5G+PLC應(yīng)用場(chǎng)景分類及對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的需求如何？

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1.5G +PLC 應(yīng)用場(chǎng)景的單個(gè) 5G 終端的話務(wù)模型

在 5G+PLC應(yīng)用場(chǎng)景，考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備種類和數(shù)量眾多且 5G 芯片模組價(jià)格仍較高，目前 通常在單個(gè)工作站部署一個(gè)或若干個(gè) 5G 終端，單個(gè)工 站內(nèi)的多個(gè)工 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng)設(shè) 備 通 過(guò) 短 距離有 線的方式統(tǒng)一連接到某個(gè) 5G 終端并與控制類設(shè)備進(jìn)行通信。

2.5G+PLC 應(yīng)用場(chǎng)景分類及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延需求

邏輯控制場(chǎng)景

邏輯控制針對(duì)的是工業(yè)場(chǎng)景適用的開關(guān)量信號(hào)，包括輸入信號(hào)和輸出信號(hào),在 PLC 數(shù)據(jù)類型 定義為布爾型變量 (BOOL).開關(guān)量信號(hào)主要來(lái)源：按鈕，開關(guān)，傳感器，指示燈，蜂鳴器，氣 缸，閥，接觸器，繼電器等。 在5G應(yīng)用場(chǎng)景下，5G支持通過(guò)總線方式連接主PLC與遠(yuǎn)程背板、遠(yuǎn)程 IO。總線方式包括： Ethernet/IP, Modbus TCP, Profinet 等. 基于PLC輪詢運(yùn)行機(jī)制，所有邏輯控制通過(guò) 5G連接將 帶來(lái)額外時(shí)延，該時(shí)延需控制在 20ms~50ms 之間，具體數(shù)據(jù)需根據(jù)產(chǎn)線/設(shè)備整體時(shí)延影響 造成的效率損失來(lái)決定。邏輯控制場(chǎng)景往往在所有設(shè)備控制種類中占比最多，所以在設(shè)計(jì)階 段要考慮盡量減少設(shè)備串行動(dòng)作，增加并行動(dòng)作的可能性，以最小化引入 5G 帶來(lái)的生產(chǎn)效率 損失。

特定情況下，某些 I/O 信號(hào)需通過(guò)高速掃描（<10ms）來(lái)控制特定器件，例如運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某 些事件的觸發(fā)。此類場(chǎng)景需在設(shè)備端通過(guò)硬件回路加以控制，例如通過(guò)光耦或固態(tài)繼電器在硬件 層面斷開，同時(shí)將PLC獲取的信號(hào)作為輔助控制，從而實(shí)現(xiàn)基于 5G 的控制方案。 注：邏輯控制信號(hào)時(shí)延為5G雙向時(shí)延（RTT 時(shí)延）的二分之一。

過(guò)程控制場(chǎng)景

過(guò)程控制指的是工業(yè)場(chǎng)景適用的模擬量信號(hào)，包括模擬量輸入和模擬量輸出，在 PLC 數(shù)據(jù)類 型定義為整數(shù)。模擬量信號(hào)主要包括：電壓信號(hào)，電流信號(hào)等。 在5G應(yīng)用場(chǎng)景下，同樣需要通過(guò)總線連接遠(yuǎn)程模擬量模塊或遠(yuǎn)程背板。總線方式包括： Ethernet/IP Modbus TCP , Profinet 等. 模擬量信號(hào)輸入輸出對(duì)實(shí)時(shí)性要求不同，針對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)景可采用 5G 方案，例如 階梯式輸入輸出，IIOT數(shù)據(jù)采集，電壓、電流、溫度、噪音測(cè)量等；如果測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)實(shí) 時(shí)性要求較高，需采用NI數(shù)據(jù)采集卡來(lái)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將最終分析結(jié)果通過(guò) 5G上傳至主PLC。 注：模擬量輸入輸出造成時(shí)延為5G雙向時(shí)延的二分之一。正常時(shí)延需控制在 20ms~100ms 以內(nèi)。

