TSN與5G交織，開啟無線多工業總線協議閥島浪漫新篇
四月的春風十里，
終究拗不過五月的夏意初長，
C小C今日要帶你解鎖一個浪漫的驚喜！~~~
——一種將TSN與5G技術結合的無線多工業總線協議閥島
在工業的宏大舞臺上，科技上午飛速發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總線協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，通過優化以太網協議，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，為工業無線通信提供了強大的支持讓工業設備釋放出無限的活力。
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自動化實時控制與監測要求，如機械臂協同作業可實現毫秒級及更低端到端時延，確保精準協同。
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設備協同，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，滿足工業自動化時間同步要求。
5G網絡的大帶寬和高容量特性，為工業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應用創建邏輯上獨立的網絡切片，每個切片可根據特定的業務需求進行資源分配和優化。例如，在同時支持遠程控制和視頻監控等不同業務時，確保各自的服務質量。
TSN技術基于標準以太網協議，具有良好的互聯互通優勢。5G技術則為無線設備提供了廣泛的接入能力，使得無線多工業總線協議閥島能夠與各種工業設備和系統進行通信，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同工作。
TSN具有協議開放的特點，易于與其他系統和設備進行集成。這種開放性使得無線多工業總線協議閥島能夠適應不同的工業應用場景和設備需求，便于在現有工業網絡基礎上進行升級和擴展。例如，隨著工業生產規模的擴大和設備數量的增加，無線多工業總線協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。
閥島支持CC-LINK IE、PROFINET、Ethernet/IP、等多種工業總線協議的自適應切換。這一特性使得閥島能夠無縫對接不同廠商的設備和系統，極大地提高了工業現場的靈活性和兼容性。例如，在復雜的工業自動化環境中，設備可能來自不同廠商，支持多種協議自適應切換的閥島能夠確保這些設備之間的通信和協同工作。
5G系統與TSN網絡系統在技術上融合創新并協同部署。通過支持802.1Qci和802.CB協議以及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。
采用高精度時鐘同步技術，如IEEE 1588v2、GPS、北斗衛星等，實現μs級時鐘同步。通過5G系統分發外部時鐘，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規范實現域內時間同步。
TSN中的流量分類與5G網絡的業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數據包分配優先級，保障TSN數據包的優先級和可靠性。例如，5G系統的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。
為不同的工業應用創建邏輯上獨立的網絡切片，每個切片可根據特定的業務需求進行資源分配和優化。通過網絡切片技術，5G網絡能夠更好地滿足工業環境中多種業務對網絡資源的不同需求。例如，在智能工廠中，不同的生產環節可以通過不同的網絡切片進行通信，確保各自的服務質量。
閥島完成了5G與工業協議（PROFIET.ETHERNET/IP,MODBUS-TCP,CC-LinkIE FiledBasic,CC-LinkIE TSN等）的適配，可以自主完成不同協議的切換。這種協議切換技術使得閥島能夠能夠根據連接設備的協議類型自動識別并切換相應的通信協議，無需人工干預。這種自適應切換機制基于協議識別和配置管理技術，確保設備在不同協議環境下能夠無縫通信。
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
本技術：結合5G和TSN技術，支持多種工業總線協議，具有低時延、高可靠性、精準時間同步等優勢，能夠顯著提高生產效率，降低維護成本，提升系統靈活性。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技術都處于發展初期，技術成熟度有限，主要應用于智能制造和工業自動化領域。
綜上所述，本技術在技術先進性、創新性和市場競爭力方面具有顯著優勢，能夠有效解決企業的痛點，推動工業物聯網的發展，具有廣闊的應用前景和市場潛力。
5G商用三年來，產業成效已經初步顯現，目前多家車企制造企業正在開展5G工廠創新，5G+工業互聯網將是汽車制造領域新的發力點，期望5G的URLLC特性能夠打破傳統工業網絡結構，解決現存網絡痛點。
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，工位節距6米；其余各線體區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：該企業采用了本項目開發的基于5G和TSN的工業總線閥島。系統通過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同工作。
