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　　——一種將TSN與5G技術結合的無線多工業(yè)總線協(xié)議閥島

　　在工業(yè)的宏大舞臺上，科技上午飛速發(fā)展正以令人驚嘆的速度翩翩起舞，一場融合了TSN（時間敏感網絡）與5G技術的融合的變革，上海勃傲自動化為無線多工業(yè)總線協(xié)議閥島帶來嶄新的浪漫篇章。

　　TSN（時間敏感網絡），如同一位精準的指揮家，通過優(yōu)化以太網協(xié)議，憑借其高精度的時間同步和確定性通信能力，讓數據在網絡中有序流淌。而5G技術，則像是一位靈動的舞者，以其低延遲、高帶寬和大容量的特性，為工業(yè)無線通信提供了強大的支持讓工業(yè)設備釋放出無限的活力。

　　當TSN（時間敏感網絡）與5G這兩位“舞伴”攜手，共同融入無線多工業(yè)總線協(xié)議閥島時，一場震撼人心的工業(yè)“舞會”就此拉開帷幕。總線閥島作為工業(yè)自動化系統(tǒng)中的關鍵部件，在TSN與5G的加持下，體現驚人的能量。

　　01浪漫篇章 |技術亮點

　　1. 主要技術亮點

　　1.1 低時延與高可靠性傳輸

　　5G的uRLLC與TSN功能匹配，可實現最低空口時延1ms、時間同步誤差<1μs，其低時延高可靠傳輸能力能滿足工業(yè)自動化實時控制與監(jiān)測要求，如機械臂協(xié)同作業(yè)可實現毫秒級及更低端到端時延，確保精準協(xié)同。

　　1.2 精準時間同步

　　TSN和5G網絡各有時鐘同步機制。通過UE（用戶設備）、gNB（基站）和UPF（用戶面功能）之間的時鐘同步，5G作為TSN網橋時，能夠保障數據傳輸的確定性時延。精準時間同步確保工業(yè)設備協(xié)同，避免時鐘偏差致生產問題。如基于云原生的5G - TSN方案同步精度小于600ns，滿足工業(yè)自動化時間同步要求。

　　1.3 靈活的網絡資源管理

　　5G網絡的大帶寬和高容量特性，為工業(yè)網絡的擴展提供了有力支持。通過網絡切片技術，5G網絡可以為不同的工業(yè)應用創(chuàng)建邏輯上獨立的網絡切片，每個切片可根據特定的業(yè)務需求進行資源分配和優(yōu)化。例如，在同時支持遠程控制和視頻監(jiān)控等不同業(yè)務時，確保各自的服務質量。

　　1.4 強大的互聯(lián)互通能力

　　TSN技術基于標準以太網協(xié)議，具有良好的互聯(lián)互通優(yōu)勢。5G技術則為無線設備提供了廣泛的接入能力，使得無線多工業(yè)總線協(xié)議閥島能夠與各種工業(yè)設備和系統(tǒng)進行通信，打破信息孤島。例如，在智能工廠中，移動機器人可以通過5G與固定設備進行通信，同時固定設備之間的通信則通過TSN有線網絡進行，實現無線與有線網絡的協(xié)同工作。

　　1.5 開放性和可擴展性

　　TSN具有協(xié)議開放的特點，易于與其他系統(tǒng)和設備進行集成。這種開放性使得無線多工業(yè)總線協(xié)議閥島能夠適應不同的工業(yè)應用場景和設備需求，便于在現有工業(yè)網絡基礎上進行升級和擴展。例如，隨著工業(yè)生產規(guī)模的擴大和設備數量的增加，無線多工業(yè)總線協(xié)議閥島能夠靈活地擴展網絡容量，滿足不斷增長的連接需求。

　　1.6 多協(xié)議自適應切換

　　閥島支持CC-LINK IE、PROFINET、Ethernet/IP、等多種工業(yè)總線協(xié)議的自適應切換。這一特性使得閥島能夠無縫對接不同廠商的設備和系統(tǒng)，極大地提高了工業(yè)現場的靈活性和兼容性。例如，在復雜的工業(yè)自動化環(huán)境中，設備可能來自不同廠商，支持多種協(xié)議自適應切換的閥島能夠確保這些設備之間的通信和協(xié)同工作。