運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景

運(yùn)動(dòng)控制是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌 跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，施耐德電氣工廠主要涉及電機(jī)控制。 電機(jī)控制主要分為三大類：PTO 脈沖串控制，總線控制，I/O 控制。 PTO脈沖串控制：因其控制機(jī)制不適用 5G 通訊控制，需采用現(xiàn)場(chǎng) subPLC 加驅(qū)動(dòng)模塊來(lái) 驅(qū)動(dòng)。效率損失=遠(yuǎn)程主 PLC 與現(xiàn)場(chǎng) sub PLC 通訊次數(shù)*時(shí)延/總運(yùn)動(dòng)時(shí)間。5G 雙向時(shí)延需在 20~100ms之間。

總線控制：主要通過(guò) Ethernet/IP , Modbus TCP , Profinet , EtherCAT 來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。 總線型運(yùn)動(dòng)控制包括高速總線控制與普通總線控制。高速總線控制如 EtherCAT、CANopen， 通常涉及到高精度的多軸同動(dòng)，要求4~64及以上電機(jī)的動(dòng)作同步，時(shí)差精度要求在 1ms以內(nèi)， 且 5G 目前無(wú)法支持 EtherCAT 這種非 MAC 尋址的協(xié)議，故此類運(yùn)動(dòng)控制建議采用現(xiàn)場(chǎng)輔助 運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，效率損失=主 PLC 與輔助 PLC通訊次數(shù)*時(shí)延/總運(yùn)動(dòng)時(shí)間。普通總線型 運(yùn)動(dòng)控制時(shí)延需控制在 20ms~50ms 之間。總線控制分為開環(huán)和閉環(huán)兩種：

開環(huán)控制是指無(wú)反饋信息的控制方式。一般應(yīng)用與變頻器，軟起動(dòng)類無(wú)需反饋數(shù)據(jù)的控制 器。其單次運(yùn)動(dòng)效率損失為5G雙向時(shí)延的的二分之一。 閉環(huán)控制是指有反饋信息的控制方式。當(dāng)前工業(yè)場(chǎng)景大部分都是閉環(huán)控制，例如：伺服電 機(jī)，電缸，伺服擰緊槍等，其單次運(yùn)動(dòng)效率損失為 5G 雙向時(shí)延。 I/O 控制：部分無(wú)需精確位置，速度控制電機(jī)會(huì)采用 I/O 方式來(lái)控制。例如：滾道電機(jī)，變 頻器等。上述總線控制電機(jī)也可采用 I/O 方式來(lái)控制。效率損失按實(shí)際控制方式下的開環(huán)，閉環(huán) 屬性來(lái)決定。開環(huán)乘數(shù)為1/2，閉環(huán)乘數(shù)為1，雙向時(shí)延需在20~100ms之間。

外部設(shè)備場(chǎng)景

當(dāng)前工業(yè)場(chǎng)景下會(huì)使用很多外部設(shè)備，例如：機(jī)器人，儀器儀表，掃描槍，打印機(jī)， 激光刻印與焊接，程控電源，人機(jī)界面等。基于 5 G 連接，所有外部設(shè)備默認(rèn)推薦總線協(xié) 議：Ethernet/IP , Modbus TCP , Profinet。如外部設(shè)備只有 RS232, RS485 串口通信，可借助智 能網(wǎng)關(guān)或遠(yuǎn)程背板加串口通訊模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)與5G 的連接。此類通信控制應(yīng)注意實(shí)際通信次數(shù)對(duì)效 率損失帶來(lái)的影響，如機(jī)器人控制，因其往往執(zhí)行步數(shù)較多，單次移動(dòng)時(shí)間較短，需要考慮優(yōu) 化機(jī)器人路徑，減少與PLC通信次數(shù)。5G 雙向時(shí)延需控制在20~100ms以內(nèi)。外部設(shè)備單次通 信效率損失為：5G 雙向時(shí)延/運(yùn)動(dòng)時(shí)間。