黄震宁：面向新型工业化的5G工业算网技术

新型工业化政策频出，已成为国家重大战略 2021年以来，国家工业互联网政策密集发布，总体呈体系化、持续增强的特点，工业互联网已成为推进新型工业化的新型基础设施 国家重大战略 工信部具体政策 中国移动发展路径 •二十大报告制定主要目标：到二〇三五年，基本实现新型工业化•习近平书记重要指示：以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴伟业，实现新型工业化是关键任务 中国移动5G+工业互联网取得显著成效 在5G+工业互联网领域，中国移动提出从辅助生产到融入生产再到改变生产的发展路径，全面推进5G赋能数智工厂高质量发展 深 耕 典 型 场 景 ， 行 业 规 模 复 制呈“燎 原 之 势” 第六届绽放杯全国总决赛中获一等奖10个（工业6个），共有157个（工业67个）项目获奖，获奖项目总数及一等奖数量均为业界第一 工业控制系统是当前工业控制生态的核心 工业企业的标准分层ISA-95（企业系统与控制系统集成国际标准）架构中，其中下三层被称为工业控制系统（即OT系统），是生产现场和上层企业信息系统数据信息流转的关键节点，同时也是当前工业控制生态的核心。 当前工业控制系统的架构组成 在当前的工业控制现场主要有两种部署方式，小集中式和集中+分布式，小集中式指产线上小范围的控制集中化，以边缘控制器为核心，集中+分布式指单产线多工位间的1主多从式控制，主站负责不同从站间的协调和数据传递。 工业控制业务的分类 工业业务可划分为强实时、弱实时、非实时业务，通常强实时业务(运动控制、高精协同控制等)一般部署在产线设备控制器上，弱实时性业务(主从PLC控制、远程遥控等)部署在车间/园区侧，非实时性业务(数采、IT)部署在园区侧 工业控制系统的发展趋势 工业控制系统因软硬件强捆绑现状导致系统维护成本高、系统集成复杂度高、软件生命周期管理难的问题，工业自动化也逐步在向开放性的方向演进，主要是网络开放性、软硬件开放性、控制系统架构开放性三方面。 工业控制系统现状-软硬件强捆绑 自动化向开放性趋势发展 DCS/PLC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，这样的系统可靠性稳定性方面会有优势，但缺点和局限性也很显然。 软硬件开放性 控制系统架构开放性 网络开放性 l2016年，埃克森美孚公司就通过开放流程自动化论坛（OPAF）发起了旨在定义“一个开放、安全、基于标准、支持互操作性并适用于多个流程工业的流程控制架构”，即现在由The Open Group组织的O-PAS标准；l通过集成实验室验证OPA的四大关键特性（互操作性、互换性、组态和应用程序的移植性。 l在标准以太网协议上修改的工业以太网给自动化系统带来了更大的开放性。l在运动控制领域，实时工业以太网也开始兴起。工业以太网的应用使得更多的设备更多的系统能够接入控制系统，“一网到底”也因此成为了可能。l近年来，随着TSN的发展，传统工业网络也在向TSN网络转型，多数工业以太网协议已开始支持。 l90年代，基于PC的控制技术开始兴起，IPC、嵌入式PC开始承担起工业控制器的角色，使得基于Windows或者Linux的工业计算机、甚至商用电脑就可以成为控制器硬件，不依赖硬件厂商；l此外它的操作系统Windows和Linux也很开放，很多IT技术可以在这些“控制器”上直接使用，给自动化控制系统带来了更大的开放性。 l软硬件无法复用，系统维护升级成本高随着设备的老旧以及生产复杂性的提升，这样的系统在维护和升级时 就会面临产品选择上的限制和高昂的成本。如果要向其他PLC/DCS供应商的系统迁移，硬件和软件都不能复用，得重新编程组态，不仅技术上难以实现而且需要高额的投资。 l异构系统互通复杂，研发更新效率低涉及多个不同控制系统的相互集成时，需要各种协议转换设备，不但 增加了企业成本，还使系统集成变得异常复杂，中心控制程序也因此变得庞大冗杂，使系统研发，维护和更新效率低下。 