面向钢铁厂的5G专网增强技术

张亮，马恒，马金，李阳，耿兴元

（中兴通讯股份有限公司，北京 100029）

钢铁行业作为国民经济的基础制造行业，生产工艺复杂，具有连续生产的流程型工业特征，其上下游工序衔接紧密，自动化程度高。因此，钢铁生产对通讯网络的可靠性和安全性要求非常严格，特别是企业数字化转型过程中，为保障整个企业生产过程自动化和生产控制智能化通讯，对网络提出了更高的要求。

5G作为新一代的移动通信技术，保持无线网络移动性优点的同时，具有柔性部署，扁平化架构的特点，超高带宽、超低时延、超大规模连接等特征契合了钢铁企业多数场景的需求，特别适用于服务对象有较大范围运动和连接线易损坏场景，通过应用专网增强型专属设备、优化无线信道、精准端到端时间和设计系统高可用技术等，使5G网络在钢铁企业的通讯功能从可用到好用。

1 钢铁企业典型场景网络需求

钢铁企业业务类型繁多，各种场景对网络具体需求不尽相同，嵌入生产环节的控制类业务对网络时延要求极高，如高速连轧控制，伺服电机控制PLC扫描周期为1 ms；无人行车业务 PLC控制指令下达要求时延小于10～20 ms；一般启停控制操作如连铸翻包机指令时延为50～100 ms。针对钢铁企业天车远控和连铸连轧控制对网络的需求［1］分析如下：

（1）天车远程操控/无人天车的网络需求

钢铁企业生产制造、产品销售等环节涉及各类库区的天车作业,尤其是炼钢以后的工序，涉及炼钢板坯库，热轧板坯库、成品库；冷轧原料库、中间库、成品库，集港集站区域物流暂存库等，应用范围极其广泛。传统作业模式为天车工人24 h轮班现场作业，天车悬挂操作室人工操作，高空地面协调操作的方式，工作效率低，且工作环境恶劣。天车远程控制，天车车间少人甚至无人化将是该领域发展的必然趋势。无人天车系统由检测感知系统（鞍位形状扫描仪、夹具对位传感器、夹具加紧传感器等）、定位系统（X轴定位:激光定位、格雷母线定位；Y轴定位:编码等）、视频监控系统（摄像头）、调度决策系统（发布指令、指挥天车运行）、执行机构（PLC控制系统）、网络（有线或无线）构成。远程操控和无人驾驶需要前端执行系统和后端控制系统稳定可靠的连接，以支持控制流和视频流实时通讯。

移动场景下通讯需求功能：①控制信令下发，高清视频传输；②上行带宽≥50 Mbps，下行带宽≥10 Mbps；③控制传输时延≤20 ms，时延抖动±5 ms，可靠性≥99.99%；④覆盖生产车间。

（2）连铸连轧控制的网络需求

连铸连轧短流程工艺是将钢水铸成不同规格的板坯直接轧制，自动控制轧机动作，以每秒几米至20米的轧制速度按要求的金相结构和厚度精度在相变温度723～1 200℃对铸坯进行压力加工，生产满足用户要求的热轧板卷。

例如，某钢铁厂1700精轧机拥有液压压下、液压弯辊、液压窜辊等世界先进水平的最新轧制设备，配合“带钢热连轧机组全线自动控制系统”模型，实现了连轧生产线设备的集成化。通过开发和集成具有基础自动化、过程自动化、生产控制自动化的三级快速计算机硬件系统，完全满足带钢热连轧对控制系统高精度、高响应度、高速通讯能力的要求。在系统云端部署三级管理软件，过程控制模型，前馈硬度趋势AGC控制及板形控制策略等，通过通讯网络与现场PLC实时控制交互，产品质量和生产效率达到国际先进水平。系统部署投资省、达产快、吨钢成本少、产品质量高。

通讯需求功能：①控制信令下发，现场设备PLC响应；②上行带宽和下行带宽均≥10 Mbps；③传输时延≤1 ms，时延抖动±200 us，可靠性≥99.99%；④覆盖生产线。

从上面两个典型场景对网络需求的分析可知，网络实时性与确定性是关键，特别是具有多种控制的场景，对传输时延及时延抖动都提出了明确的需求。现代钢铁制造企业拥有高度自动化的工艺产线装备，具备大规模、标准化的制造过程管理体系，急需通过网络化、数字化、智能化改造来提升工作效率和员工安全。钢厂传统网络以有线和光纤为主，有线网络的部署和维护成本高，网络拓扑结构复杂，断网对生产影响大。稳定、可靠、安全的无线网络可以作为基础生产网络的有利补充。