　　2. 核心技術內容

　　2.1 5G TSN融合技術

　　5G系統(tǒng)與TSN網絡系統(tǒng)在技術上融合創(chuàng)新并協(xié)同部署。通過支持802.1Qci和802.CB協(xié)議以及5G Delay Critical GBR QoS management功能，同時在控制面引入TSN AF（應用功能），用戶面引入NW-TT（UPF側）和DS-TT（UE側），實現相關端口、協(xié)議數據單元以及QoS機制的映射。這種融合技術能夠支持TSN相關流量的調度，確保端到端的確定性連接。

　　2.2 時間同步技術

　　采用高精度時鐘同步技術，如IEEE 1588v2、GPS、北斗衛(wèi)星等，實現μs級時鐘同步。通過5G系統(tǒng)分發(fā)外部時鐘，以及通過SIB9和UAI配置實現5G網絡時鐘同步。例如，5G網絡中的gNB可從5G GM獲取時鐘后傳遞給UE和UPF，TSN網絡則基于IEEE 802.1AS規(guī)范實現域內時間同步。

　　2.3 流量調度技術

　　TSN中的流量分類與5G網絡的業(yè)務類型建立映射關系，同時保留TSN對于流量配置的相關標記。5G網絡通過QoS為TSN數據包分配優(yōu)先級，保障TSN數據包的優(yōu)先級和可靠性。例如，5G系統(tǒng)的TSN AF可將本地配置或來自TSN網絡控制器的QoS信息映射為TSN QoS參數，PCF則將TSN QoS參數映射為5G QoS參數。

　　2.4 網絡切片技術

　　為不同的工業(yè)應用創(chuàng)建邏輯上獨立的網絡切片，每個切片可根據特定的業(yè)務需求進行資源分配和優(yōu)化。通過網絡切片技術，5G網絡能夠更好地滿足工業(yè)環(huán)境中多種業(yè)務對網絡資源的不同需求。例如，在智能工廠中，不同的生產環(huán)節(jié)可以通過不同的網絡切片進行通信，確保各自的服務質量。

　　2.5 協(xié)議自適應切換技術

　　閥島完成了5G與工業(yè)協(xié)議

　　（PROFIET.ETHERNET/IP,MODBUS-TCP,CC-LinkIE FiledBasic,CC-LinkIE TSN等）的適配，可以自主完成不同協(xié)議的切換。這種協(xié)議切換技術使得閥島能夠能夠根據連接設備的協(xié)議類型自動識別并切換相應的通信協(xié)議，無需人工干預。這種自適應切換機制基于協(xié)議識別和配置管理技術，確保設備在不同協(xié)議環(huán)境下能夠無縫通信。

　　3. 與當前國內外同類技術主要參數、效益、市場競爭力的比較

　　3.1 主要參數比較

　　3.2 效益比較

　　3.3 市場競爭力比較

　　4. 綜合分析

　　本技術：結合5G和TSN技術，支持多種工業(yè)總線協(xié)議，具有低時延、高可靠性、精準時間同步等優(yōu)勢，能夠顯著提高生產效率，降低維護成本，提升系統(tǒng)靈活性。適用于智能制造、智能電網、智能交通等多個領域，具有較高的市場競爭力。

　　國內外同類技術：國內外同類5G和TSN技術都處于發(fā)展初期，技術成熟度有限，主要應用于智能制造和工業(yè)自動化領域。

　　綜上所述，本技術在技術先進性、創(chuàng)新性和市場競爭力方面具有顯著優(yōu)勢，能夠有效解決企業(yè)的痛點，推動工業(yè)物聯(lián)網的發(fā)展，具有廣闊的應用前景和市場潛力。

　　02浪漫篇 | 應用情況和效益

　　1、應用情況

　　5G商用三年來，產業(yè)成效已經初步顯現，目前多家車企制造企業(yè)正在開展5G工廠創(chuàng)新，5G+工業(yè)互聯(lián)網將是汽車制造領域新的發(fā)力點，期望5G的URLLC特性能夠打破傳統(tǒng)工業(yè)網絡結構，解決現存網絡痛點。

