基于5G基座的新型工业算网控一体化技术白皮书

2023年 发布单位：中移智库 编制单位：中国移动通信研究院 前言PREFACE 新型工业化是推进中国式现代化的重要引擎，以5G为代表的新一代信息通信技术为新型工业化的建设和升级提供了关键的数字基础设施底座。5G海阔汇千川，工业风起正扬帆，5G大带宽、低时延、广覆盖的特性能够冲破传统有线和无线技术的楷，助力和加速工业客户数字化、网络化、智能化融合升级，为企业转型发展注入新动能，带来新机遇。 工业控制系统是实现工业生产自动化和智能化的关键，也是推动企业数字化转型和提升竞争力的核心。为了更好地推动5G和工业控制系统的深度融合发展，特编写本白皮书，首先分析了传统工业控制系统面临的挑战和发展趋势，指出了5G与工控融合发展的方向和价值，以打造“确定可靠的网、多层多样的算、集中协同的控”为核心理念，构建了基于5G基座的新型工业算网控一体化架构和技术体系。针对基座实时性保障、算网控协同管理、工控应用开放部署三大类14项关键技术进行了详细阐述，最后给出了在能源电池组装、空调内机生产、铸件产线协同等方面的应用探索。 依托本白皮书，中国移动希望联合OT、IT、CT等各方合作伙伴，“求同存异、凝心聚力、由点及面”打通5G基座与工业控制系统的融合桥梁，助力5G“融入生产、改变生产”的愿景早日达成。 目录Contents 01工业控制系统发展趋势01 1.1概述--021.2问题和挑战-041.3发展趋势-05 025G和工控系统融合发展方向分析07 2.2.15G确定性网络能力融通工控核心环节-092.2.25G多层级基础设施提供多样性算力基座-092.2.35G算控融合平台承裁多元化工控应用-09 03基于5G基座的新型工业算网控一体化架构和技术体系10 3.1算网控一体化架构-113.2核心技术体系-12 04基于5G基座的新型工业算网控一体化关键技术13 4.1基座实时性保障技术-14 4.1.1虚拟层实时性适配技术144.1.1.1实时拟化融合技术-144.1.1.2实时容器化融合技术-144.1.2数据业务实时性保障技术-154.1.2.1操作系统实时保障技术154.1.2.2应用算力编排技术154.1.2.3通信网络保障技水-16 4.2算网控协同管理技术-16 4.2.1网控协同技术164.2.2算控协同技术164.2.2.1工控应用资酒测度技术4.2.2.2工控应用资源隔离技术174.2.3算网控协同技术17 4.3工控应用开放部署技术-18 4.3.1工控应用适配技术184.3.1.1开放自动化技术184.3.1.2组态便捷识别技术，194.3.2系统接口适配技术194.3.2.1通讯接口适配技术194.3.2.2摄作系统适配技术204.3.3应用跨系统通信技术 05基于5G基座的新型工业算网控一体化应用探索21 5.1基于5G工业网关的电池组装线控制系统225.2基于5G工业基站的空调内机生产线控制系统-225.3基于5G工业UPF的铸件产线协同控制系统--24 总结与展望25缩略语列表27联合编制单位29参考文献30 工业控制系统发展趋势 1.1概述 工业控制系统是实现工业生产过程自动化和智能化的关键，也是推动企业数字化转型和提升竞争力的核心，已广泛应用于电力、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，是支撑起国计民生的关键基础设施[1]。 在工业企业的标准分层ISA-95架构中，定义了企业IT系统与控制系统集成的标准，包括5个层次，从下到上依次为物理设备层、现场控制层、过程监控层、生产管理层、运营决策层，其中下三层整体被称为工业控制系统（即OT系统）；同时现场控制层是工控系统的核心层，以PLC（可编程这辑控制器）为主，是运行自动化控制的关键设备，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。 （1）工业控制系统的部署架构 当前现场控制层与物理设备层的部署方式按大类可分为集中式、集中+分布式两种，集中式是以边缘控制器和远程IO站组合为核心，实现产线上小范围的集中化控制，集中+分布式是以主从PLC协同为核心，实现产线多工位间的一主多从式控制，主站PLC负责不同从站PLC之间的协调控制和数据传递。 (2)工业控制业务的分类 在工业生产现场，根据业务场景可划分为强实时性、弱实时性和非实时性三大类业务。