（CWW）編者按：為加速行業提質、降本、增效，2022年9月，工信部印發了《5G全連接工廠建設指南》，面向原材料、裝備、消費品、電子等制造業各行業以及采礦、港口、電力等重點行業領域，推動萬家企業開展5G全連接工廠建設，推動5G融合應用縱深發展。值此《5G全連接工廠建設指南》發布一周年之際，作為ICT行業權威媒體，通信世界全媒體特別策劃“5G工廠的量變與質變”專題，深度剖析一年來我國5G全連接工廠的發展情況，以及規模復制遇到的挑戰，以推動5G產業高質量發展。

目前，我國工業處于數字化轉型階段，工業互聯網是工業數字化轉型的基礎設施、技術載體、實現路徑和應用模式。網絡是工業互聯網的基礎，工業互聯網的發展對網絡基礎設施提出了新的要求。工業網絡通常是指工業現場的網絡，作為將工廠生產現場的各種要素連接在一起并提供可靠、實時通信的設施，工業網絡需要集確定性、可靠性、靈活性于一體。工業網絡總體上歷經模擬通信、工業總線（也稱現場總線）、工業以太網三個大的發展階段。目前，工業網絡制式多樣，工業總線、工業以太網、工業Wi-Fi、4G、5G（含工業5G）均有應用。隨著通信技術特別是5G技術的快速發展，工業網絡通過廣泛應用5G技術實現轉型升級成為業界關注的焦點，5G將給工業網絡帶來巨大的變革和機遇。

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工業網絡發展歷程

工業網絡是工廠中各類要素互聯互通的基礎設施，是工業自動化的“神經系統”，工業網絡最重要的功能是實現傳感器、控制器、執行器之間的通信，具有嚴格的性能指標要求。自20世紀80年代至今，伴隨著制造業自動化、信息化、智能化需求的不斷升級演進，工廠內網絡連接技術取得長足進步，目前工業通信正處于從工業總線到工業以太網的演進過程中，未來還將向TSN（時間敏感網絡）、5G與TSN融合等方向不斷演進。

20世紀80年代，工業現場主要通過線纜實現現場設備間的通信。隨著生產現場傳感器、執行器等設備越來越復雜，現場總線技術開始發揮作用，出現了工業總線與現場設備通信控制器。工業總線是在模塊之間或者設備之間傳送信息、相互通信的一組公用信號線的集合，是系統在主控設備的控制下，將信息準確地傳送給某個接收設備的信號載體或公共通路。總線本質上不是連接類型而是一組協議，工業總線有很多種協議，如ABB的ControlNet、施耐德的Modbus、西門子的Profibus、貝加萊的EtherCAT等。在國際層面，經過市場充分驗證的20種工業總線協議已固化為IEC 61158系列標準。工業總線用于現場設備連接，簡單可靠，在網絡中允許環形、樹形、星形和菊花鏈等各種拓撲結構，節省布線，信號可靠（沒有電纜電阻和壓降的影響）。但是傳統工業總線成本高，不同的協議之間無法統一標準，相互兼容性差。

20世紀90年代，以太網開始大規模應用。傳統以太網應用廣泛、成本低廉，但難以滿足工業環境的實時性要求。在這種情況下，工業以太網技術應運而生，其在標準以太網協議基礎上進行改進，從高速率（100M~1Gbps)、分組交換和同步機制三方面進行增強，以確保實時性和可靠性。工業以太網技術自2000年開始被業界逐漸采用，目前市場占有率已遠超工業總線，成為工廠內網通信的主要手段。工業以太網協議也有多套標準，如PROFINET、ModbusTCP/IP、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、CC-Link等，存在市場“割據”、互不兼容等問題。

TSN技術是2012年國際標準組織IEEE 802.1工作組開始研制的面向工業特殊應用場景的新一代以太網標準，通過使用標準以太網的組件，改進數據鏈路層協議，基于QoS等級確定傳輸優先權，可在通用架構上實現跨越車間級、工廠級、企業級等多層級的直接通信，實現真正OT與IT的融合。目前，現有的主流工業以太網標準（PROFINET、EtherCAT、SERCOS III等）均在研究與TSN技術的兼容、互通和演進問題。

當下，企業所用的工業網絡中，工業現場總線、工業以太網等多種技術通常會同時部署使用。

5G技術以其高可靠、低時延的優越特性，為無線通信在工業控制網絡中的深入應用帶來技術可行性。5G與TSN協同可進一步擴大無線工業網絡的應用規模，擴展TSN的應用場景，提供高可靠的移動性、靈活性、可重配置能力，有效降低運維成本，是智能工廠內網中極富潛力的技術組合。

