黄震宁：面向新型工业化的5G工业算网技术

面向新型工业化的5G工业算网技术 中国移动研究院黄震宁2023年11月 2021年以来，国家工业互联网政策密集发布，总体呈体系化、持续增强的特点，工业互联网已成为推进新型工业化的新型基础设施 2021.1 《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023）》围绕新基建、融合应用、技术创新等方面形成11大项44项具体行动方案 2022.8 《5G全连接工厂建设指南》 明确通过基础设施建设、厂区现场升级等4大项14小项建设内容推动5G融合应用纵深发展 2023.6 《工业互联网专项工作组2023工作计划》 深化“5G+工业互联网”发展，打造5G工厂 2022.1 《“十四五”数字经济发展规划》明确到2025年，数字经济核心产业增加值占国内生产总值比重达到10% 2022.10 党的二十大报告 国家重大战略 •二十大报告制定主要目标：到二〇三五年，基本实现新型工业化 •习近平书记重要指示：以中国式现代化全面推进强国 建设、民族复兴伟业，实现新型工业化是关键任务 工信部具体政策 •相关政策：《“5G+工业互联网”512工程推进方案》、《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023 年）》、《工业互联网专项工作组2023年工作计划》 推进新型工业化，加快建设制造强国、网络强国、数字中国 2023.9 推进新型工业化重要指示 建设制造强国需要同发展数字经济、产业信息化等有机结合 中国移动发展路径 •发展路径：从辅助生产到融入生产再到改变生产 •具体举措：推进5G等新一代信息通信技术的创新发展， 为行业数智化转型构建数字基础设施底座 深耕典型场景，行业规模复制呈“燎原之势” 第六届绽放杯全国总决赛中获一等奖10个（工业6个），共有157个（工业67个）项目获奖，获奖项目总数及一等奖数量均为业界第一 智慧产业园区 落地30+家覆盖17省 智慧冶金 18家A+钢铁企业已合作14家 智慧港口 全国前十 集装箱港口全落地 智慧工厂 落地3000+家中小企>80% 智慧电力 2大电网深度合作 签约项目500+ 智慧矿山 落地400+座覆盖26省 在5G+工业互联网领域，中国移动提出从辅助生产到融入生产再到改变生产的发展路径，全面推进5G赋能数智工厂高质量发展 5G下矿井、进工厂、入海港,与行业深度融合实现多个“行业领跑” 井下919米5G网络@安徽 接入电力5G终端7000+@山东 覆盖6省40厂区5G专网@福建、江苏等 38台5G无人集卡@广东 5G+AR助推复产复工@湖南 极寒（零下50℃）无人驾驶 @内蒙 5G扫除地震仪线缆束缚@南京 丰顺电声产业集群平台@广东 全国最大电声产业集群 全球首个 5G智慧油气勘探 全国首个极寒无人矿卡 全国首个5G跨国装配 全国最大 5G自动驾驶港口 全国首套省域5G电网 全国最深5G矿井 全国最大跨省5G专网 工业企业的标准分层ISA-95（企业系统与控制系统集成国际标准）架构中，其中下三层被称为工业控制系统（即OT系统），是生产现场和上层企业信息系统数据信息流转的关键节点，同时也是当前工业控制生态的核心。 IT网络 SCM PL M 办公网 ERP CR M 园区级 网络防火墙 MES生产网 车间级 OT网络 工业防火墙 SCADA HMI（人机 工业以太网/无线网（数据采集 界面接口）络 与监视控制） PLC（可编 现场总线/工业以DCS/FSC 产线级 程控制器） 太网/无线网络 （过程控制系统/分散控制系统） 机器1机器2机器3 工业边缘控制器 集成PLC控制、视觉分析等能力，将产线多设备控制能力集中部署，各大工控厂商西门子、罗克韦尔、倍福、三菱等的主推产品 工业以太 某新能源汽车动力总成工厂 工业以太 