基于5G基座的新型工业算网控一体化技术白皮书

中国移动研究院中移智库 ChinaMobileCMRI 基于5G基座的 新型工业算网控一体化技术白皮书2023年 发布单位：中移智库 编制单位：中国移动通信研究院 5G PREFACE前言 新型工业化是推进中国式现代化的重要引擎，以5G为代表的新一代信息通信技术为新型工业化的建设和升级提供了关键的数字基础设施底座。5G海阔汇千川，工业风起正扬帆，5G大带宽、低时 延、广覆盖的特性能够冲破传统有线和无线技术的楷，助力和加速工业客户数字化、网络化、智能 化融合升级，为企业转型发展注入新动能，带来新机遇。 工业控制系统是实现工业生产自动化和智能化的关键，也是推动企业数字化转型和提升竞争力的核心。为了更好地推动5G和工业控制系统的深度融合发展，特编写本白皮书，首先分析了传统工业 控制系统面临的挑战和发展趋势，指出了5G与工控融合发展的方向和价值，以打造“确定可靠的 网、多层多样的算、集中协同的控”为核心理念，构建了基于5G基座的新型工业算网控一体化架构和技术体系。针对基座实时性保障、算网控协同管理、工控应用开放部署三大类14项关键技术进行了详细阐述，最后给出了在能源电池组装、空调内机生产、铸件产线协同等方面的应用探索。 依托本白皮书，中国移动希望联合OT、IT、CT等各方合作伙伴，“求同存异、凝心聚力、由点及面”打通5G基座与工业控制系统的融合桥梁，助力5G“融入生产、改变生产”的愿景早日达成。 目录 Contents 01 工业控制系统发展趋势 01 1.1概述- -02 1.2问题和挑战 -04 1.3发展趋势 -05 02 5G和工控系统融合发展方向分析 07 2.1产业界助推工控系统演进趋势 -08 2.25G和工控系统融合发展方向和价值 --09 2.2.15G确定性网络能力融通工控核心环节 -09 2.2.25G多层级基础设施提供多样性算力基座 -09 2.2.35G算控融合平台承裁多元化工控应用 -09 03 基于5G基座的新型工业算网控一体化架构和技术体系 10 3.1算网控一体化架构 -11 3.2核心技术体系 -12 04 基于5G基座的新型工业算网控一体化关键技术 13 4.1基座实时性保障技术 -14 4.1.1虚拟层实时性适配技术 14 4.1.1.1实时拟化融合技术- 14 4.1.1.2实时容器化融合技术 -14 4.1.2数据业务实时性保障技术 -15 4.1.2.1操作系统实时保障技术 15 4.1.2.2应用算力编排技术 15 4.1.2.3通信网络保障技水 -16 4.2算网控协同管理技术 -16 4.2.1网控协同技术 16 4.2.2算控协同技术 4.2.2.1工控应用资酒测度技术4.2.2.2工控应用资源隔离技术 1617 4.2.3算网控协同技术 17 4.3工控应用开放部署技术 -18 4.3.1工控应用适配技术 18 4.3.1.1开放自动化技术 18 4.3.1.2组态便捷识别技术， 19 4.3.2系统接口适配技术 19 4.3.2.1通讯接口适配技术 19 4.3.2.2摄作系统适配技术 20 4.3.3应用跨系统通信技术 05基于5G基座的新型工业算网控一体化应用探索 21 5.1基于5G工业网关的电池组装线控制系统 22 5.2基于5G工业基站的空调内机生产线控制系统 -22 5.3基于5G工业UPF的铸件产线协同控制系统 --24 总结与展望 25 缩略语列表 27 联合编制单位 29 参考文献 30 工业控制系统 01发展趋势 1.1概述 工业控制系统是实现工业生产过程自动化和智能化的关键，也是推动企业数字化转型和提升竞争力的核心，已广泛应用于电力、食品包装、装备加工、航空航天、交通运输、汽车制造等工业领域，是支撑起国计民生的关键基础设施[1]。 