在提及現(xiàn)代工業(yè)的轉型標志時，管理學之父彼得·德魯克曾將“朝向自動化就是朝向進步”來定義未來工業(yè)的演進形態(tài)。這一論斷，在輔以智能化、網絡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、智能、柔性、協(xié)同的趨勢轉變，進而催生著工業(yè)系統(tǒng)的蛻變。

作為工業(yè)生產的核心環(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網絡出現(xiàn)后，融合邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，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、增效、綠色、安全發(fā)展的新助力。受此推動，5G+工業(yè)互聯(lián)網的融合創(chuàng)新，成為了我國5G+應用發(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行探索的產業(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多家工廠進行的5G+PLC產線改造實踐方案，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)自動化領域，并沒有很多原生5G的產品，需要工業(yè)廠商在產線額外加入一些連接設備，來實現(xiàn)與5G的連接，但如果在開始生產時就接入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、全球供應鏈中國區(qū)負責人張開鵬向記者表示，5G有著廣泛的應用場景，施耐德電氣希望以5G+PLC作為一個范例，讓整個行業(yè)、社會更多地認識到5G帶來的革命性，以推動整個產業(yè)生態(tài)圈的建設。

而在產業(yè)層面，中國信息通信研究院院長余曉暉則進一步指出，PLC作為工業(yè)自動化的核心控制器，與5G技術的融合，帶來了功能、形態(tài)和結構的變革，可實現(xiàn)更智能、更可靠和更安全的工業(yè)控制，受到了產、學、研、用各方高度關注，其實踐正逐步從物流控制等生產外圍輔助環(huán)節(jié)應用向生產控制等核心環(huán)節(jié)應用深化拓展，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用出現(xiàn)，以實現(xiàn)工業(yè)設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)務市場總監(jiān)楊航向記者表示，由于涉及到許多設備的精準配合，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，而無線網絡不在考慮之中。

“目前在工廠網絡中，5G更為廣泛地應用于ERP、MES、SCADA這些層級較高的系統(tǒng)層，但很少進入到更加深入的PLC控制領域，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線及機臺，涉及到很多臺PLC，而每一次產線調整，尤其是柔性制造產線進行，布線和程序調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無線網絡融合的契機。據(jù)中國聯(lián)通裝備制造軍團高級副總裁黃璿向記者介紹，隨著5G網絡技術的不斷演進，尤其是R16關鍵特性的引入，使得5G可靠的低時延能力能夠支撐PLC控制領域，并讓PLC南向通信（即接入生產現(xiàn)場的終端設備）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線，就是依托于無線化實現(xiàn)，否則一次產線布局調整控制可能就需要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線調試。”作為此次施耐德電氣5G+PLC產線改造的參與者，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的控制管理功能進行軟件化和虛擬化，從而進一步節(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，令其架構更加開放；同時，過去的PLC從一個多層級的線程網絡，變成了目前三層的扁平化架構。

這種架構，在張開鵬看來，將使未來云、邊、端更加扁平化，現(xiàn)場設備也更加智能化，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備上。

“目前，包括工業(yè)領域自身更新?lián)Q代，工業(yè)柔性化生產需求越來越多。同時工業(yè)企業(yè)有很多小批量業(yè)務，這讓工業(yè)柔性化生產需求進一步增長。”王志勤表示，在此背景下，施耐德電氣在5G+PLC領域的探索突破，為5G能夠進入到工業(yè)的核心控制環(huán)節(jié)發(fā)揮了非常關鍵的作用。

性價幾何，產線值得改造嗎？

改造產線，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備的投入，也包括解決技術挑戰(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驗。

“首重挑戰(zhàn)是CT和OT的性能標準的不一致性。”張開鵬告訴記者，服務于消費者領域時，通常以平均時延作為5G網絡的性能指標，但工業(yè)領域卻更加關注時延的穩(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，包括設計新的電氣、機械安全架構，產線設計工具和配套方案。

“這需要我們網絡側去做大量的調參和匹配。”黃璿介紹到，只有這些調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。據(jù)黃璿透露，在測試了30萬字數(shù)據(jù)后，改造產線才實現(xiàn)20毫秒以內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，相比于設備有線直連的極低時延，基于5G無線網絡的設備接入會帶來生產效率上的損失，如何客觀判斷、權衡價值和損失是深入融合時需要重點考慮的因素。此外，網絡的不穩(wěn)定性會給部分機械運動設備帶來安全隱患，而生產安全是工業(yè)制造的第一要務，因此，還需要考慮控制系統(tǒng)領域引入5G帶來的安全性風險。

為了解決上述挑戰(zhàn)，施耐德電氣在實際產線中進行了大量試驗。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，該條產線為接觸器柔性組裝線，由原U形產線改造升級而成。改造項目總投資185W元，總設計時間2個月，總工期4個月。

上述投資回報也是可觀的。張開鵬稱，改造后該柔性生產線第一階段可兼容20余種不同型號、不同產品族的產品組裝生產，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%的產出，直接經濟效益超過120萬元/每年。

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

虛擬化之后，PLC的未來在何處？

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

“在施耐德電氣工廠的生產環(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，立足從標準建立的角度，吸納更多做通信和工業(yè)控制領域的專家一起加入我們，然后去形成更廣泛的服務，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，真正形成一些標準和生態(tài)，未來還是需要做很多的推廣工作。從降低成本、擴展應用、增加效能，需要向前進一步推進。”王志勤表示。

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

記者注意到，目前我國正積極發(fā)布5G產業(yè)政策的支持引導，尤其是隨著工信部《5G全連接工廠建設指南》的發(fā)布，業(yè)內認為，這終將推動5G由生產外圍輔助環(huán)節(jié)向核心控制環(huán)節(jié)深化拓展，同時，5G新版本標準和新技術的持續(xù)迭代，也會加快IT和OT在工廠控制層面進行深度融合。

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

據(jù)《5G+PLC深度融合解決方案白皮書》預計，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，結合面向對象應用建模技術、虛擬化、容器化等軟件技術，5G+基于開放技術的虛擬化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應用類似，目前5G+PLC也在進一步拓展其應用的行業(yè)，以進一步加深應用深度，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)網方面走得更快一些。同時，作為解決方案供應商，能夠為整個產業(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網絡，并進行了大量的性能和安全測試，提出了5GC（5G 核心網）全下沉，分散部署，集團統(tǒng)一管理的架構和運維模式。同時，施耐德電氣也在2022年開始落地5G多園區(qū)專網方案，遍布全國二十幾家智慧工廠和物流中心，實現(xiàn)網絡統(tǒng)一標準，應用快速復制和管理統(tǒng)一集中。

“在實際場景中，5G的技術自身的特性已經與施耐德電氣在制造領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，作為5G工業(yè)應用的積極踐行者，施耐德電氣未來希望將自身的成功經驗分享給更多工業(yè)企業(yè)，與業(yè)界共同推動產業(yè)數(shù)字化進程，共享數(shù)字技術帶來的紅利。