　　2、實際應用案例

　　2.1. 智能制造生產線

　

　　某焊裝車間平面布局圖

　　應用背景：某汽車制造焊裝車間的平面布局圖如上，車間面積44544㎡，該車間每年總產能20萬臺，每64秒輸出一輛焊裝車身。整個車間包含機器人370多臺，主要完成焊接、搬運、涂膠、弧焊、鉚接、螺柱焊等工藝。車間內存在多種物料運送方式，車身下部線、主線、補焊線內部采用輥床滑撬輸送，工位節(jié)距6米；其余各線體區(qū)域內通過機器人搬運的形式完成工件的輸送；機艙前地板總成、后地板總成、側圍總成及頂蓋總成通過EMS小車輸送至主線進行合拼。

　　解決方案：該企業(yè)采用了本項目開發(fā)的基于5G和TSN的工業(yè)總線閥島。系統(tǒng)通過5G網絡實現了閥島設備的無線化部署，同時利用TSN的高精度時間同步功能，確保了設備之間的精確協(xié)同工作。

　　應用效果：

　　工藝方案1：機器人工具抓手案例

　　5G閥島在機器人工具上的安裝應用

　　工藝方案2：轉臺夾具設備

　

　　生產效率提升：5G相比有線是扁平化架構，組網簡單；并提供IT非實時與OT實時多業(yè)務共用一張網的能力，從而降本增效。生產效率提高了30%，生產周期縮短了20%。

　　設備可靠性提高：頂蓋線體在5G化改造后，主PLC與現場設備之間，以及機器人PLC與下掛IO之間的實時數據交互，采用5G URLLC進行連接。5G一張網支持實時/非實時業(yè)務，主PLC通過5G UPF接入, 現場設備通過5G終端星型扁平化接入。其中5G 基站部署在車間，5G UPF下沉車間，提供實時網絡交互。設備故障率降低了50%，生產中斷時間減少了60%。

　　靈活性增強：傳統(tǒng)工業(yè)網絡存在不柔性，不智能等問題， 5G URLLC應用于焊裝車間，將為汽車制造會帶來三大類價值場景、去掉有線束縛的柔性化應用、IT/OT融合智能化應用、創(chuàng)新應用

　　3.電子總裝場景IT/OT融合智能化應用

　　應用背景：小家電制造工廠，分為鈑金、電子、注塑、磁控管和總裝幾大車間。其中總裝車間連接場景最復雜。如下圖所示，是某廠家微波爐總裝車間布局：

　　某小家電總裝車間布局

　　以某廠家微波爐總裝生產線為例，該生產線整合了微波爐的所有20L平臺，年產量穩(wěn)定在200萬以上，可以有效地保障設備稼動率。在充分考慮整線自動化的可行性基礎上，結合線外組件化和預定位，線上裝配和智能化AGV配送系統(tǒng)并搭配信息化，實現生產過程的全管控。

　　產線基本情況：線長≤86m，線寬≤8m，自動化工位29個，機器人10臺，AGV2臺，不良下線點5個，返修上線點2個，生產節(jié)拍10秒。

　　圖4-4 某小家電總裝產線

　　總裝車間總面積約5萬平米，總裝產線大約50條。

　　該微波爐總裝線自下而上依次是現場設備層、分段控制層和整線控制層，工業(yè)以太網主要使用CC-Link IE。總裝線的控制一共分為4段，設備總共17臺從PLC分別控制各段設備。同時設置主PLC和工控機進行整條線的協(xié)同控制，以及與車間MES系統(tǒng)的通信。

　　總裝車間的整體組網情況：主PLC與MES之間采用標準以太網,  主PLC與從站PLC之間采用工業(yè)以太網（CC-Link IE），從站PLC與現場設備之間采用信號電纜。

　　在上述微波爐總裝產線，從PLC與工位執(zhí)行機構之間的現場實時控制采用信號電纜，機器人與視覺工控機之間的數據采集和控制信號采用工業(yè)以太網。傳統(tǒng)有線網絡的主要問題：布線費時費力，且通信易受到來自電源、變頻器等設備的電磁干擾。

