彭伟杰：基于5G基座的新型工业算网控一体化系统

中国移动研究院彭伟杰 工业控制系统的发展现状 工业控制系统是推动企业数字化转型和提升竞争力的核心，在电力、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已被广泛应用 工业控制系统的部署结构 ISA-95企业系统与控制系统集成标准 IT域(信息管理系统) 某新能源汽车动力总成工厂 集中+分布部署 主PLC 工业以太 运营决策层ERP 管理层+企业层 设备A从PLC1 设备B从PLC2 设备C从PLC3 设备D从PLC4 生产管理层MES OPC，Modbus，... 过程监控层 OT域(工业控制系统) 集中式部署 工业边缘控制器 工业 以太 SCADA OPC，Modbus，... 现场控制层PLC 工业以太协议（Profinet,EtherCAT...），工业总线 物理设备层 设备层+控制层+监控层 工业控制业务的分类 设备A远程IO站视觉检测 设备B远程IO站伺服站 设备C远程IO站 IO、伺服、变频... 场景大类部署位置 现场控制层是工控系统的核心层，以PLC为主，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。 强实时性业务弱实时性业务非实时性业务 运动控制、高精协同控制主从PLC控制、远程遥控数采、智能化 产线设备控制器车间/工厂侧边缘基座 工厂侧边缘或企业云基座 工业控制系统面临的挑战及发展趋势 现有工控系统面临软硬件复用难、异构系统互通难、代码移植难等问题，在企业数智化转型中存在局限和挑战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 工控系统的问题和挑战工控系统的发展趋势 软硬件复用难系统升级成本高 异构系统互通难研发效率低 控制算力不足 代码移植性差 智能应用落地难软件生命周期管理难 •工控系统异厂• 家升级，硬件和软件都不能复用 •重新编程组态，额外增加投资和技术实施难 度 异构系统间需 协议转换，增加成本和系统复杂度，导致系统研发维护效率低 IT、OT间存 鸿沟，融合难 • • • 视觉检测等应 用对现场算力提出新的要求智能制造的发展，正在驱动上层算力的差异化需求和扩张 •传统的工业自 动化系统无法利用ICT新技术优势； •工控软件移植性差，阻碍企业的自主创新 能力 控制能力 计算机出现 （1946年） 基于PC的控制器 （1985年） DCS出现 （1975年） PLC出现 （1969年） 边缘计算概念出现 （2006年） 工业以太网 •网络化 •开放化 •集中化 •智能化 随着计算能力出现，将工控从模拟带入数字时代 DCS/PLC 现场总线 数字 G3.5G和确定性网络时代(Gbps) 数字5G,OPCUAoverTSN,DetNet... 模拟单回路 设定值控制/直接数字控制 监督控制 数字/模拟 G2.实时以太网时代(~100Mbps)Profinet,POWERLINK,Ethernet/IP,EtherCAT... 模拟监测仪表 反馈控制器 模拟 数字/模拟 数字/模拟 G1.现场总线时代(~10Mbps) Profibus,Modbus,CANopen,DeviceNet,ControlNet,DataHighWay... 模拟 仪表状态按回路运行按过程运行 G0.