在工业企业的标准分层ISA-95架构中，定义了企业IT系统与控制系统集成的标准，包括5个层 次，从下到上依次为物理设备层、现场控制层、过程监控层、生产管理层、运营决策层，其中下三 层整体被称为工业控制系统（即OT系统）；同时现场控制层是工控系统的核心层，以PLC（可编程 这辑控制器）为主，是运行自动化控制的关键设备，是生产现场和上层企业信息系统数据流转的关 键节点，同时也是当前工业控制生态的核心。 运营决策层TT域（信息管理系统) ERP管理层+企业层 生产管理层 MES OPC,Modbus, 过程监控层 SCADA 工业以太协议（Profinet OT域(工业控制系统) 现场控制层设备层+控制层+监控层 PLC . 业总线 物理设备层 10、伺服、变源 ISA-95企业系统与制系统集成标准 图1ISA-95企业和控制系统自动化金字塔 （1）工业控制系统的部署架构 当前现场控制层与物理设备层的部署方式按大类可分为集中式、集中+分布式两种，集中式是 以边缘控制器和远程IO站组合为核心，实现产线上小范围的集中化控制，集中+分布式是以主从PLC协同为核心，实现产线多工位间的一主多从式控制，主站PLC负责不同从站PLC之间的协调控制和数据传递。 基于5G基压的新型工业算网控一体化技术白皮卡02 集中+分布部署 主PLC MPLE2MPRCSMPIC4 集中式部署 工业动维控制器 图2工业控制部署方式 (2)工业控制业务的分类 在工业生产现场，根据业务场景可划分为强实时性、弱实时性和非实时性三大类业务。在部署位置上，强实时性业务（如运动控制、高精协同控制等）通常部署在产线设备控制器上，弱实时性业务（如主从PLC控制、远程遥控等）一般部署在车间/工厂侧边缘基座上，非实时性业务（数采、智能化等）一般部署在工厂侧边缘或企业云基座上，三类业务场景区别如下表所示， 业务类型 场景大类 应用场景 场景措注 细分行业 工控能力 通信要求 强实时性 高琦何服 柔性产线 工厂柔性生产中根据要求快速 高带制造、汽 工控用明 通信时还 端侧 运动控制多电机 重构、配置，实时控制、数据 集成和互提作性 运动控制的实时控制管理，多 车制造等高端装备，汽 <2ms工控用期 <8ms 产线设 通信时延 协同控制 个运动部件物同按照预期运动 车、勃道交通 <1ms <2ms 轨述和参数动作 制造，电子行 业等 运动控 业务制、硬辑控制 03基于5G基率的新型工业幕网控一体化技术白皮书 实时性 业务 生产数据产品多品和共线混流生产，设汽车、高端装无 采集和协备上按生产数掘到平台侧，平备、轨道交通、 同分析处台根据需求下发不同产品参数电子、石化、 钢铁等 边侧 电子等 运程遥控 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 通他时适 <50ms 普涵IO 控制、主 车间巡险机器人控 定时采集现场圣像、声音、湿 湿度、气体等信息，数字化性 铜铁、石化、治金、矿山、 无 通信时延<50ms 从PLC控 制 存储和报管 食品、汽车、 车间/工 视览检测 利用泊摄图片上传达缘云做视， 汽车、高端装 无通信时能 控制 觉质检应用，对比分析检查， 备、轨道交通 <100ms 设备白动识别 制洁、电子、钢钱等 主从PLC 车间主控制器负责多个从控礼 汽车、电子、 工控周期涵信时延 控利 器的协月和调度，如AGV仓 家电、勃交制 ≤10ms≤50ms 销股运 造、钢铁等 非实时性 数据采集 利用仓库管理系统实现工程的 高端装备、汽 无涵他时通 边侧 业务 调魔和控 制 自动控我，进行相应的信息处 理 车、钢洗、电子等 <500ms 车间/工 厂 厂 11.2问题和挑战 传统工业控制系统往往是专有实现，例如PLC工控系统，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；同时工业以太网、工业总线等类型的工控协议，存在着“七国八制”的现状，数据开放度低，并且已使用的现场级工控系统产品年代久远，技术已不适应企业数智化转型需求，存在一定的局限和挑战： （1）软硬件无法复用，系统维护升级成本高 随君设备的者以及生产复杂性的提升，传统封团那定的系统在维护和升级时可能会面临产品 选择上的限制和高昂的成本。