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在提及現(xiàn)代工業(yè)的轉(zhuǎn)型標(biāo)志時，管理學(xué)之父彼得·德魯克曾將“朝向自動化就是朝向進(jìn)步”來定義未來工業(yè)的演進(jìn)形態(tài)。這一論斷，在輔以智能化、網(wǎng)絡(luò)化為主要特征的工業(yè)4.0時代到來后，也變得更具說服力。隨著數(shù)字化浪潮蓬勃興起，機械化的工業(yè)制造環(huán)節(jié)正朝著高效、精準(zhǔn)、智能、柔性、協(xié)同的趨勢轉(zhuǎn)變，進(jìn)而催生著工業(yè)系統(tǒng)的蛻變。

作為工業(yè)生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，工業(yè)控制的角色也在工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下占據(jù)愈發(fā)重要的位置。尤其是在擁有高速、低延遲和大容量特性的5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后，融合邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，并與人、機、物、系統(tǒng)等全面連接，成為工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)降本、提質(zhì)、增效、綠色、安全發(fā)展的新助力。受此推動，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合創(chuàng)新，成為了我國5G+應(yīng)用發(fā)展的重要方向。

在此背景下，法國工業(yè)巨頭施耐德電氣成為首批進(jìn)行探索的產(chǎn)業(yè)先行者之一。在9月19日舉行的2023CIIF中國國際工業(yè)博覽會上，施耐德電氣攜手中國聯(lián)通、中國信息通信研究院發(fā)布《5G+PLC深度融合解決方案》白皮書，首度分享了其在國內(nèi)多家工廠進(jìn)行的5G+PLC產(chǎn)線改造實踐方案，為業(yè)界提供了5G+PLC賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的可行思路。

2023中國國際工業(yè)博覽會施耐德電氣展會現(xiàn)場

“現(xiàn)在工業(yè)自動化領(lǐng)域，并沒有很多原生5G的產(chǎn)品，需要工業(yè)廠商在產(chǎn)線額外加入一些連接設(shè)備，來實現(xiàn)與5G的連接，但如果在開始生產(chǎn)時就接入5G+PLC功能，那么將極大減少企業(yè)后期改造、投資的成本。”施耐德電氣高級副總裁、全球供應(yīng)鏈中國區(qū)負(fù)責(zé)人張開鵬向記者表示，5G有著廣泛的應(yīng)用場景，施耐德電氣希望以5G+PLC作為一個范例，讓整個行業(yè)、社會更多地認(rèn)識到5G帶來的革命性，以推動整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的建設(shè)。

而在產(chǎn)業(yè)層面，中國信息通信研究院院長余曉暉則進(jìn)一步指出，PLC作為工業(yè)自動化的核心控制器，與5G技術(shù)的融合，帶來了功能、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變革，可實現(xiàn)更智能、更可靠和更安全的工業(yè)控制，受到了產(chǎn)、學(xué)、研、用各方高度關(guān)注，其實踐正逐步從物流控制等生產(chǎn)外圍輔助環(huán)節(jié)應(yīng)用向生產(chǎn)控制等核心環(huán)節(jié)應(yīng)用深化拓展，這也促成了此次白皮書的發(fā)布。

引入5G，PLC被改變了什么？

在工業(yè)制造現(xiàn)場，由于最靠近底層工業(yè)設(shè)備，以PLC為代表的工控系統(tǒng)軟硬件，通常作為重要的底層控制部件應(yīng)用出現(xiàn)，以實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的具體操作與工藝控制。但據(jù)施耐德電氣工業(yè)自動化中國區(qū)業(yè)務(wù)市場總監(jiān)楊航向記者表示，由于涉及到許多設(shè)備的精準(zhǔn)配合，因此對時延的控制與誤差要求非常高，這也使得長期以來，控制系統(tǒng)與采集單元的連接都常常采用有線的方式，而無線網(wǎng)絡(luò)不在考慮之中。

