新型工业控制蓝皮书

前言 当前，新一代信息技术与工业经济深度融合演进，涌现出一批新兴业态与应用模式。在服务化、网络化、个性化的浪潮下，生产供应链协同、远程运维等通用方案及钢铁节能减排、石化安全监控等行业特色方案应运而生，极大地推动了工业经济的转型升级。然而，工业控制作为工业“灵魂”环节，目前难以满足工厂新的生产需求，例如如何促进不同系统间的高效协同，实现柔性生产制造；如何打破软硬件系统“烟囱”架构，以实现低成本高效的系统维护及软件升级等。 在此背景下，工业控制系统正处于从封闭走向开放、从功能单一专用走向算网控融合的关键变革期，新型工业控制架构以软硬解耦、开放互联、融合智能为核心特征，成为推动新型工业化目标实现的关键力量。本蓝皮书总结了新型工业控制内涵及四大核心特征，创新性提出了新型工业控制参考架构，深入分析了新型工业控制关键技术及演进趋势，梳理了新型工业控制在重点行业的应用模式及核心价值，分析了新型工业控制产业态势，希望为工业控制创新发展提供新视角、新思路。 编写组成员（排名不分先后）： 胡钟颢、王哲、黄颖、余思聪、朱瑾瑜、张文远、王元、蔡圣明、曾鹏、李栋、王福东、马帅、刘玮哲、吴晓、陈菲雨、赵孝武、束裕、胡浩、朱毅明、赵雅囡、阎新华、王勇、王强军、陈晟民、王彬、张凡、梁骁俊、张呈宇、张勋、杨晓英、张东、张腾飞、王迥波、申友志、陈冰冰、曹龙海、李秀琦、俞一帆、贺诗波、顾超杰、孟文超、肖辉、胡文山、周洪、魏毅、侯卫锋、陈昕、张宇、王虎文、王丽华、李信荣 参编单位： 中国信息通信研究院华为技术有限公司 中国科学院沈阳自动化研究所中国移动通信有限公司 中兴通讯股份有限公司和利时科技集团有限公司 施耐德电气(中国)有限公司北京东土科技股份有限公司鹏城实验室 中国联合网络通信有限公司中国电信集团有限公司 飞腾信息技术有限公司曙光网络科技有限公司深圳艾灵网络有限公司浙江大学 武汉大学 中国寰球工程有限公司浙江中智达科技有限公司 普天信息工程设计服务有限公司英特尔（中国）有限公司 深圳市杉岩数据技术有限公司 工业互联网产业联盟公众号 目录 第1章新型工业控制发展态势1 1.1工业控制是工业代际演进的内在驱动力1 1.2工业控制发展面临挑战2 1.3新型工业控制概念与演进方向4 第2章新型工业控制架构及关键技术8 2.1新型工业控制架构8 2.2新型工业控制技术体系清晰10 第3章新型工业控制行业应用价值20 3.1装备制造业20 3.2电子设备制造业24 3.3石油化工行业28 3.4新能源行业33 第4章新型工业控制产业洞察38 4.1新型工业控制产业组织活跃度不断提升38 4.2基于5G的算网控一体化成为工业控制新业态39 4.3开放化工业控制成为产业发展共识39 4.4人工智能与工业控制加速结合40 第5章发展建议41 参考文献42 第1章新型工业控制发展态势 1.1工业控制是工业代际演进的内在驱动力 工业对社会进步和文明发展起到重要的推动作用，是国民经济的重要组成。一般公认的工业演进历程分为四次工业革命，分别是第一次工业革命-机械化时代，第二次工业革命-电气化时代，第三次工业革命-自动化时代和第四次工业革命-信息化时代。伴随着四次工业革命，工业控制技术也在不断演进。 图1.1工业代际演进趋势 机械化时代。这一时期的工业生产主要依赖于机械设备，如蒸汽机、水轮机等，以蒸汽、水轮、气压等通过齿轮、皮带等传动机械装置将动力传递给各种工作机械装置，从而控制机械运动。装置控制推动了工业生产进入到了机械化时代。 电气化时代。20世纪30年代开始，电气控制系统成为工业控制的主流方式。电动机的发明和应用这一时期的标志性事件，其将电能转化为机械能，为各种机械设备提供动力。此外，继电器、接触器等电气元件的出现，使得电气控制系统具有了更强大的功能及可靠性。 自动化时代。计算机控制系统逐渐取代了传统的电气控制系统，使工业控制更加精确化和数字化。