中國(guó)移動(dòng)研究院彭偉杰OT域(工業(yè)控制系統(tǒng))設(shè)備層+控制層+監(jiān)控層生產(chǎn)管理層

MESOPC，Modbus，...過程監(jiān)控層SCADAOPC，Modbus，...現(xiàn)場(chǎng)控制層PLC工業(yè)以太協(xié)議（Profinet,

EtherCAT...），工業(yè)總線物理設(shè)備層

IO、伺服、變頻...ISA-95

企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)IT域(信息管理系統(tǒng))管理層+企業(yè)層運(yùn)營(yíng)決策層ERP現(xiàn)場(chǎng)控制層是工控系統(tǒng)的核心層，以PLC為主，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。設(shè)備A遠(yuǎn)程IO站視覺檢測(cè)設(shè)備B遠(yuǎn)程IO站伺服站集中式部署工業(yè)邊緣控制器工業(yè)以太設(shè)備C遠(yuǎn)程IO站某新能源汽車動(dòng)力總成工廠主PLC設(shè)備A 設(shè)備B 設(shè)備C 設(shè)備D從PLC1

從PLC2

從PLC3 從PLC4工業(yè)以太主從PLC控制、遠(yuǎn)程遙控?cái)?shù)采、智能化運(yùn)動(dòng)控制、高精協(xié)同控制車間/工廠側(cè)邊緣基座工廠側(cè)邊緣或企業(yè)云基座產(chǎn)線設(shè)備控制器強(qiáng)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)弱實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)工業(yè)控制業(yè)務(wù)的分類場(chǎng)景大類部署位置工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)控制系統(tǒng)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，在電力、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)域已被廣泛應(yīng)用工業(yè)控制系統(tǒng)的部署結(jié)構(gòu)集中+分布部署工業(yè)控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)控制能力工業(yè)2.0工業(yè)3.090年代儀表狀態(tài)20世紀(jì)30年代按回路運(yùn)行 按過程運(yùn)行40年代 50年代 60年代過程優(yōu)化70-80年代管控一體21世紀(jì)工業(yè)4.0模擬模擬模擬監(jiān)測(cè)儀表隨著計(jì)算能力出現(xiàn)，將工控從模擬帶入數(shù)字時(shí)代計(jì)算機(jī)出現(xiàn)（1946年）數(shù)字/模擬監(jiān)督控制數(shù)字/模擬設(shè)定值控制/直接數(shù)字控制RS232,RS485離散IO連接G0.串行通信(kbps)數(shù)字/模擬DCS出現(xiàn)（1975年）PLC出現(xiàn)（1969年）基于PC的控制器（1985年）Profibus,Modbus,CANopen,DeviceNet,ControlNet,Data

HighWay...G1.現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)代(~10Mbps)數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字邊緣計(jì)算概念出現(xiàn)（2006年）DCS/PLC模擬單回路反饋控制器工業(yè)以太網(wǎng)Profinet,POWERLINK,Ethernet/IP,EtherCAT...G2.實(shí)時(shí)以太網(wǎng)時(shí)代(~100Mbps)5G,OPC

UA

over

TSN,DetNet...G3.5G和確定性網(wǎng)絡(luò)時(shí)代(Gbps)工控系統(tǒng)的問題和挑戰(zhàn)異構(gòu)系統(tǒng)互通難研發(fā)效率低軟硬件復(fù)用難系統(tǒng)升級(jí)成本高工控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)控制算力不足 代碼移植性差智能應(yīng)用落地難