如果要向其他工控供应商的系统迁移，硬件和软件都不能复用，且需要重新编程组态和适配，额外增加了技术实施难度，带来高品的投资， 基于5G基率的新草工业费网控一体化授术白皮书04 2）不同系统互通复杂，研发更新效率低 生产现场不同设备由于供应商不同通常采用不同的工控通信协议，产生大量信息孤岛，因此涉及多个不同控制系统的相互集成时，需要各种工业协议转换设备，不但增加了企业成本，还使系统集成和架构组成变得异常复杂，集中化的控制程序也因此变得庞大几杂，使系统研发、维护和更新 效率低下，同时IT、OT间存在系统鸿沟导致IT、OT融合较难 （3）控制核心算力受限，智能化应用落地难 随若大数据、云计算等技术在工业领域的应用发展，在ISA-95金字塔中，企业资源层、生产管理层，如ERP、MES系统等开始逐渐云化，不再以垂直的烟窗体系存在，而是立足于海量大数据进行制造分析、生产计划制定等，同时视觉检测、AR/VR巡检、数据分析、预测性维护等应用也对现场算力提出新的要求。智能制造的发展，正在驱动上层的算力扩张，PLC控制层难以满足“算力向下沉、数据向上传”的需求， （4）工控代码移植性差，软件全生命周期管理难 传统的工业自动化系统无法利用ICT新技术优势，特定系统的专用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，同时阻碍企业的自主创新能力。 11.3发展趋势 工业控制的发展历经了从工业2.0->工业3.0->工业4.0，工业生产逐步从电气化、自动化问智能 化时代发展；首先，随若处理器的送代发展，单控制器设备内集成的功能越来越多，工业人工智能逐步发展成标配：其次，全球化的生产和分工合作，使得工控系统必须具备自组织、自优化的功能；同时，互联网技术、通信技术与工业自动化技术的融合，使得工控系统全球互联成为可能。可以预见，工业控制自动化技术正在向网络化、开放化、集中化和智能化方向发展，助力新型工业控 制系统的演进孵化[2]. 05基于5G基理的新型工业算网控一体化技术自变书 控制能力 (1985年) 边练计算租念出限 (2006年) 计算幕机出观 (19469) PLCA （1969年） DCSa (1975年) DCS/PLC 现场总线 SG,OPCUAwerTSN,Deth 6232达R(-100Mbps) 棋彩单国路监督控制 模烈监测收责敢字/买 数字/模账 G1限E总线-10M ProfinetPOWERUNRhemet/P,EbwCAT.. 仅表状态 报回路运行 投设程运行 过程优化 量控一体 20性纪30年代 40年代 50年代60年代 70-80年代 90年f 21世纪 工业2.0 工业3.0 工业4.0 图3工业控制系统演进历程 （1）网络化：在IT/OT融合系统下需要使用广泛和统一的业务数据，所以需要消除传统工控系 统中的大量信息孤岛。随着智能制造的发展，设备联网需求骤增，工厂需要一种即播即用、易部署 的网络连接解决方案，实现设备间快速连接和相互通信的需求，IT网络和OT网络的分界将逐步消失，不断走向融合。 （2）开放化：工控体系需从传统的封闭态走向开放态，突破七国八制的工业协议“壁垒”，解 决工控领域互联互通困难的问题。开放化要求工控领域能够基于一套开放/开源的工业通信协议，让 所有产业链上的企业加入到开放开源的生态中，大家共享生态开放的红利；同时，开放化系统需保证工控应用程序可以跨平台部署执行，系统可以模块化建模、高效集成，设备间具备良好的协同和互操作能力， （3）集中化：视觉检测、AI分析、协同控制等新兴业务逐渐在工业生产中大量应用，传统的PLC算力已不足以支撑业务的拓展，融合强算力、多业务、广连接的新型边缘控制器逐渐受到客户的青；集中化要求能