l工控代码移植性差，软件全生命周期管理难专有的工业自动化系统无法利用IT技术的进步，专为一个系统而编写 的自动化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。 5G内生确定为工业算力的承载提供了良好的网络基础 5G架构与确定性能力的深度耦合，可以支持内生确定性服务的一体化供给，提供确定组网、确定通信、确定保障技术满足多层级工业控制业务的承载需求 确定通信 确定保障 确定组网 5G组网架构提供了工控系统良好的适配环境 5G在工业中的组网架构、业务性能、标准算力基座、互联互通开放式架构可以天然匹配工业控制系统的部署现状、工业业务需求分布、以及工控系统的演进趋势要求，具备打造基于5G边缘算力一体化基座和5G网关特色产品的可行性。 5g标准的算力底座和业务性能满足在5g网关上部署工业强实时性业务，在5gUPF上部署弱实时性、非实时性业务的要求 端侧：基于5G网关的工业控制器u应对现场强实时性业务 5G算力基座融合工业应用的能力集 为满足工业控制系统不同业务的部署架构位置、性能要求以及工业开放性的演进趋势，5G基座融合工业控制和边缘应用需具备13种能力，满足端侧/边侧共性和差异化控制能力 共性能力 差异能力 l5G网络能力l逻辑控制l数据处理l编码能力l互操作能力l部署编排管理l虚拟机+容器架构 能力需求基于产线级，应用于单一 能力需求基于5GUPF，部署虚拟化PLC， l对下通过5G空口通道连接现场设备，实现对现场多设备的协同控制、集中控制;l提供包括模型训练、视觉分析、数据分析、机器学习、运行数据采集存储、挖掘处理、分析预测等承载能力，实现IT/OT深度融合。 5G算力基座工控融合能力明细 端侧5G网关需具备强实时工控业务承载所需的能力，边侧5G算力一体化基座需具备弱实时/非实时工控业务承载能力。 边侧5G算力一体化基座承载工业应用的核心问题 5G算力一体化基座承载工控应用，能力集成上分为软件集成和内生支持两类，工控应用软件的集成部署和如何保证基座进程和硬件网络端到端的确定性是最核心的问题。 p基座集成工控和工业智能化应用能力汇总 1、基座确定性能力 ü工业应用层通过软件集成方式ü操作系统、实时虚拟层、容器层，算力一体基座内生支持 p进程和网卡驱动间端到端确定性 •虚拟化+容器架构，实时性区分•数据调度，实时应用优先级数据保证•编排管理，应用算力调度 2、应用软件部署p工控应用能力扩展üPLC开发/运行态部署ü应用系统接口和跨层通信 关键技术1-基座确定性保障-实时性架构 5G算力一体化基座承载工业应用，应支持按两个阶段方案进行演进 阶段1：实时化补丁+容器部署关键能力： ü实时化改造不应影响原有网元业务ü容器本身的轻量化和实时性提升üPLC容器划分单独CPU核管理平台 关键技术1-基座确定性保障-数据调度+算力编排+网络保障 5G算力一体化基座承载工业应用，除操作系统部署架构外，基座应在数据调度、算力编排、网络保障三方面重点保障基座确定性能力，同时这三方面也是算力一体化基座赋能全场景工业应用集中部署的前提。 UPF关键能力： l操作系统数据调度 算网控一体化实时调度平台 具备数据调度服务保障能力，PLC工控应用、基于网络的语音通话、视频服务，使用高优先级Qos数据传输，保证网络拥塞时PLC应用的实时性，语音服务、视频服务流畅、无噪音、不失真。 l多应用算力编排 工厂级部署时，PLC数量级能达到百级别，同时融合运动控制算法等，对算力分配和编排有一定要求。需要基于工业应用对实时操作系统的需求，结合当前基座的资源状态，动态分析出应用所需的实时操作系统的算力，并给出部署建议，或协助应用完成安装、加载、部署；算力编排应当尽量确保应用获得充足的确定性算力，满足应用硬件资源的合理分配和使用。 l多应用业务网络保障 1.