劉夢(mèng)曉，嚴(yán) 銘，譚 弘

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100；2.九江友信科技有限責(zé)任公司，江西 九江 332100）

1 引言

5G通信技術(shù)作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，具有高帶寬、低時(shí)延、穩(wěn)定性好等優(yōu)秀特性，在無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程診斷及消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品市場(chǎng)均具有廣泛前景。工控系統(tǒng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的核心，一般用于生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控及控制，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延及穩(wěn)定性具有很高的要求。當(dāng)前，隨著中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的實(shí)施，推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高企業(yè)工業(yè)信息化、自動(dòng)化水平，已成為了一個(gè)必然趨勢(shì)。如何將5G通信與工控系統(tǒng)結(jié)合，打造具有高度柔性生產(chǎn)的工業(yè)生產(chǎn)線，推進(jìn)5G+工業(yè)融合，已成為了工控領(lǐng)域的重要課題［1］。

2 企業(yè)工控與5G應(yīng)用現(xiàn)狀

東部某銅礦在5G商業(yè)化伊始，率先在礦山范圍建設(shè)了7座5G基站，實(shí)現(xiàn)了礦山5G公網(wǎng)的全覆蓋。5G基站由通信運(yùn)營(yíng)商和礦山投資共建，基站與采集設(shè)備之間通過(guò)CPE連接。通信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)通5G卡并插入CPE后，配置好相關(guān)APN接入點(diǎn)，通信運(yùn)營(yíng)商基站即可識(shí)別，之后為CPE自動(dòng)分配一個(gè)IP地址，接入運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)中，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)信息共享的需求。數(shù)據(jù)經(jīng)CPE-基站-核心網(wǎng)傳輸。如圖1所示。

圖1 5G通信流程示意圖

該礦區(qū)建有兩座選礦廠，日處理量設(shè)計(jì)7000t/d，采用SAB+浮選+濃密脫水工藝。全流程自動(dòng)化水平較高，建有一套DCS系統(tǒng)及若干下掛子站。DCS采用control-logic1756作為主CPU，wondeware作為上位機(jī)平臺(tái)，子站PLC包括三菱，西門子，施耐德等，目前正逐步統(tǒng)一為西門子1500及1200系列［2］。在尾礦濃密機(jī)子站建有一套加藥系統(tǒng)，可根據(jù)生產(chǎn)工藝定時(shí)、定量自動(dòng)添加絮凝劑等藥劑，加快礦漿沉降。中控室上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控和采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，服務(wù)器和絮凝劑PLC之間交換數(shù)據(jù)基于S7協(xié)議，S7協(xié)議基于TCP/IP實(shí)現(xiàn)依賴于面向塊的ISO傳輸服務(wù)，是西門子開(kāi)發(fā)專門針對(duì)工控復(fù)雜條件下特殊設(shè)計(jì)的專有協(xié)議。

由于中控室距離濃密機(jī)現(xiàn)場(chǎng)距離太遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)需要架設(shè)光纖到中控室機(jī)房。光纖敷設(shè)投資較大，且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間狹小，環(huán)境惡劣。在5G基站建設(shè)并調(diào)試完成后，5G信號(hào)覆蓋已達(dá)全廠?？沙浞掷?G無(wú)線，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與PLC的通信。

但是，由于5G通信網(wǎng)由通信運(yùn)營(yíng)商建設(shè)，數(shù)據(jù)經(jīng)基站需要走運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)。而工控PLC部署在本地局域網(wǎng)中，通常要求為獨(dú)立子網(wǎng)，且為了保證數(shù)據(jù)安全，一般不允許訪問(wèn)外網(wǎng)。如何保障數(shù)據(jù)安全，實(shí)現(xiàn)工控局域網(wǎng)與5G網(wǎng)絡(luò)通信，就成了亟待解決的難題［3］。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度圖

3 工控S7協(xié)議底層分析

S7Comm（S7 Communication）是西門子專有的協(xié)議，是西門子S7通訊協(xié)議簇里的一種。S7協(xié)議被封裝在TPKT和ISO-COTP協(xié)議中，這使得PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）能夠通過(guò)TCP傳送。S7Comm以太網(wǎng)協(xié)議基于OSI模型［4］，如圖3所示。

圖3 S7協(xié)議與七層網(wǎng)絡(luò)模型圖

其中：

第1~4層會(huì)由計(jì)算機(jī)自己完成（操作系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)程序）；

第5層TPKT，應(yīng)用程序數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，介于TCP和COTP協(xié)議之間。這是一個(gè)傳輸服務(wù)協(xié)議，主要用來(lái)在COTP和TCP之間建立橋梁；

第6層COTP，定義于 OSI 7層協(xié)議的位于TCP之上的協(xié)議。COTP 以“Packet” 為基本單位來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，這樣接收方會(huì)得到與發(fā)送方具有相同邊界的數(shù)據(jù)；

