基于5G網絡的工控PLC通信實現方法

劉夢曉，嚴 銘，譚 弘

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

1 引言

5G通信技術作為新一代移動通信技術，具有高帶寬、低時延、穩定性好等優秀特性，在無人駕駛、遠程診斷及消費級電子產品市場均具有廣泛前景。工控系統是國民經濟生產的核心，一般用于生產過程監控及控制，對數據傳輸的時延及穩定性具有很高的要求。當前，隨著中國制造2025戰略的實施，推進傳統產業轉型升級，提高企業工業信息化、自動化水平，已成為了一個必然趨勢。如何將5G通信與工控系統結合，打造具有高度柔性生產的工業生產線，推進5G+工業融合，已成為了工控領域的重要課題［1］。

2 企業工控與5G應用現狀

東部某銅礦在5G商業化伊始，率先在礦山范圍建設了7座5G基站，實現了礦山5G公網的全覆蓋。5G基站由通信運營商和礦山投資共建，基站與采集設備之間通過CPE連接。通信運營商開通5G卡并插入CPE后，配置好相關APN接入點，通信運營商基站即可識別，之后為CPE自動分配一個IP地址，接入運營商核心網中，進而可以實現互聯網信息共享的需求。數據經CPE-基站-核心網傳輸。如圖1所示。

圖1 5G通信流程示意圖

該礦區建有兩座選礦廠，日處理量設計7000t/d，采用SAB+浮選+濃密脫水工藝。全流程自動化水平較高，建有一套DCS系統及若干下掛子站。DCS采用control-logic1756作為主CPU，wondeware作為上位機平臺，子站PLC包括三菱，西門子，施耐德等，目前正逐步統一為西門子1500及1200系列［2］。在尾礦濃密機子站建有一套加藥系統，可根據生產工藝定時、定量自動添加絮凝劑等藥劑，加快礦漿沉降。中控室上位機系統監控和采集生產現場數據，服務器和絮凝劑PLC之間交換數據基于S7協議，S7協議基于TCP/IP實現依賴于面向塊的ISO傳輸服務，是西門子開發專門針對工控復雜條件下特殊設計的專有協議。

由于中控室距離濃密機現場距離太遠，現場需要架設光纖到中控室機房。光纖敷設投資較大，且現場作業空間狹小，環境惡劣。在5G基站建設并調試完成后，5G信號覆蓋已達全廠。可充分利用5G無線，實現服務器與PLC的通信。

但是，由于5G通信網由通信運營商建設，數據經基站需要走運營商核心網。而工控PLC部署在本地局域網中，通常要求為獨立子網，且為了保證數據安全，一般不允許訪問外網。如何保障數據安全，實現工控局域網與5G網絡通信，就成了亟待解決的難題［3］。

圖2 5G網絡信號覆蓋強度圖

3 工控S7協議底層分析

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

圖3 S7協議與七層網絡模型圖

其中：

第1~4層會由計算機自己完成（操作系統底層驅動程序）；

第5層TPKT，應用程序數據傳輸協議，介于TCP和COTP協議之間。這是一個傳輸服務協議，主要用來在COTP和TCP之間建立橋梁；

第6層COTP，定義于 OSI 7層協議的位于TCP之上的協議。COTP 以“Packet” 為基本單位來傳輸數據，這樣接收方會得到與發送方具有相同邊界的數據；

第7層，S7 communication，這一層和用戶數據相關，對PLC數據的讀取報文在這里完成。

圖4 S7協議封裝示意圖

S7 PDU由三個主要部分組成：

①頭（Header）：包含長度信息，PDU參考和消息類型常量；

②參數（Parameters）：內容和結構根據PDU的消息和功能類型而有很大差異；

③數據（Data）：該數據是一個可選字段來攜帶數據，例如存儲器值，塊代碼，固件數據等。在具體的報文中，TPKT的作用是包含用戶協議（5~7層）的數據長度（字節數），COTP的作用是定義了數據傳輸的基本單位（在S7Comm中 PDU TYPE：DT data）。

由此可以得出，S7協議也是基于TCP/IP封裝，只是在高層協議上加上了自己獨有的很多的校驗、參數等報文，以提高通信的穩定性。對于工程使用的通信要求來說，我們不需要關心上層S7 PDU的具體實現，只需要實現底層TCP/IP連接［5］。上層協議由上位機驅動解析后，即可自動識別底層PLC傳輸數據。

4 5G+MEC應用

邊緣計算是一種分布式計算，在網絡邊緣的智能網關就近采集數據并處理，而不需要將大量數據傳送到中心的核心平臺。在5G通信領域，相應的提出了MEC的商業概念［6］，目標構建5G專網運用。如圖5所示。在企業內部加裝MEC設備后，通過5G網絡傳輸的數據直接在企業內部分流，避免了流量迂回，也實現了5G網+企業局域網的融通。