軟件生命周期管理難傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)無法利用ICT新技術(shù)優(yōu)勢(shì)；工控軟件移植性差，阻礙企業(yè)的自主創(chuàng)新能力工控系統(tǒng)異廠家升級(jí)，硬件和軟件都不能復(fù)用重新編程組態(tài)，額外增加投資和技術(shù)實(shí)施難度異構(gòu)系統(tǒng)間需協(xié)議轉(zhuǎn)換，增加成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，導(dǎo)致系統(tǒng)研發(fā)維護(hù)效率低IT、OT間存鴻溝，融合難視覺檢測(cè)等應(yīng)用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)算力提出新的要求智能制造的發(fā)展，正在驅(qū)動(dòng)上層算力的差異化需求和擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)化開放化集中化智能化現(xiàn)有工控系統(tǒng)面臨軟硬件復(fù)用難、異構(gòu)系統(tǒng)互通難、代碼移植難等問題，在企業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型中存在局限和挑戰(zhàn)工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)正在向網(wǎng)絡(luò)化、開放化、集中化和智能化方向發(fā)展確定性的網(wǎng)絡(luò)、多層級(jí)算力設(shè)施、多元化融合平臺(tái)，助力5G與工業(yè)控制系統(tǒng)融合發(fā)展運(yùn)營(yíng)商/專網(wǎng)CT設(shè)備行業(yè)應(yīng)用行業(yè)設(shè)備云平臺(tái)OT產(chǎn)業(yè)界：以PLC軟硬件解耦和開放化協(xié)議促進(jìn)新共識(shí)IT產(chǎn)業(yè)界：以邊緣實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)為抓手賦能新控制云平臺(tái)行業(yè)設(shè)備行業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)CT產(chǎn)業(yè)界：以5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為契機(jī)探索新機(jī)遇運(yùn)營(yíng)商/專網(wǎng)算力設(shè)施行業(yè)應(yīng)用行業(yè)設(shè)備CT設(shè)備確定性網(wǎng)絡(luò)能力融通工控核心環(huán)節(jié)一網(wǎng)多用：業(yè)務(wù)隔離、帶寬保障、數(shù)據(jù)安全多能供給確定可靠：分組通信、有界時(shí)延、超高可靠滿足嚴(yán)苛需求多層級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施提供多樣性算力基座端側(cè)接入：設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)的中介，

提供多樣接入邊側(cè)多能：在網(wǎng)絡(luò)接入的技術(shù)上，

融合提供高性能的計(jì)算和存儲(chǔ)云側(cè)拓展：虛擬化的計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)資源，

擴(kuò)展邊端計(jì)算和存儲(chǔ)能力算控融合平臺(tái)承載多元化工控應(yīng)用多元融合：強(qiáng)實(shí)時(shí)、弱實(shí)時(shí)、大算力應(yīng)用的融合便捷管理：業(yè)務(wù)靈活部署、跨層交互以及協(xié)同調(diào)度123產(chǎn)業(yè)主推工控系統(tǒng)演進(jìn)趨勢(shì)5G賦能工控系統(tǒng)三大價(jià)值5G與工控系統(tǒng)融合的價(jià)值多層多樣的“算”確定可靠的“網(wǎng)”集中協(xié)同的“控”算網(wǎng)控協(xié)同管理層工控應(yīng)用開放部署層SIB95G

LAN

? FRER確定路由……5G

TSN工業(yè)總線/以太接入基座實(shí)時(shí)性保障層智慧礦山智慧工廠智慧冶金智慧產(chǎn)業(yè)園區(qū)企業(yè)應(yīng)用…DPU ? AI加速卡云資源……5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)5G工業(yè)UPF5G工業(yè)基站從PLC運(yùn)動(dòng)控制MES智慧電力現(xiàn)場(chǎng)控制器I/O采集預(yù)測(cè)維護(hù)…?ERP

? CRM…智慧港口邊緣控制器SCADA ? 機(jī)器視覺MPU… ? 主PLC工控應(yīng)用適配算控協(xié)同工控應(yīng)用資源調(diào)度