第7層，S7 communication，這一層和用戶數(shù)據(jù)相關(guān)，對(duì)PLC數(shù)據(jù)的讀取報(bào)文在這里完成。

圖4 S7協(xié)議封裝示意圖

S7 PDU由三個(gè)主要部分組成：

①頭（Header）：包含長(zhǎng)度信息，PDU參考和消息類型常量；

②參數(shù)（Parameters）：內(nèi)容和結(jié)構(gòu)根據(jù)PDU的消息和功能類型而有很大差異；

③數(shù)據(jù)（Data）：該數(shù)據(jù)是一個(gè)可選字段來(lái)攜帶數(shù)據(jù)，例如存儲(chǔ)器值，塊代碼，固件數(shù)據(jù)等。在具體的報(bào)文中，TPKT的作用是包含用戶協(xié)議（5~7層）的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)），COTP的作用是定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝唬ㄔ赟7Comm中 PDU TYPE：DT data）。

由此可以得出，S7協(xié)議也是基于TCP/IP封裝，只是在高層協(xié)議上加上了自己獨(dú)有的很多的校驗(yàn)、參數(shù)等報(bào)文，以提高通信的穩(wěn)定性。對(duì)于工程使用的通信要求來(lái)說(shuō)，我們不需要關(guān)心上層S7 PDU的具體實(shí)現(xiàn)，只需要實(shí)現(xiàn)底層TCP/IP連接［5］。上層協(xié)議由上位機(jī)驅(qū)動(dòng)解析后，即可自動(dòng)識(shí)別底層PLC傳輸數(shù)據(jù)。

4 5G+MEC應(yīng)用

邊緣計(jì)算是一種分布式計(jì)算，在網(wǎng)絡(luò)邊緣的智能網(wǎng)關(guān)就近采集數(shù)據(jù)并處理，而不需要將大量數(shù)據(jù)傳送到中心的核心平臺(tái)。在5G通信領(lǐng)域，相應(yīng)的提出了MEC的商業(yè)概念［6］，目標(biāo)構(gòu)建5G專網(wǎng)運(yùn)用。如圖5所示。在企業(yè)內(nèi)部加裝MEC設(shè)備后，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)直接在企業(yè)內(nèi)部分流，避免了流量迂回，也實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)+企業(yè)局域網(wǎng)的融通。

MEC解決方案主要由UPF、硬件、MEP和APP四部分。企業(yè)部署MEC后，可直接在本地實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的管理。流量卡接入CPE后，數(shù)據(jù)無(wú)需進(jìn)入運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)分配公網(wǎng)IP地址，通過(guò)MEC的本地分流能力，在本地MEC設(shè)備完成私網(wǎng)IP地址分配，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)業(yè)務(wù)在內(nèi)部閉環(huán)。MEC與礦區(qū)局域網(wǎng)直連，減少了到中心的傳輸，進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，同時(shí)也避免搶占出口核心網(wǎng)帶寬資源［7］。

通過(guò)對(duì)企業(yè)內(nèi)部機(jī)房和網(wǎng)絡(luò)的改造后，礦內(nèi)局域網(wǎng)部署了MEC解決方案的硬件設(shè)施，礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)作為局域網(wǎng)，通過(guò)局域網(wǎng)上層路由器上配置的路由地址表，實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)與礦區(qū)局域網(wǎng)直連互通。對(duì)于流量卡計(jì)費(fèi)、管理等部分對(duì)外數(shù)據(jù)，通過(guò)路由器接入運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)進(jìn)行管理，其他業(yè)務(wù)都可做到數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，在內(nèi)網(wǎng)直接交互。工控網(wǎng)作為礦區(qū)業(yè)務(wù)子平臺(tái)，與局域網(wǎng)通過(guò)工控網(wǎng)防火墻上配置的路由地址表，實(shí)現(xiàn)工控網(wǎng)與辦公局域網(wǎng)互通，接下來(lái)只需要通過(guò)礦局域網(wǎng)的中轉(zhuǎn)，5G網(wǎng)絡(luò)與工控網(wǎng)即可互通。對(duì)其整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 MEC網(wǎng)絡(luò)

5 GRE隧道技術(shù)

通過(guò)5G+MEC，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)與礦區(qū)局域網(wǎng)的互通。在測(cè)試工作中，5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)與PLC通過(guò)網(wǎng)線直接相連，工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為CPE設(shè)備，裝上運(yùn)營(yíng)商5G流量卡接入5G基站，通過(guò)MEC進(jìn)行私網(wǎng)IP地址分配（172.16網(wǎng)段），數(shù)據(jù)通信交換直接在本地局域網(wǎng)完成。PLC可以對(duì)上找到工控網(wǎng)192.168上位機(jī)，證明網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)互通。但是由于5G+MEC建立自己的局域內(nèi)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)及PLC不能與礦區(qū)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段直接通信，上位機(jī)不能找到PLC。如何解決PLC與上位機(jī)之間跨網(wǎng)段通信，成為了網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵。

