1.3發(fā)展趨勢(shì) 082.25G和工控系統(tǒng)融合發(fā)展方向和價(jià)值 2.2.15G確定性網(wǎng)絡(luò)能力融通工控核心環(huán)節(jié) 2.2.25G多層級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施提供多樣性算力基座 2.2.35G算控融合平臺(tái)承載多元化工控應(yīng)用 09 3.2核心技術(shù)體系 124.1基座實(shí)時(shí)性保障技術(shù) 144.1.1虛擬層實(shí)時(shí)性適配技術(shù) 4.1.2數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性保障技術(shù) 4.2算網(wǎng)控協(xié)同管理技術(shù) 164.2.1網(wǎng)控協(xié)同技術(shù) 4.2.2算控協(xié)同技術(shù) 4.2.3算網(wǎng)控協(xié)同技術(shù) 184.3.1工控應(yīng)用適配技術(shù) 4.3.2系統(tǒng)接口適配技術(shù) 204.3.3應(yīng)用跨系統(tǒng)通信技術(shù) 205.1基于5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)的電池組裝線控制系統(tǒng) 225.2基于5G工業(yè)基站的空調(diào)內(nèi)機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng) 縮略語(yǔ)列表27聯(lián)合編制單位29參考文獻(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和智能化的關(guān)鍵，也是推動(dòng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和提升競(jìng)爭(zhēng)力的核心，已廣泛應(yīng)用于電力、食品包裝、裝備加工、航空航天、交通運(yùn)輸、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域，是支撐起國(guó)計(jì)民生的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施[1]。在工業(yè)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)分層ISA-95架構(gòu)中，定義了企業(yè)IT系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)，包括5個(gè)層次，從下到上依次為物理設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、過(guò)程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層、運(yùn)營(yíng)決策層，其中下三層整體被稱為工業(yè)控制系統(tǒng)(即OT系統(tǒng));同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制層是工控系統(tǒng)的核心層，以PLC(可編程邏輯控制器)為主，是運(yùn)行自動(dòng)化控制的關(guān)鍵設(shè)備，是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和上層企業(yè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是當(dāng)前工業(yè)控制生態(tài)的核心。ERPSCADA現(xiàn)場(chǎng)控制層OT域(工業(yè)控制系統(tǒng))設(shè)備層+控制層+監(jiān)控層IT域(信息管理系統(tǒng))管理層+企業(yè)層工業(yè)總線圖1ISA-95企業(yè)和控制系統(tǒng)自動(dòng)化金字塔 (1)工業(yè)控制系統(tǒng)的部署架構(gòu)當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)控制層與物理設(shè)備層的部署方式按大類可分為集中式、集中+分布式兩種，集中式是以邊緣控制器和遠(yuǎn)程IO站組合為核心，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線上小范圍的集中化控制，集中+分布式是以主從PLC協(xié)同為核心，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線多工位間的一主多從式控制，主站PLC負(fù)責(zé)不同從站PLC之間的協(xié)調(diào)控制和數(shù) 位置上，強(qiáng)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)(如運(yùn)動(dòng)控制、高精協(xié)同控制等)通常部署在產(chǎn)線設(shè)備控制器上，弱實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)(如主從PLC控制、遠(yuǎn)程遙控等)一般部署在車間/工廠側(cè)邊緣基座上，非實(shí)時(shí)性業(yè)集成和互操作性車、軌道交通制造、電子行鋼鐵、石化、冶金、礦山、食品、汽車、無(wú)廠鋼鐵、石化、制造、電子、汽車、電子、廠1.2問(wèn)題和挑戰(zhàn) |1.3發(fā)展趨勢(shì)控制能力控制能力20世紀(jì)30年代40年代50年代60年代70-80年代90年代21世紀(jì)基于PC的控制器(1985年)5G和工控系統(tǒng)中國(guó)移動(dòng)2022年發(fā)布的《5G確定性工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)白皮書》以“跨域融合、確定可靠、算網(wǎng)一基于5G基座的新型工業(yè)算以打造“確定可靠的網(wǎng)、多層多樣的算、集中協(xié)同的控”為核心理念，構(gòu)建基于5G基座的