線局域網為有效補充。

除了覆蓋范圍有限，無線局域網也存在競爭性和干擾性問題。IEEE802.11 標準在物理層定義了無線局域網使用2.4 GHz 頻段和5 GHz 頻段。2.4 GHz 和5 GHz 作為全世界公開使用的無線頻段，被多種無線技術使用，例如Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Z-wave。在此頻段下的上下行數據傳輸通過CSMA/CA 競爭機制獲取傳輸時間［8］。因此不同無線信號之間的干擾會對信號的收發質量和傳輸時延產生較大的影響。并且無線局域網的節點通常是私有的，無線信號傳輸過程中私有節點沒有交流且進行競爭性傳輸，可能會存在信道資源阻塞的情況。另外，即便是最新的IEEE802.11ax 標準，也沒有對Wi-Fi 的連接能力做出要求［9］。當前的Wi-Fi并不能有效支持海量連接和低功耗連接。

不論是現有成熟的有線網絡還是無線局域網技術，在邊緣增強型工業控制系統中扮演的角色都是用于連接現場設備和邊緣計算節點的網絡通道。它們和邊緣計算節點常常分屬不同設備商，各自獨立規劃、部署、運行和維護。這在邊緣增強型工業控制發展的早期，當接入的現場設備數量不大并且種類不多時，能夠滿足需求。然而，當全連接工廠時代到來時，會有數以萬計的現場設備接入到網絡中，數據的傳輸需求將會巨量增加。而且不同類型設備對于數據傳輸的質量、速率、時延有差異性需求，這對網絡通道在有限資源情況下的調度能力提出了新的要求。

3.2 5G移動通信技術

5G 具有低時延、大帶寬和海量連接等核心能力［10］，能夠較好地適應工業自動化的發展趨勢。5G時延最低能達到1 ms，峰值速率能達到10 Gbit/s，支持百萬級別的設備連接［11］。這些核心能力能夠完全滿足邊緣增強型工業控制系統的發展需要。同時，5G作為一種無線廣域網技術，能實現工業現場室內外無死角覆蓋，現場設備在小區間移動時能進行無縫切換。無線廣域網技術的應用能夠擴展現場設備的移動范圍。設備可以在整個園區、整個城市乃至全國范圍內移動，而不再局限于特定工廠廠房內。通信設備廠商對于5G 在室內分布還提出了超小型蜂窩基站等創新技術，增強5G在室內的覆蓋能力。

另外，Wi-Fi 等無線局域網技術共享相同頻譜，無線節點間進行競爭性傳輸，可能會存在信道資源阻塞的情況。而5G采用國家頒發的專有頻譜，不與其他無線信號發生干擾或競爭，如中國聯通5G 使用3 500～3 600 MHz 的專用頻段，頻段號為n78。5G 接入網和核心網能夠進行中心化資源調度、優化數據傳輸質量，有效地避免了信道資源阻塞的情況，提高了無線通信的可靠性。

5G 網絡切片技術能夠針對不同場景提供差異化網絡保障能力。這也是5G 實現大帶寬、低時延和海量連接等特性的一項關鍵技術。網絡切片技術能夠對5G核心網、接入網和承載網進行協同資源調度。例如，工業控制子切片中的低時延要求遠高于其他特性，而實時視頻監控子切片中的大帶寬需求較高。5G網絡切片技術分別為工業控制子切片和實時視頻監控子切片提供了差異化的網絡保障，對有限的網絡資源進行了合理有效的分配。

5G還引入了MEC，在通信網絡邊緣對數據進行預處理，避免無效數據對網絡資源的占用。隨著計算機網絡的發展，MEC 節點逐漸具備“轉發+計算”功能。首先，MEC 帶來了5G 用戶層面功能（UPF）的下沉，能夠對用戶數據進行高速分發，縮短響應時間，滿足時間敏感數據的傳輸。其次，引入邊緣計算節點的5G網絡與邊緣性增強型工業控制的網絡架構能夠互相打通。5G MEC 能夠承載工業控制中的邊緣層的計算應用服務，從而實現邊緣層業務和連接網絡的協同融合。

隨著5G 在商業和工業領域的深入應用，5G 移動通信運營商開始為企業和工廠建設5G 專網。5G專網具備讓企業自主定制網絡的自由度，可以根據使用場所、工作類型提供不同的配置，在隱私和安全方面都有明顯的優勢。

4 5G在邊緣增強型工業控制網絡中的應用

5G 具備大帶寬、低時延、海量連接三大特性以及相比于有線網絡和其他無線網絡的優勢，未來5G將會在工業控制網絡中廣泛地應用。5G 將能夠用于連接現場層和邊緣層、邊緣層和云層。5G網絡與業務協同融合將成為最終形態，使5G 從“連接交換網”走向“內容交換網”。