需要具备灵活拉通5G基座和工业应用APP，以及任意几个应用APP之间确定性传输通道的能力； 2.在同TSN网卡内，应用间可获得时延小于100us的确定性传输通路。在跨TSN网卡转发时，应用可获得时延小于250us的传输通路； 3.基座也能够为应用提供高精度时钟同步，确保虚拟化PLC之间，虚拟PLC与IO设备之间建立精准同步关系。 关键技术2-工控应用软件部署-开发/运行态 在5G基座上融合PLC应用时，从工程人员开发便捷度和基座融合简洁性考虑，PLC运行态（RTE）和开发态（IDE）需工控厂商进行更多的适配满足新型工控系统下的要求，支持开放自动化、多vPLC隔离、组态便捷识别。 多vPLC隔离 需保证不同vPLC通道的隔离和带宽资源的合理分配 Ø对vPLC实例划分不同网络平面和vlan保证实例的通道隔离；Ø虚拟化或容器化部署时，利用底座k8s的资源分配和管理特性，对不同的vPLC实例绑定或共享不同的网络和计算资源；ØvPLC任务支持多优先级调度；对不同优先级的PLC任务设置不同优先级，优先满足高优先级任务的调度。 开放自动化 组态便捷识别 PLC应用软件应支持IEC61499和IEC61131-3相结合的方式 ØIEC61131是单设备程序标准，以单个设备为顶层软件模型ØIEC61499基于事件驱动的功能块网络，面向对象编程，控制系统作为单集成系统建模和开发，作为分布式系统部署；Ø实现独立于底层系统的应用模型，程序代码跨越多厂商平台和工程设计工具的可移植性，促使软件和硬件解耦 需满足5G+有线混合下组态的易用性和兼容性 Ø软件中需支持无线、有线的图形化快速配置，如支持5G网络下站设备（CPE、网关等）描述文件导入和拓扑连接Ø可视化呈现当前组网（有线、无线）的拓扑关系、地址、协议，设备组网间5G或者有线网络故障时图形显示 关键技术2-工控应用软件部署-接口/通信 在5G基座上融合PLC应用时，通过通信服务接口的支持满足南北向通过的要求，依赖操作系统适配层兼容不同操作系统和应用部署方式，采用集成主流的应用跨层通信技术满足异构系统间的高效互通 通信服务接口支持 需保证应用南北向通信对接的能力 Ø支持OPC-UA、MQTT协议对接北向的MES、SCADA系统或其他智能化平台，以及云端工业应用；Ø支持PLC南向主流工控协议，如ModbusTCP、EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET协议；Ø支持标准IEC61499和IEC61131-3开发环境IDE的接口能力，保证PLC代码的在线调试和运行服务 应用跨层通信 操作系统适配层 保证实时/非实时应用，异构操作系统间高效互通 Ø共享内存，通过发起方系统根据通信申请一段内存用于通信，划分各个通信区区域，读取共享内存寄存器配置区内配置信息，开启多系统间的通信；Ø虚拟设备通信，通过虚拟设备建立不同操作系统间的通信接口，完成服务端和客户端的跨系统通信。 需通过适配层兼容适配不同操作系统和部署方式 Ø明确所有接口的定义，支持调用操作系统的线程、文件系统等接口，实现应用程序的调度和运行；ØPLC RTE可支持容器化的部署，将PLC运行环境整体打包标准化单元，实现开发、交付、部署环境的一致性，使其免受外在环境差异的影响，减少PLC应用间的冲突 边侧5G算力一体化基座承载工业应用的关键技术演进路线 5G算力一体化基座承载工业应用，生态上分工控厂商和基座厂商，工控应用的部署在应用开发侧由工控厂商完成，对基座本身来说核心是基座的确定性能力优化和协调 方式二：全集中化 方式一：半集中化 弱实时性工业控制业务+工业智能化应用业务 强实时+弱实时性工业控制业务+非实时工业智能化应用业务 5G性能+硬件生态的演进 业务网络保障 操作系统数据调度 操作系统的实时性 应用算力编排 操作系统的实时性Ø实施方案： Ø需求： ØUPF现状： Ø需求： Ø需求： II型虚拟化融合实时操作系统