新型工業(yè)算網(wǎng)控一體化架構(gòu)，推動(dòng)5G和工控系統(tǒng)的深度融合，為企業(yè)提供更高效、更智能、更可靠的生智意山現(xiàn)場(chǎng)控制器邊緣控制器企業(yè)應(yīng)用·運(yùn)動(dòng)控制·從PLC·VO采集·…·主PLC·MES·SCADA·機(jī)器視覺(jué)·預(yù)測(cè)維護(hù)·…·工控應(yīng)用開放部署層工控應(yīng)用開放部署層ERP·CRM·…算網(wǎng)控協(xié)同管理層保障層云資源·工業(yè)總線/以太接入·SIB9·5GLAN·FRER·5G圖4基于5G基座的新型工業(yè)算網(wǎng)控一體化架構(gòu)確定可靠的“網(wǎng)”:通過(guò)能力內(nèi)生供給、性能極致服務(wù)、可靠全局保障的5G確定性技術(shù)，提供確定性的“通信質(zhì)量”和“通信精度”,實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠、時(shí)延抖動(dòng)有界的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)能多層多樣的“算”:5G基礎(chǔ)設(shè)施通過(guò)5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、5G工業(yè)基站、5G工業(yè)UPF、企業(yè)云等提供同業(yè)務(wù)的算力承載需求；同時(shí)提供支持虛擬運(yùn)行、任務(wù)統(tǒng)籌調(diào)度的基座實(shí)時(shí)性保障能力，支持組態(tài)22|3.2核心技術(shù)體系基于5基于5G基座的新型工業(yè)算網(wǎng)控一體化技術(shù)體系F通信網(wǎng)絡(luò)保障技術(shù)應(yīng)用算力編排技術(shù)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)保障技術(shù)工控應(yīng)用資源隔離技術(shù)工控應(yīng)用資源調(diào)度技術(shù)實(shí)時(shí)容器化融合技術(shù)實(shí)時(shí)虛擬化融合技術(shù)組態(tài)便捷識(shí)別技術(shù)開放自動(dòng)化技術(shù)操作系統(tǒng)適配技術(shù)通訊接口適配技術(shù)』跨層聯(lián)合調(diào)度編排技術(shù)接口互通鏈路配置技術(shù)軟件虛擬交互技術(shù)圖5基于5G基座的新型工業(yè)算網(wǎng)控一體化核心技術(shù)體系 44I型虛擬化。處理器硬件處理器硬件 (3)通過(guò)自動(dòng)探測(cè)處理器高級(jí)特性并進(jìn)行優(yōu)化，保證容器間的切換時(shí)間降低到us級(jí)。4.1.2數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性保障技術(shù)基于5G基座承載實(shí)時(shí)應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理，需要提供從底層操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)度、應(yīng)用算力編排到業(yè)斷響應(yīng)、任務(wù)搶占、內(nèi)存申請(qǐng)釋放等指標(biāo)，以保障操作系統(tǒng)自身的實(shí)時(shí)性。此外，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還可以通過(guò)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方式，實(shí)現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可無(wú)條件的搶占任何正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)進(jìn)程。如采用改造原有Linux內(nèi)核為實(shí)時(shí)內(nèi)核場(chǎng)景下，中斷線程化、進(jìn)程調(diào)度算法、運(yùn)行帶寬等方式，來(lái)保障Linux的實(shí)時(shí)性能力，滿足工業(yè)PLC實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)>》4.1.2.2應(yīng)用算力編排技術(shù)單個(gè)工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用通常算力需求不高，但面到百級(jí)別，且需要同時(shí)提供基于插補(bǔ)算法的運(yùn)動(dòng)控制等能力，對(duì)基座算力的分配和編排有較高要求。5G基座算力編排應(yīng)當(dāng)盡量確保應(yīng)用獲得充足的實(shí)時(shí)性算力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、靈活的算力資源調(diào)度，滿足應(yīng)用硬件資源的合理分配和使用。此外在進(jìn)行算力分配時(shí)還需基于工業(yè)應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的資源需求，以及當(dāng)前基座的資源使用情況，對(duì)算力和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，動(dòng)態(tài)分析出應(yīng)用所需的實(shí)時(shí)算力，并提供部署建議、故障檢測(cè)和資源快速切換保障。