隧道技術(shù)（Tunnel）是使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)讓跨越Internet的網(wǎng)絡(luò)模擬出專線連接的效果，也是當(dāng)前很常見(jiàn)的VPN（Virtual Private Network）技術(shù)。隧道技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)方式，也就存在多種隧道協(xié)議。GRE是一種最傳統(tǒng)的隧道協(xié)議，GRE在兩個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)之間模擬出直連鏈路，從而使網(wǎng)絡(luò)間達(dá)到直連的效果［8］。隧道是模擬鏈路，所以隧道兩端也有IP地址，但隧道需要在公網(wǎng)中找到起點(diǎn)和終點(diǎn)，所以隧道的源和終點(diǎn)分別都以公網(wǎng)IP地址結(jié)尾，該鏈路是通過(guò)GRE協(xié)議來(lái)完成的，隧道傳遞數(shù)據(jù)包的過(guò)程分為3步。

圖7 GRE隧道協(xié)議封裝示意圖

①接收原始IP數(shù)據(jù)包當(dāng)作乘客協(xié)議，原始IP數(shù)據(jù)包包頭的IP地址為私有IP地址；

②將原始IP數(shù)據(jù)包封裝進(jìn)GRE協(xié)議，GRE協(xié)議稱為封裝協(xié)議（Encapsulation Protocol），封裝的包頭IP地址為虛擬直連鏈路兩端的IP地址；

③將整個(gè)GRE數(shù)據(jù)包當(dāng)作數(shù)據(jù)，在外層封裝公網(wǎng)IP包頭，也就是隧道的起源和終點(diǎn)，從而路由到隧道終點(diǎn)。

圖8 隧道實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

對(duì)于礦區(qū)來(lái)說(shuō)，隧道兩端分別為礦區(qū)局域網(wǎng)與5G采集工業(yè)網(wǎng)關(guān)，所以需在局域網(wǎng)三層交換機(jī)上建立Tunnel隧道，并在隧道上增加靜態(tài)路由，指向工業(yè)網(wǎng)關(guān)地址，對(duì)于5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)亦然。具體配置示意圖如下：

圖9 核心交換機(jī)配置圖

圖10 5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)配置圖

在網(wǎng)絡(luò)配置完成后，理論上已經(jīng)打通了5G網(wǎng)絡(luò)與工控局域網(wǎng)的通信互通，在服務(wù)器商ping交換機(jī)地址后發(fā)現(xiàn)如下圖所示，可以看出網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功建立連接，時(shí)延也控制在10ms以內(nèi)，完全達(dá)到了工控所要求的通信質(zhì)量?jī)?nèi)。

圖11 工控網(wǎng)與5G網(wǎng)ping圖

上位機(jī)IP地址為192.168網(wǎng)段，在PLC編程軟件里設(shè)置對(duì)端PLC地址，IP地址為172.16網(wǎng)段。通過(guò)編程軟件的程序監(jiān)控，可以發(fā)現(xiàn)在不同網(wǎng)段的PLC與本機(jī)成功建立了連接。

圖12 局域網(wǎng)服務(wù)器監(jiān)控5G網(wǎng)PLC示意圖

5 總結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的改造及配置后，PLC與5G網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了直連互通，且繞過(guò)了工業(yè)協(xié)議之間復(fù)雜的解析，在TCP/IP之間實(shí)現(xiàn)了底層的互通。加入了MEC邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備后，數(shù)據(jù)不需經(jīng)過(guò)移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)，數(shù)據(jù)的時(shí)延進(jìn)一步降低。另外，數(shù)據(jù)在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)互通，可以做到數(shù)據(jù)不出園區(qū)，極大的保證了數(shù)據(jù)的安全性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，覆蓋5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后，可以取代大量復(fù)雜惡劣條件下敷設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)的要求，對(duì)企業(yè)的通信投資及網(wǎng)絡(luò)安全不失為一個(gè)更加優(yōu)越的替代選擇［9］。

5G網(wǎng)絡(luò)擁有低時(shí)延、高帶寬的應(yīng)用特性，天然適用于具有極高通信要求的工業(yè)控制網(wǎng)。在5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代即將大規(guī)模商業(yè)的浪潮下，推進(jìn)5G+工業(yè)融合的應(yīng)用落地，可大幅提高傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的信息化水平，既是大勢(shì)所趨，也是企業(yè)發(fā)展的需要。本文實(shí)現(xiàn)了工控系統(tǒng)中重要的控制中樞PLC與5G網(wǎng)絡(luò)通信，對(duì)工控開(kāi)發(fā)提供了一定的借鑒意義。