从封闭走向开放 5G+PLC开启工业互联网之变

在提及现代工业的转型标志时，管理学之父彼得·德鲁克曾将“朝向自动化就是朝向进步”来定义未来工业的演进形态。这一论断，在辅以智能化、网络化为主要特征的工业4.0时代到来后，也变得更具说服力。随着数字化浪潮蓬勃兴起，机械化的工业制造环节正朝着高效、精准、智能、柔性、协同的趋势转变，进而催生着工业系统的蜕变。

作为工业生产的核心环节，工业控制的角色也在工业数字化转型的背景下占据愈发重要的位置。尤其是在拥有高速、低延迟和大容量特性的5G网络出现后，融合边缘计算、大数据、人工智能等技术，并与人、机、物、系统等全面连接，成为工业企业实现降本、提质、增效、绿色、安全发展的新助力。受此推动，5G+工业互联网的融合创新，成为了我国5G+应用发展的重要方向。

在此背景下，法国工业巨头施耐德电气成为首批进行探索的产业先行者之一。在9月19日举行的2023CIIF中国国际工业博览会上，施耐德电气携手中国联通、中国信息通信研究院发布《5G+PLC深度融合解决方案》白皮书，首度分享了其在国内多家工厂进行的5G+PLC产线改造实践方案，为业界提供了5G+PLC赋能行业数字化转型的可行思路。

2023中国国际工业博览会施耐德电气展会现场

“现在工业自动化领域，并没有很多原生5G的产品，需要工业厂商在产线额外加入一些连接设备，来实现与5G的连接，但如果在开始生产时就接入5G+PLC功能，那么将极大减少企业后期改造、投资的成本。”施耐德电气高级副总裁、全球供应链中国区负责人张开鹏向记者表示，5G有着广泛的应用场景，施耐德电气希望以5G+PLC作为一个范例，让整个行业、社会更多地认识到5G带来的革命性，以推动整个产业生态圈的建设。

而在产业层面，中国信息通信研究院院长余晓晖则进一步指出，PLC作为工业自动化的核心控制器，与5G技术的融合，带来了功能、形态和结构的变革，可实现更智能、更可靠和更安全的工业控制，受到了产、学、研、用各方高度关注，其实践正逐步从物流控制等生产外围辅助环节应用向生产控制等核心环节应用深化拓展，这也促成了此次白皮书的发布。

引入5G，PLC被改变了什么？

在工业制造现场，由于最靠近底层工业设备，以PLC为代表的工控系统软硬件，通常作为重要的底层控制部件应用出现，以实现工业设备的具体操作与工艺控制。但据施耐德电气工业自动化中国区业务市场总监杨航向记者表示，由于涉及到许多设备的精准配合，因此对时延的控制与误差要求非常高，这也使得长期以来，控制系统与采集单元的连接都常常采用有线的方式，而无线网络不在考虑之中。

“目前在工厂网络中，5G更为广泛地应用于ERP、MES、SCADA这些层级较高的系统层，但很少进入到更加深入的PLC控制领域，包括逻辑控制，过程控制、运动控制。”杨航表示，虽然有线连接为PLC提供了稳定时延的通讯，但由于工厂有很多产线及机台，涉及到很多台PLC，而每一次产线调整，尤其是柔性制造产线进行，布线和程序调试的工作量都非常大。

位于上海普陀区的施耐德电气5G全连接工厂

这些短板的存在，也让PLC更为迫切地寻求着5G无线网络融合的契机。据中国联通装备制造军团高级副总裁黄璿向记者介绍，随着5G网络技术的不断演进，尤其是R16关键特性的引入，使得5G可靠的低时延能力能够支撑PLC控制领域，并让PLC南向通信（即接入生产现场的终端设备）的实现成为可能。

“5G+PLC第一个好处就是更加灵活，我们在施耐德电气工厂的灵活柔性产线，就是依托于无线化实现，否则一次产线布局调整控制可能就需要3到4小时，现在我们测试下来，15分钟就可以完成一次产线调试。”作为此次施耐德电气5G+PLC产线改造的参与者，黄璿深有感触。

同时，黄璿表示，5G化改造可以帮助工厂节省PLC的费用。“因为控制器成本比较高，但是我们现在实现无线化之后，可以把控制器集中起来，也就是说，一个控制器可以带5到8台设备，这样可以大大节省工厂投资的成本。”在PLC集中化之后，黄璿指出，施耐德电气便能把PLC的控制管理功能进行软件化和虚拟化，从而进一步节省成本，提升管理效能。

在中国信息通信研究院副院长王志勤看来，一方面，5G+PLC打破了传统PLC比较封闭的工业体系，令其架构更加开放；同时，过去的PLC从一个多层级的线程网络，变成了目前三层的扁平化架构。

这种架构，在张开鹏看来，将使未来云、边、端更加扁平化，现场设备也更加智能化，从而更好地利用云端和边缘端的算力，使得产线的开放性更高，成本更低，用户的选择也更多，最终让控制系统能用在成本更低的控制设备上。

“目前，包括工业领域自身更新换代，工业柔性化生产需求越来越多。同时工业企业有很多小批量业务，这让工业柔性化生产需求进一步增长。”王志勤表示，在此背景下，施耐德电气在5G+PLC领域的探索突破，为5G能够进入到工业的核心控制环节发挥了非常关键的作用。

性价几何，产线值得改造吗？

改造产线，成本通常是工业企业首要顾虑的因素。其中，成本不仅涉及更换设备的投入，也包括解决技术挑战的难度。对于5G+PLC的融合，施耐德电气与中国联通也在20多例改造实践中积累了丰富的经验。