針對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)行態(tài)，還需要在數(shù)據(jù)分析、模型匹配、策略微調(diào)部分適時(shí)引入機(jī)器學(xué)習(xí)和智能輔助，提供及時(shí)有確定性網(wǎng)絡(luò)座|4.2算網(wǎng)控協(xié)同管理技術(shù)√vPLC調(diào)度器vPLC管理器圖8虛擬化PLC編排系統(tǒng)架構(gòu)88PLC程序面向控制任務(wù)(非圖形化)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)RunTime攝像頭攝像頭機(jī)械臂(臺(tái)下)電池模組基座某空調(diào)廠商內(nèi)機(jī)生產(chǎn)線多個(gè)生產(chǎn)工序間采用多段傳送皮帶連接，不同工序?qū)ζЬ€速要求不同，通常采用人工現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏控制方式調(diào)節(jié)變頻器改變生產(chǎn)節(jié)拍，面臨生產(chǎn)環(huán)境惡劣、產(chǎn)線節(jié)拍調(diào)整不靈活等問(wèn)題，且現(xiàn)場(chǎng)控制界面對(duì)所有人可見存在潛在生產(chǎn)安全問(wèn)題。傳送皮帶工序1工序5工序8圖12空調(diào)內(nèi)機(jī)產(chǎn)線傳統(tǒng)控制架構(gòu)2022年中國(guó)移動(dòng)與該空調(diào)廠商開展聯(lián)合試點(diǎn)，對(duì)空調(diào)內(nèi)機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行5G化改造。使用5G工業(yè)基站集成HMI、PLC,實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、無(wú)線化數(shù)據(jù)采集等功能，助力企業(yè)降低運(yùn)維1)vPLC部署：通過(guò)工業(yè)基站的云PLC替代原硬件PLC,控制變頻器并采集從PLC數(shù)據(jù)，使交互功能與控制功能完全分離；觸模屏觸模屏標(biāo)在變頻器變頻器圖13改造前后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)對(duì)比445G工業(yè)UPF通常部署在工廠或車間級(jí)，可以利用自身豐富的算力資源，將PLC控制等業(yè)務(wù)容器于統(tǒng)一基座集中化控制和設(shè)備5G化聯(lián)網(wǎng)，充分實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝協(xié)同化、設(shè)備布置柔性化和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)高檢查鑄桿外觀缺陷(如縮松、氣孔、冷隔等),然后通過(guò)人工分揀方式進(jìn)行I、Ⅱ級(jí)及不合格品分不同的物料移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)線位置，經(jīng)常出現(xiàn)響應(yīng)慢、物料位置分配錯(cuò)誤等問(wèn)題，亟需自動(dòng)化、智2023年中國(guó)移動(dòng)與該裝備制造企業(yè)聯(lián)合試點(diǎn)驗(yàn)證，對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行控制系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了鑄件質(zhì)量1)鑄件質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)：在加工產(chǎn)線上集成5G視覺(jué)檢測(cè)裝置進(jìn)行視覺(jué)采集，實(shí)時(shí)獲取旋轉(zhuǎn)鑄件多個(gè)角度的圖像，通過(guò)5G將圖片實(shí)時(shí)傳遞到部署在5G工業(yè)UPF上的視覺(jué)2)產(chǎn)線物料流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)：根據(jù)物料類型在流轉(zhuǎn)產(chǎn)線間部署多個(gè)連接到5G網(wǎng)絡(luò)的AVG運(yùn)輸車，同時(shí)將AGV集控平臺(tái)即PLC協(xié)同控制平臺(tái)容器化部署在5G工業(yè)UPF中，利用5G工業(yè)UPF算力基座實(shí)現(xiàn)LAGVR圖14鑄件產(chǎn)線改造后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?英文全名EnterpriseandControlSySupervisoryControlAndDataAcDistributedControlSyProgrammableLogicContr5thGenerationofCelAutomatedGuidedVehi自動(dòng)導(dǎo)航車ArtificialIntelligenManufacturingExecutionSystMulti-accessEdgeComputi多接入邊緣計(jì)算OpenPlatformCommuni開放式平臺(tái)通信MessageQueuingTelemetryTranspo5G核心網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)CustomerRelationshipManAsymmetricMulti-processGeneralPurposeOperatingS英文全名中文解釋RuntimeEnvironment運(yùn)行態(tài)環(huán)境IntegratedDevelopmentEnvVirtualLocalAreaNetwork虛擬局域網(wǎng)Kubernetes容器開源管理平臺(tái)CustomerpremisesequipmenCommunicationTechnology通信技術(shù)GraphicsProcessingUnit圖形處理器DataProcessingUnit處理器分散處理單元FieldProgrammableGateArray現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列WarehouseManagementSystControllerAreaNetwork