MEC解決方案主要由UPF、硬件、MEP和APP四部分。企業部署MEC后，可直接在本地實現5G網絡終端設備的管理。流量卡接入CPE后，數據無需進入運營商核心網分配公網IP地址，通過MEC的本地分流能力，在本地MEC設備完成私網IP地址分配，實現礦區業務在內部閉環。MEC與礦區局域網直連，減少了到中心的傳輸，進一步降低網絡時延，同時也避免搶占出口核心網帶寬資源［7］。

通過對企業內部機房和網絡的改造后，礦內局域網部署了MEC解決方案的硬件設施，礦區網絡作為局域網，通過局域網上層路由器上配置的路由地址表，實現了5G網絡與礦區局域網直連互通。對于流量卡計費、管理等部分對外數據，通過路由器接入運營商核心網進行管理，其他業務都可做到數據不出礦區，在內網直接交互。工控網作為礦區業務子平臺，與局域網通過工控網防火墻上配置的路由地址表，實現工控網與辦公局域網互通，接下來只需要通過礦局域網的中轉，5G網絡與工控網即可互通。對其整體網絡結構如圖6所示。

圖6 MEC網絡

5 GRE隧道技術

通過5G+MEC，實現5G網絡與礦區局域網的互通。在測試工作中，5G工業網關與PLC通過網線直接相連，工業網關作為CPE設備，裝上運營商5G流量卡接入5G基站，通過MEC進行私網IP地址分配（172.16網段），數據通信交換直接在本地局域網完成。PLC可以對上找到工控網192.168上位機，證明網絡已實現互通。但是由于5G+MEC建立自己的局域內網，網關及PLC不能與礦區局域網實現跨網段直接通信，上位機不能找到PLC。如何解決PLC與上位機之間跨網段通信，成為了網絡通信的關鍵。

隧道技術（Tunnel）是使用網絡技術讓跨越Internet的網絡模擬出專線連接的效果，也是當前很常見的VPN（Virtual Private Network）技術。隧道技術有多種實現方式，也就存在多種隧道協議。GRE是一種最傳統的隧道協議，GRE在兩個遠程網絡之間模擬出直連鏈路，從而使網絡間達到直連的效果［8］。隧道是模擬鏈路，所以隧道兩端也有IP地址，但隧道需要在公網中找到起點和終點，所以隧道的源和終點分別都以公網IP地址結尾，該鏈路是通過GRE協議來完成的，隧道傳遞數據包的過程分為3步。

圖7 GRE隧道協議封裝示意圖

①接收原始IP數據包當作乘客協議，原始IP數據包包頭的IP地址為私有IP地址；

②將原始IP數據包封裝進GRE協議，GRE協議稱為封裝協議（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GRE數據包當作數據，在外層封裝公網IP包頭，也就是隧道的起源和終點，從而路由到隧道終點。

圖8 隧道實現網絡圖

對于礦區來說，隧道兩端分別為礦區局域網與5G采集工業網關，所以需在局域網三層交換機上建立Tunnel隧道，并在隧道上增加靜態路由，指向工業網關地址，對于5G工業網關來說亦然。具體配置示意圖如下：

圖9 核心交換機配置圖

圖10 5G工業網關配置圖

在網絡配置完成后，理論上已經打通了5G網絡與工控局域網的通信互通，在服務器商ping交換機地址后發現如下圖所示，可以看出網絡已經成功建立連接，時延也控制在10ms以內，完全達到了工控所要求的通信質量內。

圖11 工控網與5G網ping圖

上位機IP地址為192.168網段，在PLC編程軟件里設置對端PLC地址，IP地址為172.16網段。通過編程軟件的程序監控，可以發現在不同網段的PLC與本機成功建立了連接。

圖12 局域網服務器監控5G網PLC示意圖

5 總結與展望

經過對網絡相關的改造及配置后，PLC與5G網絡之間實現了直連互通，且繞過了工業協議之間復雜的解析，在TCP/IP之間實現了底層的互通。加入了MEC邊緣網絡設備后，數據不需經過移動5G網絡核心網，數據的時延進一步降低。另外，數據在企業局域網內互通，可以做到數據不出園區，極大的保證了數據的安全性。從長遠角度看，覆蓋5G網絡信號后，可以取代大量復雜惡劣條件下敷設光纖網絡的要求，對企業的通信投資及網絡安全不失為一個更加優越的替代選擇［9］。

5G網絡擁有低時延、高帶寬的應用特性，天然適用于具有極高通信要求的工業控制網。在5G網絡時代即將大規模商業的浪潮下，推進5G+工業融合的應用落地，可大幅提高傳統工業企業的信息化水平，既是大勢所趨，也是企業發展的需要。本文實現了工控系統中重要的控制中樞PLC與5G網絡通信，對工控開發提供了一定的借鑒意義。