工控應(yīng)用資源隔離應(yīng)用跨系統(tǒng)通信軟件虛擬交互開放自動(dòng)化 組態(tài)便捷識(shí)別系統(tǒng)接口適配通訊接口適配 操作系統(tǒng)適配網(wǎng)控協(xié)同接口互通、鏈路配置算網(wǎng)控協(xié)同跨層聯(lián)合調(diào)度編排操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)保障邊資源數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)保障應(yīng)用算力編排通信網(wǎng)絡(luò)保障虛擬層實(shí)時(shí)性適配實(shí)時(shí)虛擬化 實(shí)時(shí)容器化端資源CPU ? GPU基于5G基座的新型工業(yè)算網(wǎng)控一體化架構(gòu)以“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、更可靠的生產(chǎn)和管理方式基于5G基座的新型工業(yè)算網(wǎng)控一體化技術(shù)體系基座實(shí)時(shí)性保障算網(wǎng)控協(xié)同管理實(shí)時(shí)虛擬化融合技術(shù)實(shí)時(shí)容器化融合技術(shù)應(yīng)用算力編排技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)保障技術(shù)接口互通鏈路配置技術(shù)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)保障技術(shù)工控應(yīng)用開放部署軟件虛擬交互技術(shù)操作系統(tǒng)適配技術(shù)通訊接口適配技術(shù)工控應(yīng)用資源調(diào)度技術(shù)工控應(yīng)用資源隔離技術(shù)組態(tài)便捷識(shí)別技術(shù)虛擬層實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)網(wǎng)控算控算網(wǎng)控工控應(yīng)用系統(tǒng)接口應(yīng)用跨系統(tǒng)通適配性保障協(xié)同協(xié)同協(xié)同適配適配信開放自動(dòng)化技術(shù)跨層聯(lián)合調(diào)度編排技術(shù)攻關(guān)基座實(shí)時(shí)性保障、算網(wǎng)控協(xié)同管理、工控應(yīng)用開放部署等三大類14項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，梳理形成技術(shù)發(fā)展路線新型工業(yè)算網(wǎng)控一體化核心技術(shù)體系虛擬層實(shí)時(shí)性適配，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性保障，充分確保5G算力基座的端到端實(shí)時(shí)性為融合實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)夯實(shí)地基5G業(yè)務(wù)vPLC(容器)非實(shí)時(shí)應(yīng)用HostOS（Linux

）Hypervisor(kvm)透?jìng)鰿PU1CPU2GuestOSRTOSCore3 NIC...Core1

Core2容器5G業(yè)務(wù)vPLC智能應(yīng)用CPU1CPU2Hypervisor(kvm)容器透?jìng)鱄ostOS（Linux

+RTpatch）Core1

Core2Core3 NIC...GuestOS5G邊緣基座vPLCRTOS機(jī)器視覺分析GPOSAGV調(diào)度管理RTOS確定性網(wǎng)絡(luò)算網(wǎng)控一體化實(shí)時(shí)保障平臺(tái)確定性算力編排 確定性網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和智能優(yōu)化vPLC收發(fā)時(shí)延S2AGV調(diào)度管理收發(fā)時(shí)延S3路徑時(shí)延t1路徑時(shí)延t3路徑時(shí)延t2確定性網(wǎng)絡(luò)5G轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延s1業(yè)務(wù)層收包時(shí)延D1業(yè)務(wù)層收包時(shí)延D25G邊緣基座(s1+

t1)<

(D1-s2)、(s2

+

s3

+

t3)

<

D2

&D1基座實(shí)時(shí)性保障技術(shù)從底層硬件、網(wǎng)絡(luò)到上層業(yè)務(wù)，通過“網(wǎng)控、算控、算網(wǎng)控協(xié)同”能力供給實(shí)現(xiàn)5G多層基座算力資源、網(wǎng)絡(luò)鏈路、工控業(yè)務(wù)編排配置算網(wǎng)控協(xié)同管理技術(shù)支持開放化、易操作的應(yīng)用適配能力；兼容并蓄的系統(tǒng)接口能力；簡(jiǎn)潔高效的跨層通信能力，滿足集約化、高效能的工業(yè)控制要求PLC伺服驅(qū)動(dòng)器1xml文件輸出閥島站xml文件相機(jī)控制器xml文件伺服驅(qū)動(dòng)器2xml文件位移傳感器xml文件普通IO站xml文件集成開發(fā)環(huán)境IDE通訊服務(wù)接口數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控/上位機(jī)/云平臺(tái)通訊服務(wù)接口通訊服務(wù)接口運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)