　　解決方案：該企業(yè)引入了本項目的工業(yè)總線閥島，利用5G網絡的無線化特性，實現了倉儲設備的靈活部署和高效通信。系統(tǒng)支持多設備連接，能夠實時監(jiān)控和控制倉儲設備的運行狀態(tài)。

　　應用效果：

　　小家電總裝產線5G化改造前后組網架構

　　5G化改造后，將現場I/O和集中部署的PLC用5G URLLC連接起來，承載了CC-Link IE協(xié)議，主PLC與下掛設備之間的數據全部采用5G承載。

　　成本降低：小家電產線自動化變革，人工線變?yōu)樽詣泳€，引入更多自動化設備和機器人，減少人力，支持面向C2M的小批量多品種的柔性生產。布線成本降低了40%，維護成本降低了30%。

　　設備靈活性提高：智能從站，引入更多自動化設備和機器人，現場自動化設備數量和種類增加。機器人等現場設備的控制由主PLC統(tǒng)一處理，不需要再設置工位上的從PLC。

　　系統(tǒng)可靠性增強：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數據傳輸可靠，設備故障率降低了40%。

　　02　浪漫篇 | 用戶反饋

　　1. 汽車制造企業(yè)

　　“采用5G和TSN結合的工業(yè)總線閥島后，我們的生產線變得更加靈活和高效。針對一些特殊工藝設備：工具切換、MES線、轉臺、轉鼓、滑臺、升降設備等，剪辮子應用在生產效率方面顯著提高，設備故障率大幅降低。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性超出了我們的預期，為我們的智能制造轉型提供了有力支持。”

　　2. 家電企業(yè)

　　“現場設備層級控制網絡在引入5G與TSN工業(yè)總線設備后，我們的流水產線設備布局更加靈活，布線成本和維護成本大幅降低。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數據傳輸可靠，設備故障率明顯減少。這不僅提高了我們的運營效率，還提升了我們的市場競爭力。

　　03浪漫篇 | 市場推廣情況

　　1. 行業(yè)認可

　　本項目的技術成果在多個行業(yè)得到了廣泛認可。項目團隊已與多家知名企業(yè)建立了合作關系，共同推動技術的推廣應用。項目成果已入選多個行業(yè)展會和研討會，獲得了行業(yè)專家和用戶的高度評價。

　

　　勃傲5G工業(yè)總線產品受邀參加2024MWC巴塞羅那

　　勃傲5G工業(yè)總線產品受邀參加2023迪拜MBBF

　　2023年 5G世界大會 勃傲5G工業(yè)總線產品接受媒體專訪

　　長城產線 勃傲5G工業(yè)總線閥島應用

　　上海法信產線 勃傲5G工業(yè)總線閥島應用

　　2. 市場拓展

　　項目團隊積極拓展市場，將技術成果推廣到更多行業(yè)和領域。目前，系統(tǒng)已在汽車制造、物流倉儲、能源管理等多個行業(yè)實現了應用，并取得了良好的效果。未來，項目團隊將繼續(xù)拓展市場，推動技術的廣泛應用。

　　3. 用戶培訓與支持

　　為了確保用戶能夠更好地應用和維護系統(tǒng)，項目團隊提供了全面的用戶培訓和技術支持服務。通過線上線下相結合的方式，為用戶提供系統(tǒng)操作、維護和優(yōu)化等方面的培訓。同時，項目團隊還建立了專業(yè)的技術支持團隊，為用戶提供及時的技術支持和解決方案。

　　04浪漫篇| 技術成果及預期

　　1. 技術成果

　　1.1 系統(tǒng)開發(fā)與集成

　　本項目成功開發(fā)了一種將TSN與5G技術相結合的工業(yè)總線閥島。該系統(tǒng)集成了5G通信模塊、高精度時間同步模塊、實時控制模塊以及智能化診斷與維護功能，實現了工業(yè)總線閥島的無線化部署和高效實時控制。通過模塊化設計，系統(tǒng)具備良好的可擴展性和兼容性，能夠與現有的工業(yè)自動化設備無縫對接。