“首重挑战是CT和OT的性能标准的不一致性。”张开鹏告诉记者，服务于消费者领域时，通常以平均时延作为5G网络的性能指标，但工业领域却更加关注时延的稳定性，而非一味只追求最低的时延。

同时，据其介绍，传统PLC采用有线连接，通信要求上会较为宽松，但在改造后，南向通信实时性要求需要达到秒级以下甚至毫秒级。为了解决上述两大该挑战，需要工业企业、通信企业和基础电信企业的大量测试和验证，共同完善彼此兼容的方式，包括设计新的电气、机械安全架构，产线设计工具和配套方案。

“这需要我们网络侧去做大量的调参和匹配。”黄璿介绍到，只有这些调参和匹配与施耐德电气PLC的参数配置在一起，才可以提供端到端的服务。据黄璿透露，在测试了30万字数据后，改造产线才实现20毫秒以内4个9等级稳定可靠的控制效果。

而在解决时延问题后，一切才刚刚开始。张开鹏表示，相比于设备有线直连的极低时延，基于5G无线网络的设备接入会带来生产效率上的损失，如何客观判断、权衡价值和损失是深入融合时需要重点考虑的因素。此外，网络的不稳定性会给部分机械运动设备带来安全隐患，而生产安全是工业制造的第一要务，因此，还需要考虑控制系统领域引入5G带来的安全性风险。

为了解决上述挑战，施耐德电气在实际产线中进行了大量试验。以施耐德电气工厂的一条5G+PLC半手工柔性装配线改造为例，张开鹏介绍称，该条产线为接触器柔性组装线，由原U形产线改造升级而成。改造项目总投资185W元，总设计时间2个月，总工期4个月。

上述投资回报也是可观的。张开鹏称，改造后该柔性生产线第一阶段可兼容20余种不同型号、不同产品族的产品组装生产，单次换型时间小于15分钟，最终节省了50%的占地面积，提高了12%的产出，直接经济效益超过120万元/每年。

在张开鹏的讲述中，从工业产线初期分析调研开始，至全面落地进行生产为终，施耐德电气提供了一个全面的5G+PLC深度融合的工业产线的解决方案。其中，涉及到产线选择，设计，制造，验收全生命周期的管理以及产线配套的质量追溯，生产管理系统架构方案，为践行未来工业领域变革踏出探索性的第一步。

虚拟化之后，PLC的未来在何处？

将单条产线的改造作为重点项目进行打造，固然能够收获话题效应，但对于工业市场而言，更为关心的则是项目的可复制与推广，而这也正是施耐德电气与中国联通当前致力的目标。

“在施耐德电气工厂的生产环节落地实现，这只是第一步。”黄璿向记者表示，我们还是想与施耐德电气联合在一起，形成一个成熟的产品或解决方案，推向更多市场和工业企业。所以，我们这次联合了中国信通院，立足从标准建立的角度，吸纳更多做通信和工业控制领域的专家一起加入我们，然后去形成更广泛的服务，提供给市场。

正是受到面向市场的需求推动，促成了此次中国信通院参与到白皮书的编写。“5G+PLC要推广使用，真正形成一些标准和生态，未来还是需要做很多的推广工作。从降低成本、扩展应用、增加效能，需要向前进一步推进。”王志勤表示。

据王志勤透露，在5G+PLC的标准制定工作，中国信通院此前已携手中国通信标准化协会完成了一些相关工作，包括工业控制相关技术方面的一些要求等。目前，中国信通院正在规划一个工业互联网的技术国标，包括一些涉及PLC的总体技术要求，都在有序规划和推进之中。

记者注意到，目前我国正积极发布5G产业政策的支持引导，尤其是随着工信部《5G全连接工厂建设指南》的发布，业内认为，这终将推动5G由生产外围辅助环节向核心控制环节深化拓展，同时，5G新版本标准和新技术的持续迭代，也会加快IT和OT在工厂控制层面进行深度融合。

对于5G+PLC的未来演进方向，王志勤展望称，目前的PLC仍框定于硬件层面，只是进行了一个集中化处理。但未来，则会向虚拟化、软件化发展，目前这一趋势已经非常明显。

据《5G+PLC深度融合解决方案白皮书》预计，随着以施耐德电气EcoStruxure开放自动化平台为代表的软硬件解耦系统出现，虚拟化PLC能够大幅提升系统灵活性，结合面向对象应用建模技术、虚拟化、容器化等软件技术，5G+基于开放技术的虚拟化PLC将在端、边、云融合，实现真正的“以软件为中心的自动化”。

“总体来看，跟其他5G应用类似，目前5G+PLC也在进一步拓展其应用的行业，以进一步加深应用深度，这是未来发展的一个趋势。”王志勤表示，在此过程中，以施耐德电气为代表的龙头企业，能够在5G+工业互联网方面走得更快一些。同时，作为解决方案供应商，能够为整个产业的发展提供更好的牵引作用。

据记者了解，自2019年起，施耐德电气在位于无锡和广州的工厂部署5G网络，并进行了大量的性能和安全测试，提出了5GC（5G 核心网）全下沉，分散部署，集团统一管理的架构和运维模式。同时，施耐德电气也在2022年开始落地5G多园区专网方案，遍布全国二十几家智慧工厂和物流中心，实现网络统一标准，应用快速复制和管理统一集中。

“在实际场景中，5G的技术自身的特性已经与施耐德电气在制造领域的深厚积淀融为一体，带来灵活性、韧性和效率的极大提升。”张开鹏向记者强调，作为5G工业应用的积极践行者，施耐德电气未来希望将自身的成功经验分享给更多工业企业，与业界共同推动产业数字化进程，共享数字技术带来的红利。