4.1 連接現場層和邊緣層

隨著邊緣增強型工業控制網絡發展，在一個工廠中的現場設備的數量和種類將會大量增加。據預測，一個大型工廠中可能會有數以千計甚至數以萬計的執行器、傳感器、攝像頭等現場設備接入網絡。例如在一個裝備制造的工廠中，安裝在作業生產的天車、機床等設備上的用于設備定位和狀態檢測的傳感器和用于視頻監控的攝像頭，都可以利用5G與邊緣服務器進行通信。業界正在積極研發具備5G 接入能力的新一代現場設備。他們通過集成5G 模組或者加裝額外網關的方式使現場設備接入5G網絡。

5G 移動通信運營商根據實際需求部署5G 基站，為工廠建設5G 專網。邊緣層的邊緣計算服務器直接接入5G 專網。5G 專網可以依據現場設備的實際網絡需求，提供端到端網絡切片，差異化保障網絡平穩運行。傳感器對于網絡的需求通常為低功耗、低帶寬和單向傳輸。執行器的工業控制信號對網絡的時延較為敏感。高清視頻監控攝像頭通常需要大帶寬來滿足其業務部署。5G 專網為這些現場設備提供的差異化端到端網絡切片，可以有效地進行網絡資源配置，分別滿足不同類型現場設備對網絡的需求。

4.2 連接邊緣層和云層

一般情況下，云層的云計算服務器遠離業務現場，利用AI、大數據等技術為業務現場服務。邊緣層的邊緣計算服務器和云層的云計算服務器同時接入5G 核心網，建立MPLS VPN 隧道，在IP 化網絡中實現點對點連接。隨著邊緣增強型工業控制網絡擴展到各個工業領域，一個大型工廠中的邊緣計算服務器可能會有數十個之多，服務于不同類型的工業系統。一些不便于部署有線網絡線纜的邊緣計算服務器也可以通過集成5G 模組或者加裝額外網關的方式接入5G網絡。

出于數據安全的考慮，越來越多的大型工廠將云計算服務器架設于企業內部，并利用5G 專網通信。企業內部的云計算服務器和各類邊緣層的邊緣計算服務器同時接入5G 專網進行通信。這類網絡架構有高數據隱私性和高安全性的優勢。

4.3 5G網絡與邊緣層業務協同融合

隨著5G MEC 向“轉發+計算”方向發展，5G MEC具備直接承載軟件應用服務的能力和計算能力。當應用服務部署到5G MEC 后，來自現場層的數據將直接在MEC被分析、處理。MEC中的應用服務也具備向現場層設備反饋信號、數據的能力。5G 移動通信運營商發現了5G MEC 所具備的計算能力與邊緣層服務器的計算能力能進行有效結合，正在探索將邊緣增強型工業控制網絡中的邊緣層應用服務直接部署于5G MEC 中，以有效地促進網絡與業務的協同融合。因此，5G 網絡不再是獨立的“連接交換網”，僅用于連接各業務層。5G 網絡打破了網絡和業務的邊界，嵌入到邊緣增強型工業控制網絡中，促進業務的高效處理。5G MEC 的轉發能力和計算能力深度結合，發揮識別、判斷的作用。基于內容對網絡資源進行合理配置，實現高效轉發、處理，形成以內容為基石的“內容交換網”。

協同融合后的網絡架構如圖2 所示。與圖1 所描述的邊緣增強型工業控制網絡架構不同的是，5G 接入網、5G 核心網和5G MEC 深入融合到該網絡架構中。5G 為工業控制網絡提供連接現場層和邊緣層、連接邊緣層和云層的通信能力的同時，也承載了邊緣層的邊緣計算需求。在5G專網中，5G MEC下沉到企業層面，所有應用服務的處理均在企業范圍內進行，企業無需擔心安全性和保密性問題。5G 網絡與邊緣層業務的協同融合需要5G 移動通信運營商和邊緣增強型工業控制系統提供商共同研發，探索如何實現5G MEC 對內容深度感知，在業務分流和處理上發揮更大價值。

圖2 5G與邊緣增強型工業控制網絡協同融合的網絡架構

5 結束語

邊緣增強型工業控制網絡的提出是計算機信息技術在工業中大量應用的結果。同時，以5G 為代表的無線網絡技術能夠在邊緣增強型工業控制網絡中發揮更大的作用。5G 作為擁有授權頻譜的無線廣域網，相比于其他網絡技術更有優勢，能夠更好地進行中心化資源配置，實現工業的高可靠性連接和全場景業務融合。在邊緣增強型工業控制網絡中，5G 能夠用于連接現場層和邊緣層、連接邊緣層和云層，并通過網絡切片技術為連接提供端到端差異化通信保障。另外，5G MEC 下沉到用戶本地，正在向“轉發+計算”方向發展。5G MEC 與邊緣計算層的協同融合，將在工業控制實時智能處理等關鍵業務場景中發揮更大的作用。