其中，PLC（可编程逻辑控制器）、SCADA（监督控制和数据采集系统）、DCS（分散控制系统）与管理计算机、实时数据库和关系数据库的结合，实现复杂的算法和数据处理，提高生产效率和产品质量。 信息化时代。21世纪初，工业领域发生全新技术革命，工业控制技术通过与物联网、大数据、人工智能、云计算、边缘计算、增强现实和虚拟现实等新兴 技术融合，演变为新型工业控制，推动工业变革和经济发展。信息化时代的显著特征是全面融合和智能化提升，使产业链各环节链通，生产效率及产品服务质量均得到极大提升。 综上所述，工业控制从装置控制到模拟控制、继电器控制、反馈回路控制，再到计算机网络控制、智能控制的不断演进过程，驱动着工业从机械化、电气化、自动化到信息化的更新换代发展，是工业代际演进的核心驱动力。当前，工业现场各类新需求不断涌现，对工业控制效率、部署、运维等提出更高要求。同时，5G、边缘计算等技术与工业控制加速融合，使工业控制发展正面处于变革关键时期。 1.2工业控制发展面临挑战 自20世纪70年代工业领域迈入自动化时代以来，基于ISA-95架构的L1和L2层的制造控制层的软硬件结构未有变动，传统工业控制设备硬件、操作系统及运行时、编程组态平台及传输协议各成体系，终端用户被品牌深度锁定，一方面导致了工业控制生态的显著封闭性，体系烟囱式孤立，数据孤岛广泛存在，彼此间难以互联互通，另一方面使工业控制不具备供应链韧性，存在如芯片短缺导致供货价格飙升，供货周期拉长等问题。总体来说，工业控制目前面临挑战主要体现在以下几个方面： 1.2.1挑战一：数据流转难，智能化升级无法支撑 制造业工厂虽已实现基于DCS、PLC等计算机控制系统的生产过程自动化控制，但是控制系统指令、运行工况监控和异常工况诊断等重要环节仍然需要依靠静态工艺模型及人工经验，一方面，某些行业领域工艺会受到环境、季节、传感器老化等因素影响使工艺模型具有时变性质，另外一方面，人工经验分析要素无法全面覆盖，且知识传承易产生断点从而形成技术壁垒。因此，工厂需要工业智能实现控制系统的自执行、自决策、自适应，从而适应不定的工业环境，完成多样化的工业任务。 以往工厂的数字化转型工作普遍围绕打通生产管理层和运营管理层的数据流，而现场装备层、传感与执行层、监测与控制层鲜有涉及，传统数据流转的瓶颈仍未根本解决，使工厂在运营效率上虽有提升，但生产效率并没有彻底改进。根据《2020中国制造业痛点分析报告》，我国工业企业设备数字化率只有50%， 其中设备联网率仅为23.0%，可见大部分企业在工业生产自动化、智能化方面的准备度仍严重不足。同时，自动化装备缺乏获取运行状态数据的有效手段（如开放式接口提供给第三方），且随着工厂不断迭代更新，不同供应商不同时期上线的控制系统、监视系统、制造执行系统以及辅助业务系统间往往相互独立，数据不能有效地交换和共享。另外，在传统ISA-95架构下，信息在各层之间逐层传递而无法跨层直连，使底层设备对上层系统“不可视”，同时数据的跨层流转面临协议转换复杂度高、安全性差、研发成本高等问题，导致数据无法及时上传采集，无法满足“算力下得来，数据上得去”的需求。 工厂智能化升级的核心是通过数据采集交换、集成处理、建模分析、优化决策与反馈控制等实现机器设备、运营管理到商业活动的智能与优化。由此，数据采集和集成处理是实现工厂实现智能化升级的必要前提条件，只有在泛在连接、全面感知的基础上，通过深度集成和高效处理使基于计算和算法的工业智能高效应用，才能将传统以人工经验为主的决策和反馈转变为基于机器或系统自主建模、决策、反馈的模式智能化控制，而当前工厂数据在采集和流转等方面的阻塞，已严重阻碍了智能化升级的实现。 1.2.2挑战二：信息互通难，柔性生产需求难以满足 随着市场需求向个性化、定制化和快速升级迭代的方向加速发展，多品种小批量的生产模式已成为制造业生产常态，要求工厂具备高度的灵活性与响应能力，能够通过生产过程中对工艺与设备配置的灵活调整，适应各工艺段间相对独立又紧密协作的生产流程。