RunTime操作系統(tǒng)適配層硬件驅(qū)動(dòng)/硬件層操作系統(tǒng)遠(yuǎn)程IO、伺服驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)設(shè)備...物理內(nèi)存進(jìn)程AvPLC1進(jìn)程BvPLC2應(yīng)用操作系統(tǒng)上行鏈路物理網(wǎng)口虛擬交換端口虛擬機(jī)OS1虛擬交換機(jī)

虛擬交換端口虛擬機(jī)OS2虛擬網(wǎng)卡虛擬網(wǎng)卡工控應(yīng)用開放部署技術(shù)5G算網(wǎng)控一體化服務(wù)

路徑二：集中服務(wù)強(qiáng)實(shí)時(shí)+弱實(shí)時(shí)性工業(yè)控制業(yè)務(wù)+工業(yè)智能化應(yīng)用業(yè)務(wù)從PLC5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)從PLC現(xiàn)場(chǎng)總線伺服、

I/O現(xiàn)場(chǎng)總線PLC……主PLC

?

MES

?

SCADA5G工業(yè)基站 5G工業(yè)UPF瘦終端胖終端5G工業(yè)基站

5G工業(yè)UPFPLC5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線……MES

?

SCADA瘦終端內(nèi)置模組確定覆蓋RT

Patch實(shí)例隔離主從式PLC確定可靠算力編排聯(lián)合調(diào)度傳統(tǒng)組態(tài)精確路由路徑最優(yōu)跨層感知分離式工業(yè)AI……接口互通…………精準(zhǔn)訪問集約調(diào)度跨層協(xié)同……實(shí)時(shí)虛擬化實(shí)時(shí)容器化組態(tài)識(shí)別跨系統(tǒng)通信網(wǎng)算控網(wǎng)超低時(shí)延有界抖動(dòng)高精度同步……算控集中式PLC開放組態(tài)內(nèi)化式工業(yè)AI……結(jié)合工業(yè)產(chǎn)線的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求和部署條件，可采用兩種部署方式向行業(yè)客戶提供算網(wǎng)控一體化解決方案路徑一：集中+分布服務(wù)弱實(shí)時(shí)性工業(yè)控制業(yè)務(wù)+工業(yè)智能化應(yīng)用業(yè)務(wù)算網(wǎng)控融合部署演進(jìn)路徑基于5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)的電池組裝線控制系統(tǒng)企業(yè)痛點(diǎn)@新能源電池產(chǎn)線一是通信能力不足，工業(yè)總線協(xié)議與IT系統(tǒng)互通復(fù)雜；二是有線網(wǎng)絡(luò)調(diào)整不靈活，設(shè)備移動(dòng)困難；三是PLC產(chǎn)品供貨周期長(zhǎng)，滯后產(chǎn)線擴(kuò)張速度。解決方案vPLC融合部署，減少5G融入后現(xiàn)場(chǎng)部署設(shè)備數(shù)量，減少?gòu)?fù)雜度，南向保持既有連接，通過有線連接完成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、擰緊槍固定等控制功能；工業(yè)網(wǎng)關(guān)無線數(shù)采，通過5G實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的北向無線化采集。實(shí)施效果解決了成本高、供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)高、層級(jí)多、部署不靈活等問題，取得了良好效果。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)基于5G工業(yè)UPF的鑄件產(chǎn)線協(xié)同控制系統(tǒng)企業(yè)痛點(diǎn)@空調(diào)廠商內(nèi)機(jī)產(chǎn)線一是調(diào)整不靈活,通常采用人工現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏控制方式調(diào)節(jié)；二是分權(quán)分域模式單一，控制界面對(duì)所有人可見。解決方案vPLC/HMI遠(yuǎn)程控制：通過5G無線化方式完成控制指令編排與下發(fā)。vPLC/HMI融合部署：簡(jiǎn)化PLC與HMI之間網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)為本地化處理、本地化呈現(xiàn)；實(shí)施效果遠(yuǎn)程無線操作，優(yōu)化工作環(huán)境，降低企業(yè)運(yùn)維成本企業(yè)痛點(diǎn)@裝備制造鑄件產(chǎn)線一是效率低、成本高，一般通過人工方式