2 5G钢铁专网的架构和技术特征

2.1 专属核心网

为打造钢铁企业安全可靠的专网，采用专网5GC作为网络控制的核心设备下沉到钢铁工厂园区，通过UPF DNN分流功能进行流量本地卸载，从而为天车远控、钢水运输无人机车、云化PLC控制等提供大带宽、低时延和高可靠性的5G网络保障，实现钢铁生产的智慧化和无人化，满足智能制造转型升级的需求。图1为钢铁企业5G专网部署示意图。

图1 钢铁企业5G专网部署示意图Fig.1 Schematic Diagram for 5G Private Network Arrangement in Iron and Steel Enterprises

极简核心网i5GC在厂区内独立部署，满足控制面、转发面数据不出园区，符合安全&自服务要求。控制面实现注册管理、移动管理、安全管理、连接管理、签约策略控制、路由选择、会话管理等功能；用户面实现分组路由及数据转发、服务保障、策略执行、用户面地址分配等功能。i5GC部署于厂区内核心设备实现以上全部功能，不仅满足生产数据及信令不出厂区的要求，而且当钢铁厂区的核心设备与运营商5G大区核心网的上行链路出现故障时，由于配置下列冗余设备、接口和链路，不影响园区内在网设备的正常运行。

（1）部署 2套专网 i5GC设备，N3、N4多链路主备容灾组网；

（2）N3接口：基站到专网i5GC的业务流量通过基站接入交换机，汇聚后接入专网i5GC设备；

（3）OMC维护：专网i5GC在厂区属地化管理和维护；

（4）N6接口：UPF数据分流，为园区5G专网用户规划独立TA区和DNN，园区用户网络注册时由5GC控制面SMF网元根据DNN选择本地UPF进行业务处理，访问园区应用的业务在本地进行卸载。数据流流向经5G终端→5G基站→UPF→园区企业应用服务器，在UPF和钢铁厂应用服务器之间部署防火墙进行安全隔离。

相对于通用5G核心网，专属的i5GC具有如下特点：占地小，能耗低，硬件投入少，可采用下沉部署，为用户提供极低的时延和专属的核心网服务；物理设备隔离，满足特殊场景下的物理、数据安全隔离需求；专网设备，软硬一体化设计，降低部署、运维、使用的难度；提供简易的系统监控功能，钢铁厂客户可自主运维，掌握网络实时状况；采用虚拟化架构，实现灵活的部署形态；组网简单，降低维护难度，对现网设备接口需求少。

2.2 TSN时间确定性技术

TSN（Time-sensitive Networking）是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术，是在IEEE802.1标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性。然而，TSN面向二层网络，主要解决园区以太网连接场景下精准传输的问题，对于广域网、无线场景下确定性网络实现的研究还比较薄弱。5G以其无需布线、部署灵活以及移动性支持等优势，与TSN技术结合将会有更广泛的应用场景。

在 3GPP Rel.16 的规划中［2］，3GPP 已经开始对5G NR支持工业互联网进行新的研究规划。根据需求规范，对于时间敏感的工业应用场景，空口可能需要达到0.5 ms的延迟和99.9999%的可靠性。TSN叠加在5G NR将通过实现分组分发、自动寻址和服务质量QoS等领域功能满足工业企业需求，从而更好地集成5G和TSN。3GPP给出的5G TSN逻辑网桥系统架构如图2所示，实现与TSN网络的互联互通。

图2 5G TSN逻辑网桥系统架构Fig.2 5G TSN Logical Bridge System Architecture

在该架构中，5G系统作为一个TSN逻辑网桥，定义了如下3个功能模块以实现5G TSN逻辑网桥和TSN网络的对接。

DS-TT：终端侧TSN转换器（Device-side TSN Translator）。DS-TT可以看作为5G TSN逻辑网桥的一个端口，用于连接终端侧的TSN系统，通常DS-TT和UE集成在一起。

NW-TT：网络侧TSN转换器 （Network-side TSN Translator）。NW-TT可以看作为5G TSN逻辑网桥的另一个端口，用于连接网络侧的TSN系统。NW-TT是UPF的一个功能模块。

TSN AF：TSN的应用功能 （TSN Application Function）。TSN AF可以看作为5G TSN逻辑网桥的管理接口，用于连接TSN网络的CNC控制器。通常TSN AF可以作为一个独立的NF网元，也可以考虑和其他NF网元合设。