5G技術特點及工業網絡應用

5G具有高傳輸速率、低時延和大連接密度的技術特點。首先，5G技術能夠實現更高的數據傳輸速率，這意味著工業網絡可以實時傳輸大量的數據，從而提高數據的采集、處理和分析效率。其次，5G網絡時延更低，可以快速響應工業設備的指令和控制信號，提高工業生產的實時性和靈活性。最后，5G技術支持更大的連接密度，可以同時連接多種設備，實現工業網絡的高密度布局和更強大的設備協作能力。

5G網絡技術基于3GPP標準版本規范，于2018年凍結的R15版本支持端到端低于30ms的時延和99.99%的可靠性，能夠滿足多種工業應用的數字化場景。2020年凍結的R16版本側重于URLLC場景，對無線接入與核心網功能進行增強，面向工業互聯網應用支持1微秒同步精度、0.5~1毫秒空口時延，網絡可靠性提升至99.999%，并增強工業級時間敏感網絡服務能力等。R17版本于2022年6月凍結，支持大連接、低功耗海量機器類通信，并推動輕量版5G NR（NewRadio，新無線/新空口）的發展，支持NR定位增強。R18版本命名為5G-Advanced，將面向垂直行業增強需求，技術發展方向包括智慧、融合與使能等方面的特征。

5G技術的高速率、低時延和高可靠性，使其可以作為工業通信載體，實現高效的遠程設備控制和數據傳輸。5G技術為工業網絡提供了更多的應用場景和技術手段，5G技術的高密度連接能力，可以實現大規模設備的互聯互通，通過工業物聯網和邊緣計算技術的支持，5G工業網絡可以實現智能感知、自動控制和數據共享，從而推動工業自動化水平的提升。

5G推動工業網絡轉型升級

5G對工業網絡的轉型升級具有重要意義。它提供了更高的數據傳輸速率、更低的時延和更大的連接密度，為工業網絡安全、效率和自動化水平的提升拓展了巨大的空間。5G技術極大豐富了工業網絡的功能和場景，推動工業網絡轉型升級。在5G的推動下，工業網絡將更加靈活、高效、智能、安全。

同時，5G對工業網絡的基礎設施提出了更高的要求。企業需要建設更加穩定、高效和安全的網絡基礎設施，包括網絡硬件設備、數據中心等，以支持5G技術的應用。5G用作工業承載網絡時，需要進行系統集成和平臺建設，以實現工業網絡的整體優化和協同。企業需要選擇合適的工業互聯網平臺，建立統一的管理和控制中心，實現設備管理、數據分析和業務監控的全面協同。另外，要實現5G在工業網絡中的廣泛應用，企業需要加大對基礎設施建設、數據安全保障、人才培養和技術創新的投入，并積極進行系統集成和合作共享。

5G工廠典型組網架構及實現

5G工廠典型組網架構包括工業終端、5G終端、5G無線接入網、5G核心網、工廠內網等部分，個別工廠還有工廠外網。工業終端是指通過5G無線連接的工廠設備，包括各類工業傳感器、PLC、控制I/O模塊、HMI設備、工業攝像頭等；5G終端支持3GPP定義的終端功能，用于將各種類型工業設備接入至5G網絡，5G終端包括5G工業路由器、5G工業網關、5G CPE等；5G無線接入網負責與5G終端的無線連接、物理層信號處理、無線資源管理等，主要由5G基站（包括AAU/BBU、CU、DU）以及配套前傳、中傳與回傳的傳輸設備組成；5G核心網負責5G核心控制以及用戶數據路由，主要由控制面（CP）與用戶數據面(UP)組成，控制面基于SBA架構，負責5G用戶開通、鑒權、計費、移動性管理、會話管理、QoS策略管理、切片等，用戶數據面主要指UPF網元，負責用戶數據路由、流量上報、QoS策略執行等；工廠內網包括工廠內的OT環網及IT網絡，在OT環網中部署SCADA、主PLC和工業應用，IT網絡中部署企業ERP、SCM等管理系統及PLM等業務系統；工廠外網則可以通過Internet或者運營商提供的通信網絡（包括5G網絡）來實現。當然，為保障數據和網絡安全，企業應采取各種安全措施。

從這個典型組網架構來看，5G技術可以廣泛應用于工廠的各個層級，覆蓋從工業終端到企業廣域網的各個方面。其中的重要創新是將5G作為統一無線接入傳輸介質，通信技術（CT）不再是外在或外掛的載體，而是實現與OT和IT的深度融合。

當前，5G在工業上的應用還處在初級階段，雖然初見成效，但規模不夠大。我們相信，隨著5G技術的快速發展、R16及后續標準商用的成熟，以及終端芯片、模組成本的快速下降，5G在工業網絡、工業現場的深度應用和大規模應用并不遙遠。通過云邊一體、算網融合、智慧網絡，5G技術和5G網絡將為工業應用提供更快、更穩定的通信網絡，以及更高效的計算和儲存能力，為工業數字化轉型和智能工廠的建設提供強有力的技術支持。