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：傳統工業網絡存在不柔性，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、創新應用
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：
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，生產節拍10秒。
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同控制，以及與車間MES系統的通信。
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以太網。傳統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：該企業引入了本項目的工業總線閥島，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。系統支持多設備連接，能夠實時監控和控制倉儲設備的運行狀態。
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，人工線變為自動線，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統一處理，不需要再設置工位上的從PLC。
系統可靠性增強：系統運行穩定，數據傳輸可靠，設備故障率降低了40%。
“采用5G和TSN結合的工業總線閥島后，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。系統的穩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。”
“現場設備層級控制網絡在引入5G與TSN工業總線設備后，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。系統運行穩定，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。"
本項目的技術成果在多個行業得到了廣泛認可。項目團隊已與多家知名企業建立了合作關系，共同推動技術的推廣應用。項目成果已入選多個行業展會和研討會，獲得了行業專家和用戶的高度評價。
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項目團隊積極拓展市場，將技術成果推廣到更多行業和領域。目前，系統已在汽車制造、物流倉儲、能源管理等多個行業實現了應用，并取得了良好的效果。未來，項目團隊將繼續拓展市場，推動技術的廣泛應用。
為了確保用戶能夠更好地應用和維護系統，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，為用戶提供系統操作、維護和優化等方面的培訓。同時，項目團隊還建立了專業的技術支持團隊，為用戶提供及時的技術支持和解決方案。
本項目成功開發了一種將TSN與5G技術相結合的工業總線閥島。該系統集成了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，系統具備良好的可擴展性和兼容性，能夠與現有的工業自動化設備無縫對接。
經過嚴格的測試和驗證，系統在多個關鍵性能指標上達到了預期目標：
通信延遲：系統通信延遲低于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：系統時間同步誤差控制在微秒級別，確保設備協同工作的高精度。
可靠性：系統丟包率低于0.1%，在復雜工業環境中表現出色。
本項目已在多個實際工業場景中進行了應用示范，包括智能制造生產線、自動化倉儲系統和遠程監控系統。在這些場景中，系統表現出色，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%。
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。預計企業生產效率可提高30%-50%，生產成本降低20%-30%。
市場競爭力：系統的技術優勢能夠提升企業的市場競爭力，為企業帶來更多的市場份額和經濟效益。
推動產業升級：本項目的技術成果將推動工業自動化領域的技術升級，促進智能制造的發展。通過無線化和智能化的控制方式，企業能夠更好地適應市場變化，提高生產效率和產品質量。
進技術創新：項目的成功實施將激發更多相關領域的技術創新，推動5G技術在工業自動化中的廣泛應用，為工業互聯網的發展提供新的思路和方向。
提升行業標準：項目的技術成果有望成為行業內的標桿，推動相關標準的制定和推廣，提升整個行業的技術水平和競爭力。
5G網絡性能提升：隨著5G技術的不斷發展，將進一步優化網絡性能，降低延遲，提高數據傳輸速率，為系統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，進一步拓展系統的智能化功能，如故障預測、智能調度和優化控制，提升系統的智能化水平。
與其他技術融合：探索與邊緣計算、區塊鏈等新興技術的融合，為工業自動化提供更全面的解決方案。
行業應用拓展：將系統推廣到更多行業和領域，如汽車制造、電子生產、能源管理等，滿足不同行業的自動化需求。
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，提升企業的國際影響力和競爭力。
參與行業標準制定：積極參與國內外相關行業標準的制定工作，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。
在未來的工業自動化發展中，TSN與5G技術結合的無線多工業總線協議閥島，將繼續書寫屬于它們的浪漫故事。它們將攜手推動工業自動化向更高水平邁進，為人類創造更加美好的未來。