串行通信(kbps) RS232,RS485 离散IO连接 过程优化管控一体 20世纪30年代40年代50年代60年代 工业2.0 70-80年代90年代 工业3.0 21世纪 工业4.0 5G与工控系统融合的价值 确定性的网络、多层级算力设施、多元化融合平台，助力5G与工业控制系统融合发展 产业主推工控系统演进趋势5G赋能工控系统三大价值 行业设备 云平台 行业应用 网络 OT产业界：以PLC软硬件解耦和开放化协议促进新共识 运营商/专网 行业设备 行业应用 云平台 CT设备 IT产业界：以边缘实时计算技术为抓手赋能新控制 行业设备 行业应用 运营商/专网 算力设施 CT设备 CT产业界：以5G+工业互联网为契机探索新机遇 确定性网络能力融通工控核心环节 1 一网多用：业务隔离、带宽保障、数据安全多能供给 确定可靠：分组通信、有界时延、超高可靠满足严苛需求 多层级基础设施提供多样性算力基座 2 端侧接入：设备接入5G网络的中介，提供多样接入 边侧多能：在网络接入的技术上，融合提供高性能的计算和存储 云侧拓展：虚拟化的计算、存储和数据资源，扩展边端计算和存储能力 3 算控融合平台承载多元化工控应用 多元融合：强实时、弱实时、大算力应用的融合便捷管理：业务灵活部署、跨层交互以及协同调度 现场控制器 边缘控制器 企业应用 集中协同的“控” •运动控制 •从PLC•I/O采集•… •主PLC•MES•SCADA•机器视觉•预测维护•…•ERP •CRM •… 工控应用开放部署层 工控应用适配 系统接口适配 开放自动化 组态便捷识别 通讯接口适配 操作系统适配 应用跨系统通信 软件虚拟交互 多层多样的“算” 算网控协同管理层 网控协同 接口互通、链路配置 算控协同 工控应用资源调度 工控应用资源隔离 算网控协同 跨层联合调度编排 基座实时性保障层 虚拟层实时性适配 实时虚拟化 实时容器化 操作系统实时保障 边资源 数据业务实时保障 应用算力编排 通信网络保障 端资源 确定可靠的“网” •MPU 5G工业网关 5G工业网关 •工业总线/以太接入 •CPU •GPU •DPU •AI加速卡 云资源 •…… 5G工业基站 • SIB9 •5GLAN • FRER 5G工业UPF •5GTSN •确定路由 •…… •… 基于5G基座的新型工业算网控一体化架构 智慧电力 智慧工厂 智慧港口 智慧冶金 以“确定可靠的网、多层多样的算、集中协同的控”为核心理念，构建基于5G基座的新型工业算网控一体化架构推动5G和工控系统的深度融合，为企业提供更高效、更智能、更可靠的生产和管理方式 智慧矿山智慧产业园区 软件虚拟交互技术 操作系统适配技术 通讯接口适配技术 组态便捷识别技术 开放自动化技术 跨层联合调度编排技术 工控应用资源隔离技术 工控应用资源调度技术 接口互通链路配置技术 通信网络保障技术 应用算力编排技术 操作系统实时保障技术 实时容器化融合技术 实时虚拟化融合技术 新型工业算网控一体化核心技术体系 攻关基座实时性保障、算网控协同管理、工控应用开放部署等三大类14项关键技术，梳理形成技术发展路线 基于5G基座的新型工业算网控一体化技术体系 基座实时性保障算网控协同管理工控应用开放部署 虚拟层实时性 数据业务实时 网控 算控 算网控 工控应用 系统接口 应用跨系统通 适配 性保障 协同 协同 协同 适配 适配 信 U2 CP CPU 1 U2 CP CPU 1 基座实时性保障技术 vP LC 透传 Core3NIC... Core1Core2 HostOS（Linux+RTpatch） 容器 Hypervisor(kvm) vPLC(容器) 非实时应用 GuestOS 智能应用 5G业务 5G业务 虚拟层实时性适配，数据业务实时性保障，充分确保5G算力基座的端到端实时性为融合实时、非实时业务夯实地基 GuestOS RTOS Hypervisor(kvm) 容器 透传 HostOS（Linux） Core1 Core2 Core3 NIC... 