“目前在工廠網(wǎng)絡(luò)中，5G更為廣泛地應(yīng)用于ERP、MES、SCADA這些層級較高的系統(tǒng)層，但很少進(jìn)入到更加深入的PLC控制領(lǐng)域，包括邏輯控制，過程控制、運動控制。”楊航表示，雖然有線連接為PLC提供了穩(wěn)定時延的通訊，但由于工廠有很多產(chǎn)線及機臺，涉及到很多臺PLC，而每一次產(chǎn)線調(diào)整，尤其是柔性制造產(chǎn)線進(jìn)行，布線和程序調(diào)試的工作量都非常大。

位于上海普陀區(qū)的施耐德電氣5G全連接工廠

這些短板的存在，也讓PLC更為迫切地尋求著5G無線網(wǎng)絡(luò)融合的契機。據(jù)中國聯(lián)通裝備制造軍團(tuán)高級副總裁黃璿向記者介紹，隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷演進(jìn)，尤其是R16關(guān)鍵特性的引入，使得5G可靠的低時延能力能夠支撐PLC控制領(lǐng)域，并讓PLC南向通信（即接入生產(chǎn)現(xiàn)場的終端設(shè)備）的實現(xiàn)成為可能。

“5G+PLC第一個好處就是更加靈活，我們在施耐德電氣工廠的靈活柔性產(chǎn)線，就是依托于無線化實現(xiàn)，否則一次產(chǎn)線布局調(diào)整控制可能就需要3到4小時，現(xiàn)在我們測試下來，15分鐘就可以完成一次產(chǎn)線調(diào)試。”作為此次施耐德電氣5G+PLC產(chǎn)線改造的參與者，黃璿深有感觸。

同時，黃璿表示，5G化改造可以幫助工廠節(jié)省PLC的費用。“因為控制器成本比較高，但是我們現(xiàn)在實現(xiàn)無線化之后，可以把控制器集中起來，也就是說，一個控制器可以帶5到8臺設(shè)備，這樣可以大大節(jié)省工廠投資的成本。”在PLC集中化之后，黃璿指出，施耐德電氣便能把PLC的控制管理功能進(jìn)行軟件化和虛擬化，從而進(jìn)一步節(jié)省成本，提升管理效能。

在中國信息通信研究院副院長王志勤看來，一方面，5G+PLC打破了傳統(tǒng)PLC比較封閉的工業(yè)體系，令其架構(gòu)更加開放；同時，過去的PLC從一個多層級的線程網(wǎng)絡(luò)，變成了目前三層的扁平化架構(gòu)。

這種架構(gòu)，在張開鵬看來，將使未來云、邊、端更加扁平化，現(xiàn)場設(shè)備也更加智能化，從而更好地利用云端和邊緣端的算力，使得產(chǎn)線的開放性更高，成本更低，用戶的選擇也更多，最終讓控制系統(tǒng)能用在成本更低的控制設(shè)備上。

“目前，包括工業(yè)領(lǐng)域自身更新?lián)Q代，工業(yè)柔性化生產(chǎn)需求越來越多。同時工業(yè)企業(yè)有很多小批量業(yè)務(wù)，這讓工業(yè)柔性化生產(chǎn)需求進(jìn)一步增長。”王志勤表示，在此背景下，施耐德電氣在5G+PLC領(lǐng)域的探索突破，為5G能夠進(jìn)入到工業(yè)的核心控制環(huán)節(jié)發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。

性價幾何，產(chǎn)線值得改造嗎？

改造產(chǎn)線，成本通常是工業(yè)企業(yè)首要顧慮的因素。其中，成本不僅涉及更換設(shè)備的投入，也包括解決技術(shù)挑戰(zhàn)的難度。對于5G+PLC的融合，施耐德電氣與中國聯(lián)通也在20多例改造實踐中積累了豐富的經(jīng)驗。