以某一台设备的PLC作为主站即主PLC，其他设备的PLC作为从站即从PLC，主站负责协调不同从站设备的协调动作 从站设备一般是产线某个工序的不同设备，工艺上设备间具有强耦合性，如机床和上下料机械手间 集中+分布部署 主PLC 设备A从PLC1 设备B从PLC2 设备C设备D从PLC3从PLC4 集中式部署 设备A远程IO站视觉检测 设备B远程IO站伺服站 设备C 在当前的工业控制现场主要有两种部署方式，小集中式和集中+分布式，小集中式指产线上小范围的控制集中化，以边缘控制器为核心，集中+分布式指单产线多工位间的1主多从式控制，主站负责不同从站间的协调和数据传递。 远程IO站 现场设备上不部署PLC，只部署 跟执行机构、传感器互联的IO站、伺服站等 工业业务可划分为强实时、弱实时、非实时业务，通常强实时业务(运动控制、高精协同控制等)一般部署在产线设备控制器上，弱实时性业务(主从PLC控制、远程遥控等)部署在车间/园区侧，非实时性业务(数采、IT)部署在园区侧 业务类型 场景大类 应用场景 场景描述 细分行业 工控能力 通信要求 部署 强实时性业务 高精伺服运动运动、逻辑控制 柔性产线运动控制 工厂柔性生产中根据要求快速重构、配置，实时控制、数据集成和互操作性 高端制造、汽车制造等 工控周期<2ms 通信时延<5ms 端侧产线设备 多轴电机协同控制 运动控制的实时控制管理，多个运动部件协同按照预期运动轨迹和参数动作 高端装备、汽车、轨道交通制造、电子行业等 工控周期<1ms 通信时延<1ms 弱实时性业务 普通IO控制、主从PLC控制 车间巡检机器人控制 定时采集现场图像、声音、温湿度、气体等信息，数字化性存储和报警 钢铁、石化、冶金、矿山、食品、汽车、电子等 无 通信时延<50ms 边侧车间、园区 远程遥控操作 基于控制信号的远距离传输，机器视觉、AI等实现车间/工厂级无人远控 钢铁、石化、汽车、轨交制造等 无 通信时延<20ms 视觉检测控制 利用拍摄图片上传边缘云做视觉质检应用，对比分析检查，设备自动识别 汽车、高端装备、轨道交通制造、电子、钢铁等 无 通信时延<20ms 主从PLC控制 车间主控制器负责多个从控制器的协同和调度，如AGV仓储搬运 汽车、电子、家电、轨交制造、钢铁等 工控周期<10ms 通信时延<50ms 非实时性业务 数据采集 物流系统调度和控制 利用仓库管理系统实现工程的自动控制，进行相应的信息处理 高端装备、汽车、钢铁、电子等 无 通信时延<200ms 边侧车间、园区 生产数据采集和协同分析处理 产品多品种共线混流生产，设备上报生产数据到平台侧，平台根据需求下发不同产品参数 汽车、高端装备、轨道交通、电子、石化、钢铁等 无 信息处理 MES/ERP等IT应用 制造运行系统、生产调度系统 各行业 无 无 边侧园区 工业控制系统因软硬件强捆绑现状导致系统维护成本高、系统集成复杂度高、软件生命周期管理难的问题，工业自动化也逐步在向开放性的方向演进，主要是网络开放性、软硬件开放性、控制系统架构开放性三方面。 工业控制系统现状-软硬件强捆绑 自动化向开放性趋势发展 DCS/PLC系统，从控制器硬件到编程软件，甚至IO都是绑定的，用户一旦选择某个厂商的系统就几乎固定了可用的软硬件、架构和技术路线，这样的系统可靠性稳定性方面会有优势，但缺点和局限性也很显然。 网络开放性 软硬件无法复用，系统维护升级成本高 随着设备的老旧以及生产复杂性的提升，这样的系统在维护和升级时就会面临产品选择上的限制和高昂的成本。如果要向其他PLC/DCS供应商的系统迁移，硬件和软件都不能复用，得重新编程组态，不仅技术上难以实现而且需要高额的投资。 在标准以太网协议上修改的工业以太网给自动化系统带来了更大的开放性。 异构系统互通复杂，研发更新效率低 涉及多个不同控制系统的相互集成时，需要各种协议转换设备，不但增加了企业成本，还使系统集成变得异常复杂，中心控制程序也因此变得庞大冗杂，使系统研发，维护和更新效率低下。 