如何通过优化资源配置，提升生产效率与灵活性已成为企业竞相追求的目标，然而，在工业自动化领域由于控制系统的软硬件以及通信协议的品牌强耦合性与封闭性，成为行业发展的重大瓶颈。工业协议种类繁多，各厂商基于自身技术优势与市场地位，推行不同的工业总线和以太网协议，形成了复杂且难以统一的生态系统。新进厂商若想融入这一生态，需历经繁琐的协议认证与授权流程，无疑增加了市场准入的难度与成本。工业巨头在策略上展现出既“垄断”又“开放”的双重特性，一方面通过开放部分协议标准吸引更多参与者，促进生态繁荣；另一方面对核心关键技术保持封闭，以控制市场发展方向。此外，不同厂商间对设备与系统描述的异构化问题，导致了信息在设备系统间传递的障碍，严重制约了语义互操作性的实现，成为制约柔性制造发展的又一关键难题。 1.2.3挑战三：升级运维难，IT-OT融合遇到阻碍 传统工业控制系统因设计上的封闭性，使得后续的维护与服务不得不高度依赖原厂支持，导致日常维护成本高昂且效率低下。一旦供应商服务响应迟缓或技术支持不足，系统运维便面临重重困难。此外，随着信息与通信技术（ICT）与工业控制的深度融合，传统的OT工程师掌握的技能栈往往局限于特定品牌的控制系统和编程语言，难以快速吸收和掌握新兴的ICT技术，导致工程实施效率低下，无法有效应对工厂需求。同时，工业控制产品的市场流通多依赖于集成商渠道，而集成商在吸收和整合ICT技术方面速度相对较慢，直接影响到产品投产调试的效率，延长项目周期，用户的时间成本和额外成本倍增，进一步加重了企业的经济负担。 1.3新型工业控制概念与演进方向 1.3.1新型工业控制概念 新型工业控制具有网络化、开放化、协同化、智能化等特征，以先进网络组网融通，保障工业生产要素实时、可靠互联互通；以软硬件及协议的分层解耦和能力开放支持设备系统间灵活互换，降低部署成本、提升维护效率；以层级化、多样性算力为基座，深度融合人工智能技术，实现控制任务的自执行、自决策和自适应；以模块化、按需可重构的生产控制系统，促进系统和设备间的互操作。 1.3.2新型工业控制演进方向 （1）网络化：从总线模式走向以扁平化、融合承载 工业控制网络面向复杂个性化的应用需求，连接种类多样的终端和异构网络等工业现场情况，从传统的分层网络构建，逐渐向扁平化、泛在连接的网络架构演进，按需自适应以满足工业互联网全场景应用网络需求的目标。随着确定性网络、5G、算网融合等新ICT技术的出现，新型工业控制网络以“智”促“简”，形成算网一体化的高确定性通信互联基础设施，使得企业运维更简单、业务整合更容易、资源调度更简洁。新型工业网络发展呈现以下的特点和发展趋势： 网络架构扁平化。原有严格分层网络体系被打破，形成新型扁平化网络架构，工业现场人、机、料、法、环等生产关键要素全连接和多模态接入，智能设备之间逐渐横向互联，可支撑快速实现资源灵活重构、互联互通。同时，数据将实现 跨层级传输，控制器将不再是数据流转的瓶颈，而是数据贯通的桥梁。 网算控一体。工业网络动态分布的计算资源互联形成层级化、多样性工业算力基座，为软件化的控制功能部署提供可靠承载，并集成5G、确定性网络等连接能力，实现工厂、车间、产线的一网直达，提供低时延、高可靠、时延抖动有界的网络通信服务能力。 确定性网络深入拓展。随着生产流程走向全局优化控制，工业控制的可靠性更加依赖系统整体的可靠性，而工业网络作为系统中重要一环，对网络确定性保障提出了更高的要求，工业网络的确定性需求由工业生产业务本身诉求决定，确定性网络技术如DetNet、TSN、DIP等已有初步应用。 网络连接无线化。5G、WiFi6/WiFi7等技术的发展和工厂的广泛应用，允许在不改变物理位置的情况下，设备的可进行快速重新配置和移动，并可快速添加新的设备和传感器，移动性和可扩展性极大提升生产线对生产需求的适应性和柔性。同时，5G等无线网络技术提供了高带宽、低时延和高可靠性，并催生出如远程监控诊断、远程设备操控等新场