分别在用户侧的UE，无线侧RAN和核心网C-Plane控制面和U-Plane转发面加载新的时间管理功能，进行拓扑管理、时钟同步、传输纳管和调度优化，最终实现源宿两端的通讯较低时延和前后分组数据的间隔可控（抖动小）。5G系统作为TSN网络中的透明桥梁，由DS-TT和NW-TT提供TSN数据流的驻留和转发机制。

2.3 无线网络空口和调度优化

针对5G无线侧时延要求不同，采取不同技术手段。端到端时延要求为10～50 ms，可通过开启上行预调度、设置SR周期、关闭DRX功能等［3］降低调度时间来实现；时延要求为5～10 ms，需要使用短时隙、Mini-slot等URLLC技术；时延要求1～5 ms，在URLLC的基础上还需要考虑帧格式、子载波间隔、双工模式等方面。此外，对于控制类业务还需要解决时延抖动和成功概率稳定性。

目前，由于核心控制工序的传统工业有线网络比较稳定，暂时没有量化确定指标，可参考3GPP给出对应的推荐值。例如上行预调度技术，为了压缩上行调度等待时延，基站可周期性分配给终端上行传输资源立即发送，省去调度请求。但是由于需要提前分配上行资源，存在额外的控制信道开销和干扰，会导致资源浪费。

空口有周期性传输间隔 （Transport Time Interval即TTI），缩小TTI可增加数据被调度的机会，压缩数据等待和传输时延。关键技术包括短时隙、Mini-slot、DS 1ms帧结构等。更小的调度单位可进一步压缩调度与传输时间，标准中新定义的Mini-slot基于非时隙调度，不需要等待slot，数据可从任一符号开始传输持续需要的符号数，更加灵活地降低数据传送时延。以2符号为例的Mini-slot技术见图3。PDSCH支持2/4/7符号，PUSCH支持1～13个符号。

图3 Mini-slot技术Fig.3 Mini-slot Technology

2.4 高可用冗余保护技术

可用性是产品可靠性、故障恢复性和可维修性的综合反映，通常大家习惯用N个9来表征系统可用性，比如 99.9%（3-nines availability），99.999%（5-nines availability）。 可用性指标［4］可以用来表征在一段时间内，系统成功提供服务的时间量百分比，不仅与MTBF，还和MTTR（Mean Time To Repair，即系统由故障状态转为正常工作状态时的平均修复时间）有关。可以将MTBF理解为 Uptime（运行时间)，MTTR 理解为 Downtime（宕机时间)，系统可用性计算公式为：

例如：一个系统MTBF为10万h，发生故障到系统恢复正常运行，故障平均失效时间为30 min（MTTR），则该系统的可用性为：A=99.999%，即 5个9的可用性。该系统在一年时间连续运行，平均失效时间为：

8 760 h×60 min×（1-99.999%）=5.256 min

在生产控制所需的高可用冗余场景下，比如双连接场景，通常采用组件并联场景（没有上下文同步的1+1冗余系统，不属于并联系统，本质上还是单系统，可用性增强）。并联模型下，除非所有并联组件同时失效，否则不影响系统可用。

多组件并联的系统可用性数学计算公式为：

例如，在无线双连接的场景下，A1代表5G 2.6 GHz eMBB连接，可用性99%，A2代表5G 4.9 GHz URLLC连接，可用性99.99%,则该双连接的整体可用性为1-（1-99%）×（1-99.99%）=99.9999%。即通过一路并联，可以将可用性从“4个9”进一步提升到“6 个 9”。

在端到端的5G网络中，采用多UE方案，就是把多个UE集成到终端设备中，从UE建立多个PDU会话，其使用独立的无线RAN（gNB）和核心网CN（UPF）实体，形成不同并联路径，图4为5G冗余会话系统架构图［4］。

图4 5G冗余会话系统架构图Fig.4 5G Redundant Conversational System Architecture

采用多UE建立冗余PDU会话方案，对网络侧的需求与单UE建立冗余PDU会话的要求类似，都要求网络侧能提供充分独立的用户面传输路径。为了让多个UE能分别连接到不同的gNB，一种方式是可以考虑让不同的UE锁定不同的频段，另外一种方式是通过为UE及gNB的小区定义可靠性组（RG）来实现。确定UE所属的可靠性分组，可以与核心网S-NSSAI等现有参数关联。对UPF的选择可以基于UE的配置或者不同的DNN的网络配置，也可以关联S-NSSAI等现有参数。还有一个简单的办法就是让不同的UE连接到运营商不同的子网，保证不同UE建立的PDU会话路径独立，这样的并联机制利用网络级别的冗余，从而使得承载业务获得高可用行。