专有控制系统痛点 在运动控制领域，实时工业以太网也开始兴起。工业以太网的应用使得更多的设备更多的系统能够接入控制系统，“一网到底”也因此成为了可能。 工控代码移植性差，软件全生命周期管理难 专有的工业自动化系统无法利用IT技术的进步，专为一个系统而编写的自动化软件应用程序无法在另一个系统上运行，应用代码可移植性不足导致软件创新受阻和投资受损。 近年来，随着TSN的发展，传统工业网络也在向TSN网络转型，多数工业以太网协议已开始支持。 软硬件开放性 90年代，基于PC的控制技术开始兴起，IPC、嵌入式PC开始承担起工业控制器的角色，使得基于Windows或者Linux的工业计算机、甚至商用电脑就可以成为控制器硬件，不依赖硬件厂商； 此外它的操作系统Windows和Linux也很开放，很多IT技术可以在这些“控制器”上直接使用，给自动化控制系统带来了更大的开放性。 控制系统架构开放性 2016年，埃克森美孚公司就通过开放流程自动化论坛 （OPAF）发起了旨在定义“一个开放、安全、基于标准、支持互操作性并适用于多个流程工业的流程控制架构”，即现在由TheOpenGroup组织的O-PAS标准； 通过集成实验室验证OPA的四大关键特性 （互操作性、互换性、组态和应用程序的移植性。 5G架构与确定性能力的深度耦合，可以支持内生确定性服务的一体化供给，提供确定组网、确定通信、确定保障技术满足多层级工业控制业务的承载需求 确定组网确定通信确定保障 I/O I/O UE UE 5GLAN1 PLC 5GCUPF I/O I/O UE UE PLC 5GLAN2 精确路由 AMF/MME PCF/PCRF SMF/PGW-C 公网UPF Internet 公网业务 园区业务 园区业务 基站分流 专网UPF分流 企业内网 系统级容灾保障 链路探测、双路保障 负荷分担系统byPass 网络协同层 信令风暴抑制 链路层 单臂BFD检测跨层联动 容灾保障 虚拟化层 计划性热迁移 双活容灾 网元设备层 功能模块层 灰度升级UPF热备份BBU双核保障RRU冗余覆盖 AMFSMF 运营商大区核心网 NRFPCF UDM N2Ⅹ 生产设备 NⅩ4 UPF+ N2、N4断链后的业务流保持 园区服务器 IO 设备IO 设备 双发UE1 选收UE2 双发 UE3 gNodeB SMFUDM UPF 双发选 L2会话L2隧道DN 选收UE4 收 UPF 双发选收 DN 确定覆盖 确定隔离 指令级准确收发 业务级惯性运行 分档分级的确定带宽保障 灵活时钟源选择与授时 时延抖动有界控制 8 5G在工业中的组网架构、业务性能、标准算力基座、互联互通开放式架构可以天然匹配工业控制系统的部署现状、工业业务需求分布、以及工控系统的演进趋势要求，具备打造基于5G边缘算力一体化基座和5G网关特色产品的可行性。 天然的主从架构，满足工业控制系统集中+分布、小集中化的架构 5G在工业中的组网架构 部署架构 5G基座和工控融合架构 业务性能 5g标准的算力底座和业务性能满足在 5g网关上部署工业强实时性业务，在 5gUPF上部署弱实时性、非实时性业务的要求 工控系统和5G工业控制网络可以内生融合 软硬放开放 网络和架构开放 5g层级南北向、东西向天然的互联互通能力，满足工业架构网络开放性、控制系统架构开放性的要求 5g标准的算力底座，5gUPF/MEC/BBU、 5g网关为工业控制系统提供统一的X86/ARM硬件底座，满足软硬件解耦的要求 边侧：基于5G统一边缘底座的边缘控制器 通过边云融合的优势，提供大带宽、低时延的数据传输能力，突破原有PLC的算力能力限制 提供工业控制和智能化应用的能力，面向工业智能化业务提供包括模型训练、视觉分析、数据分析、机器学习、运行数据采集存储、挖掘处理、分析预测等平台承载能力，实现IT/OT深度融合 MEC UPF/BBU 统一算力边缘底座 5g网关 +PLC 5g网关 5g网关 +PLC 端侧