路径时延t1 路径时延t3 路径时延t2 确定性网络 算网控一体化实时保障平台 确定性算力编排确定性网络监控和智能优化 确定性网络 业务层收包时延D1业务层收包时延D2 5G 边缘基座 5 G 转发时延s1 (s1+t1)<(D1-s2)、(s2+s3+t3)<D2&D1 GPOSRTOS AGV调度管理 机器视觉分析 AGV调 度管理 收发时延 S3 vPLC 收发时延S2 5G 边缘基座 vPLC RTOS 算网控协同管理技术 从底层硬件、网络到上层业务，通过“网控、算控、算网控协同”能力供给实现5G多层基座算力资源、网络链路、工控业务编排配置 工控应用开放部署技术 支持开放化、易操作的应用适配能力；兼容并蓄的系统接口能力；简洁高效的跨层通信能力，满足集约化、高效能的工业控制要求 PLC 位移传感器xml文件 普通IO站xml文件 伺服驱动器2 xml文件 相机控制器xml文件 伺服驱动器1xml文件 输出阀岛站xml文件 集成开发环境IDE数据采集与监控/上位机/云平台通讯服务接口通讯服务接口 通讯服务接口 运行时系统RunTime操作系统适配层 操作系统 硬件驱动/硬件层 远程IO、伺服驱动器、工业设备... 应用 虚拟机OS1 虚拟网卡 操作系统 上行链路 物理网口 端口 虚拟交换机虚拟交换 虚拟交换端口 进程B vPLC2 进程A vPLC1 虚拟机OS2 虚拟网卡 物理内存 算网控融合部署演进路径 结合工业产线的业务场景需求和部署条件，可采用两种部署方式向行业客户提供算网控一体化解决方案 路径一：集中+分布 服务弱实时性工业控制业务+工业智能化应用业务 •…… •主PLC•MES•SCADA 5G工业基站5G工业UPF •从PLC 5G工业网关 从PLC 现场总线 现场总线 伺服、I/O PLC 5G工业网关 网算控 胖终端 瘦终端 确定覆盖 RTPatch 实例隔离 主从式PLC 确定可靠 算力编排 联合调度 传统组态 精确路由 路径最优 跨层感知 分离式工业AI …… 接口互通 …… …… 5G算网控一体化服务 路径二：集中 控 集中式PLC 开放组态内化式工业AI …… 算 实时虚拟化 实时容器化组态识别 跨系统通信 精准访问 集约调度跨层协同 …… 网 超低时延 有界抖动高精度同步 …… 服务强实时+弱实时性工业控制业务+工业智能化应用业务 •…… •PLC•MES•SCADA 5G工业基站5G工业UPF 现场总线 5G工业网关 内置模组 瘦终端 基于5G基座的新型工业算网控一体化应用探索 孵化5G基座，探索基于5G的多样化解决方案，实现算网控一体化的新型工业服务供给 基于5G工业网关的电池组装线控制系统 基于5G工业基站的空调内机生产线控制系统 基于5G工业UPF的铸件产线协同控制系统 企业痛点@新能源电池产线 •一是通信能力不足，工业总线协议与IT系统互通复杂； •二是有线网络调整不灵活，设备移动困难； •三是PLC产品供货周期长，滞后产线扩张速度。 解决方案 •vPLC融合部署，减少5G融入后现场部署设备数量，减少复杂度，南向保持既有连接，通过有线连接完成机械臂运动、拧紧枪固定等控制功能； •工业网关无线数采，通过5G实现关键数据的北向无线化采集。 实施效果 •解决了成本高、供应链风险高、层级多、部署不灵活等问题，取得了良好效果。 企业痛点@空调厂商内机产线 •一是调整不灵活,通常采用人工现场触摸屏控制方式调节； •二是分权分域模式单一，控制界面对所有人可见。 解决方案 •vPLC/HMI远程控制：通过5G无线化方式完成控制指令编排与下发。 •vPLC/HMI融合部署：简化PLC与HMI之间网络连接，实现为本地化处理、本地化呈现； 实施效果 •远程无线操作，优化工作环境，降低企业运维成本 企业痛点@装备制造铸件产线 •一是效率低、成本高，一般通过人工方式检查铸杆外观缺陷并分拣； •二是响应慢、易出错，依靠人工完成车间物料流转。 解决方案 •vPLC容器化集成：可实现更敏捷的版本迭代。 •多业务混合部署：铸件质量检测和产线物流检测业务同平台部署，依托5G网络实现多业务的共网承载与数据隔离 实施效果 •省去现场多个PLC硬件成本； •多业务混跑，提升资源利用率，改进生产效率； 携手共进，繁荣5G+工业互联网产业生态 加速中国新型工业化进程 中国移动研究院中移智库