3 在钢铁生产基地的实践

5G网络的低时延、确定性和高可靠性等特点可以赋能钢铁企业生产网络，5G扁平化的网络结构打破传统钢铁信息化5层4连接架构，形成云边端的新型架构，钢企生产网络可大体分为三个连接部分：现场级设备部分、边缘云部分、中央管理/集团私有云。

现场级设备部分指工业现场、生产单元、生产线上的生产设备/机器。I/O执行单元以及传感器通过有线网络连接至PLC，可以采用现场总线、工业以太网、TSN等；I/O执行单元以及传感器也可以采用5G方式承载工业以太或者TSN到PLC，实现柔性的布线，降低有线损耗与组网复杂性。骨干/承载网络可以连接现场设备和集控室/边缘云设备，如分布式的PLC，PLC客户端与服务端之间的通信，中央控制器与边缘云之间的通信。集控室/边缘云提供车间/厂区集中控制管理、统一数据采集管理。

为了支持跨层级数据全连接，5G网络还可以直接打通现场和云化PLC/中央控制器的连接，实现企业集团级别的数据采集和非实时控制。5G网络与钢企生产网络的工控网络融合模式见图5，主要包括以下5种模式。

图5 5G网络与钢企生产网络的工控网络融合模式Fig.5 Integration Mode for Industrial Control Network between 5G Network and Production Network for Iron and Steel Enterprises

（1）5G网络赋能生产线集中控制器与单个机器自身控制器之间的通信（L2C），见图5中A。应用场景如产线自动装配、AGV自动化搬运、传送带、柔性生产等。

（2）5G网络赋能控制器与现场设备I/O模块之间的通信（C2D，C2/IO），见图5中B。应用场景有远程控制，包括铁水/钢水运输、龙门吊远程控制、天车远程控制、堆取料机远程控制，机器人动作控制。

（3）5G网络赋能机器控制器与控制器之间的通信（C2C），见图5中C、D、E。典型应用场景如钢铁厂焦化装煤车、推焦车等四大车远程协同控制、机械臂协同装配、炼铁炼钢集控室应用，或者上述远程控制升级为集中化的无人控制。

（4）5G网络赋能设备与计算平台之间的通信（D2Cmp），见图5中F。设备与云平台、工业互联网平台、数据采集平台等之间的通信，非控制相关的通信，如钢铁行业智能监控系统、设备预测性维护。

（5）5G网络应用于钢企生产网络，可为工业现场设备提供广泛无线网络接入，满足现场设备之间的通信；为工业现场设备和边缘集控室、位于中央管理部分的云化控制器设备提供低时延、高可靠的网络传输；以及现场设备通过5G网络进行数据采集、上云。

面向钢铁厂的5G专网2.0在鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司率先部署完成。该网络具有双频双网接入，核心网园区专属1+1冗余，承载网环网保护，以及工业TSN交换机的双发优收保护等增强特性。5G专网将现场机车的PLC控制器、激光测距仪、摄像头等采集和控制设备安全可靠移动连接到系统集控平台。双频双网的高可靠连接和专属安全的核心网满足平均控制时延≤30 ms，上行带宽≥300 Mbps，可靠性99.99%的网络应用需求。2022年基于该网络的无人铁水运输系统投运后，实现了铁水运输全天候无人化作业，极大改善了作业环境，岗位优化约42%，人身安全事故发生率降为0。提高铁水运输效率的同时，大幅降低铁水运输成本，铁水周转率提升约47%，铁水温降减少约 10℃，助力企业实现绿色、高效、安全生产。

4 结语与展望

目前，基于移动性的远程控制和无人控制通过5G网络+边缘集控方式逐步得到了广泛应用，且取得了较好的效果。鞍钢陆续上线了铁水运输、无人天车、质计无人采样车等场景，满足了时延20 ms和可靠性99.99%的控制要求和视频实时监控。一些数据采集类如动能环传感器数据采集、带钢表检等数据、图片类大数据采集也获得了验证。5G网络的专属设备、信道优化、时间确定性、高可用技术使其具备规模商用的基本条件。但是需要指出的是，在高速控制领域，5G在低时延和低抖动方面还面临很多挑战，特别是1 ms周期的连轧PLC控制，在R16解决空口小于1 ms和100 us抖动基础上，还需要进一步挖掘和优化传输、核心网控制等各个环节。可以想象，5G网络与现场的工业总线、融合网关相结合，与有线网络合理分工，通过云边端的新型架构合理分担计算与控制，一定会为钢铁企业数字化转型和智能化生产创造更好条件。