“首重挑戰(zhàn)是CT和OT的性能標(biāo)準(zhǔn)的不一致性。”張開鵬告訴記者，服務(wù)于消費者領(lǐng)域時，通常以平均時延作為5G網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，但工業(yè)領(lǐng)域卻更加關(guān)注時延的穩(wěn)定性，而非一味只追求最低的時延。

同時，據(jù)其介紹，傳統(tǒng)PLC采用有線連接，通信要求上會較為寬松，但在改造后，南向通信實時性要求需要達(dá)到秒級以下甚至毫秒級。為了解決上述兩大該挑戰(zhàn)，需要工業(yè)企業(yè)、通信企業(yè)和基礎(chǔ)電信企業(yè)的大量測試和驗證，共同完善彼此兼容的方式，包括設(shè)計新的電氣、機械安全架構(gòu)，產(chǎn)線設(shè)計工具和配套方案。

“這需要我們網(wǎng)絡(luò)側(cè)去做大量的調(diào)參和匹配。”黃璿介紹到，只有這些調(diào)參和匹配與施耐德電氣PLC的參數(shù)配置在一起，才可以提供端到端的服務(wù)。據(jù)黃璿透露，在測試了30萬字?jǐn)?shù)據(jù)后，改造產(chǎn)線才實現(xiàn)20毫秒以內(nèi)4個9等級穩(wěn)定可靠的控制效果。

而在解決時延問題后，一切才剛剛開始。張開鵬表示，相比于設(shè)備有線直連的極低時延，基于5G無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備接入會帶來生產(chǎn)效率上的損失，如何客觀判斷、權(quán)衡價值和損失是深入融合時需要重點考慮的因素。此外，網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性會給部分機械運動設(shè)備帶來安全隱患，而生產(chǎn)安全是工業(yè)制造的第一要務(wù)，因此，還需要考慮控制系統(tǒng)領(lǐng)域引入5G帶來的安全性風(fēng)險。

為了解決上述挑戰(zhàn)，施耐德電氣在實際產(chǎn)線中進(jìn)行了大量試驗。以施耐德電氣工廠的一條5G+PLC半手工柔性裝配線改造為例，張開鵬介紹稱，該條產(chǎn)線為接觸器柔性組裝線，由原U形產(chǎn)線改造升級而成。改造項目總投資185W元，總設(shè)計時間2個月，總工期4個月。

上述投資回報也是可觀的。張開鵬稱，改造后該柔性生產(chǎn)線第一階段可兼容20余種不同型號、不同產(chǎn)品族的產(chǎn)品組裝生產(chǎn)，單次換型時間小于15分鐘，最終節(jié)省了50%的占地面積，提高了12%的產(chǎn)出，直接經(jīng)濟(jì)效益超過120萬元/每年。

在張開鵬的講述中，從工業(yè)產(chǎn)線初期分析調(diào)研開始，至全面落地進(jìn)行生產(chǎn)為終，施耐德電氣提供了一個全面的5G+PLC深度融合的工業(yè)產(chǎn)線的解決方案。其中，涉及到產(chǎn)線選擇，設(shè)計，制造，驗收全生命周期的管理以及產(chǎn)線配套的質(zhì)量追溯，生產(chǎn)管理系統(tǒng)架構(gòu)方案，為踐行未來工業(yè)領(lǐng)域變革踏出探索性的第一步。

虛擬化之后，PLC的未來在何處？

將單條產(chǎn)線的改造作為重點項目進(jìn)行打造，固然能夠收獲話題效應(yīng)，但對于工業(yè)市場而言，更為關(guān)心的則是項目的可復(fù)制與推廣，而這也正是施耐德電氣與中國聯(lián)通當(dāng)前致力的目標(biāo)。