　　1.2 性能驗證與測試

　　經過嚴格的測試和驗證，系統(tǒng)在多個關鍵性能指標上達到了預期目標：

　　通信延遲：系統(tǒng)通信延遲低于4毫秒，滿足高實時性控制需求。

　　數據傳輸速率：系統(tǒng)支持高達10Gbps的數據傳輸速率，能夠處理大量實時數據。

　　時間同步精度：系統(tǒng)時間同步誤差控制在微秒級別，確保設備協(xié)同工作的高精度。

　　可靠性：系統(tǒng)丟包率低于0.1%，在復雜工業(yè)環(huán)境中表現出色。

　　1.3 應用案例與示范

　　本項目已在多個實際工業(yè)場景中進行了應用示范，包括智能制造生產線、自動化倉儲系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)。在這些場景中，系統(tǒng)表現出色，顯著提高了生產效率和設備可靠性。例如，在某智能制造生產線中，系統(tǒng)實現了高精度的實時控制，生產效率提高了30%，設備故障率降低了50%。

　　2. 預期效益

　　2.1 經濟效益

　　成本降低：通過無線化部署，減少了布線成本和施工難度，降低了初始投資成本。同時，減少了因網絡故障導致的生產中斷，降低了維護成本。

　　效率提升：系統(tǒng)高實時性和高帶寬特性顯著提高了生產效率，縮短了生產周期，降低了生產成本。預計企業(yè)生產效率可提高30%-50%，生產成本降低20%-30%。

　　市場競爭力：系統(tǒng)的技術優(yōu)勢能夠提升企業(yè)的市場競爭力，為企業(yè)帶來更多的市場份額和經濟效益。

　　2.2 社會效益

　　推動產業(yè)升級：本項目的技術成果將推動工業(yè)自動化領域的技術升級，促進智能制造的發(fā)展。通過無線化和智能化的控制方式，企業(yè)能夠更好地適應市場變化，提高生產效率和產品質量。

　　促進技術創(chuàng)新：項目的成功實施將激發(fā)更多相關領域的技術創(chuàng)新，推動5G技術在工業(yè)自動化中的廣泛應用，為工業(yè)互聯(lián)網的發(fā)展提供新的思路和方向。

　　提升行業(yè)標準：項目的技術成果有望成為行業(yè)內的標桿，推動相關標準的制定和推廣，提升整個行業(yè)的技術水平和競爭力。

　　3.未來發(fā)展方向

　　3.1. 技術優(yōu)化與升級

　　5G網絡性能提升：隨著5G技術的不斷發(fā)展，將進一步優(yōu)化網絡性能，降低延遲，提高數據傳輸速率，為系統(tǒng)提供更強大的通信支持。

　　智能化功能拓展：結合人工智能和大數據技術，進一步拓展系統(tǒng)的智能化功能，如故障預測、智能調度和優(yōu)化控制，提升系統(tǒng)的智能化水平。

　　與其他技術融合：探索與邊緣計算、區(qū)塊鏈等新興技術的融合，為工業(yè)自動化提供更全面的解決方案。

　　3.2 市場拓展與應用推廣

　　行業(yè)應用拓展：將系統(tǒng)推廣到更多行業(yè)和領域，如汽車制造、電子生產、能源管理等，滿足不同行業(yè)的自動化需求。

　　國際市場拓展：積極參與國際市場競爭，將技術成果推向國際市場，提升企業(yè)的國際影響力和競爭力。

　　生態(tài)建設：與上下游企業(yè)合作，構建完整的產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，推動技術的廣泛應用和產業(yè)發(fā)展。

　　3.3 標準制定與推廣

　　參與行業(yè)標準制定：積極參與國內外相關行業(yè)標準的制定工作，將項目的技術成果納入標準體系，提升技術的影響力和權威性。

　　技術推廣與培訓：開展技術推廣和培訓活動，幫助企業(yè)更好地理解和應用新技術，推動技術的廣泛應用和普及。

　　在未來的工業(yè)自動化發(fā)展中，TSN與5G技術結合的無線多工業(yè)總線協(xié)議閥島，將繼續(xù)書寫屬于它們的浪漫故事。它們將攜手推動工業(yè)自動化向更高水平邁進，為人類創(chuàng)造更加美好的未來。