“在施耐德電氣工廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)落地實現(xiàn)，這只是第一步。”黃璿向記者表示，我們還是想與施耐德電氣聯(lián)合在一起，形成一個成熟的產(chǎn)品或解決方案，推向更多市場和工業(yè)企業(yè)。所以，我們這次聯(lián)合了中國信通院，立足從標(biāo)準(zhǔn)建立的角度，吸納更多做通信和工業(yè)控制領(lǐng)域的專家一起加入我們，然后去形成更廣泛的服務(wù)，提供給市場。

正是受到面向市場的需求推動，促成了此次中國信通院參與到白皮書的編寫。“5G+PLC要推廣使用，真正形成一些標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)，未來還是需要做很多的推廣工作。從降低成本、擴(kuò)展應(yīng)用、增加效能，需要向前進(jìn)一步推進(jìn)。”王志勤表示。

據(jù)王志勤透露，在5G+PLC的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，中國信通院此前已攜手中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會完成了一些相關(guān)工作，包括工業(yè)控制相關(guān)技術(shù)方面的一些要求等。目前，中國信通院正在規(guī)劃一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)國標(biāo)，包括一些涉及PLC的總體技術(shù)要求，都在有序規(guī)劃和推進(jìn)之中。

記者注意到，目前我國正積極發(fā)布5G產(chǎn)業(yè)政策的支持引導(dǎo)，尤其是隨著工信部《5G全連接工廠建設(shè)指南》的發(fā)布，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，這終將推動5G由生產(chǎn)外圍輔助環(huán)節(jié)向核心控制環(huán)節(jié)深化拓展，同時，5G新版本標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的持續(xù)迭代，也會加快IT和OT在工廠控制層面進(jìn)行深度融合。

對于5G+PLC的未來演進(jìn)方向，王志勤展望稱，目前的PLC仍框定于硬件層面，只是進(jìn)行了一個集中化處理。但未來，則會向虛擬化、軟件化發(fā)展，目前這一趨勢已經(jīng)非常明顯。

據(jù)《5G+PLC深度融合解決方案白皮書》預(yù)計，隨著以施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺為代表的軟硬件解耦系統(tǒng)出現(xiàn)，虛擬化PLC能夠大幅提升系統(tǒng)靈活性，結(jié)合面向?qū)ο髴?yīng)用建模技術(shù)、虛擬化、容器化等軟件技術(shù)，5G+基于開放技術(shù)的虛擬化PLC將在端、邊、云融合，實現(xiàn)真正的“以軟件為中心的自動化”。

“總體來看，跟其他5G應(yīng)用類似，目前5G+PLC也在進(jìn)一步拓展其應(yīng)用的行業(yè)，以進(jìn)一步加深應(yīng)用深度，這是未來發(fā)展的一個趨勢。”王志勤表示，在此過程中，以施耐德電氣為代表的龍頭企業(yè)，能夠在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面走得更快一些。同時，作為解決方案供應(yīng)商，能夠為整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更好的牽引作用。

據(jù)記者了解，自2019年起，施耐德電氣在位于無錫和廣州的工廠部署5G網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了大量的性能和安全測試，提出了5GC（5G 核心網(wǎng)）全下沉，分散部署，集團(tuán)統(tǒng)一管理的架構(gòu)和運維模式。同時，施耐德電氣也在2022年開始落地5G多園區(qū)專網(wǎng)方案，遍布全國二十幾家智慧工廠和物流中心，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用快速復(fù)制和管理統(tǒng)一集中。

“在實際場景中，5G的技術(shù)自身的特性已經(jīng)與施耐德電氣在制造領(lǐng)域的深厚積淀融為一體，帶來靈活性、韌性和效率的極大提升。”張開鵬向記者強調(diào)，作為5G工業(yè)應(yīng)用的積極踐行者，施耐德電氣未來希望將自身的成功經(jīng)驗分享給更多工業(yè)企業(yè)，與業(yè)界共同推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程，共享數(shù)字技術(shù)帶來的紅利。