在部署位置上，强实时性业务（如运动控制、高精协同控制等）通常部署在产线设备控制器上，弱实时性业务（如主从PLC控制、远程遥控等）一般部署在车间/工厂侧边缘基座上，非实时性业务（数采、智能化等）一般部署在工厂侧边缘或企业云基座上，三类业务场景区别如下表所示， 11.2问题和挑战 传统工业控制系统往往是专有实现，例如PLC工控系统，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；同时工业以太网、工业总线等类型的工控协议，存在着“七国八制”的现状，数据开放度低，并且已使用的现场级工控系统产品年代久远，技术已不适应企业数智化转型需求，存在一定的局限和挑战： （1）软硬件无法复用，系统维护升级成本高 随君设备的者以及生产复杂性的提升，传统封团那定的系统在维护和升级时可能会面临产品选择上的限制和高昂的成本。如果要向其他工控供应商的系统迁移，硬件和软件都不能复用，且需要重新编程组态和适配，额外增加了技术实施难度，带来高品的投资， 2）不同系统互通复杂，研发更新效率低 生产现场不同设备由于供应商不同通常采用不同的工控通信协议，产生大量信息孤岛，因此涉及多个不同控制系统的相互集成时，需要各种工业协议转换设备，不但增加了企业成本，还使系统集成和架构组成变得异常复杂，集中化的控制程序也因此变得庞大几杂，使系统研发、维护和更新效率低下，同时IT、OT间存在系统鸿沟导致IT、OT融合较难 （3）控制核心算力受限，智能化应用落地难 随若大数据、云计算等技术在工业领域的应用发展，在ISA-95金字塔中，企业资源层、生产管理层，如ERP、MES系统等开始逐渐云化，不再以垂直的烟窗体系存在，而是立足于海量大数据进行制造分析、生产计划制定等，同时视觉检测、AR/VR巡检、数据分析、预测性维护等应用也对现场算力提出新的要求。智能制造的发展，正在驱动上层的算力扩张，PLC控制层难以满足“算力向下沉、数据向上传”的需求， （4）工控代码移植性差，软件全生命周期管理难 传统的工业自动化系统无法利用ICT新技术优势，特定系统的专用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，同时阻碍企业的自主创新能力。 11.3发展趋势 工业控制的发展历经了从工业2.0->工业3.0->工业4.0，工业生产逐步从电气化、自动化问智能化时代发展；首先，随若处理器的送代发展，单控制器设备内集成的功能越来越多，工业人工智能逐步发展成标配：其次，全球化的生产和分工合作，使得工控系统必须具备自组织、自优化的功能；同时，互联网技术、通信技术与工业自动化技术的融合，使得工控系统全球互联成为可能。可以预见，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，助力新型工业控制系统的演进孵化[2]. （1）网络化：在IT/OT融合系统下需要使用广泛和统一的业务数据，所以需要消除传统工控系统中的大量信息孤岛。随着智能制造的发展，设备联网需求骤增，工厂需要一种即播即用、易部署的网络连接解决方案，实现设备间快速连接和相互通信的需求，IT网络和OT网络的分界将逐步消失，不断走向融合。 （2）开放化：工控体系需从传统的封闭态走向开放态，突破七国八制的工业协议“壁垒”，解决工控领域互联互通困难的问题。开放化要求工控领域能够基于一套开放/开源的工业通信协议，让所有产业链上的企业加入到开放开源的生态中，大家共享生态开放的红利；同时，开放化系统需保证工控应用程序可以跨平台部署执行，系统可以模块化建模、高效集成，设备间具备良好的协同和互操作能力， （3）集中化：视觉检测、AI分析、协同控制等新兴业务逐渐在工业生产中大量应用，传统的PLC算力已不足以支撑业务的拓展，融合强算力、多业务、广连接的新型边缘控制器逐渐受到客户的青；集中化要求能基于通用硬件的基座平台，融合工业生产中的多样化应用（PLC控制+智能应用等）、满足柔性制造中低成本、易使用、可替换、易重排的现场要求。 （4）智能化：随着未来算力的不断下沉，依托通用硬件的算力平台，工业控制系统将演变成智能自主控制系统，相比传统工业控制系统增加了系统级实时优化、动态系统重构的能力。制造过程全局优化的需求，驱动控制系统向高性能智能自主控制系统发展，驱动单元自动化系统向全流程多工序协同优化控制系统发展，驱动本地监控向远程移动可视化监控系统发展。 5G和工控系统融合发展方向分析 2.1产业界助推工控系统演进趋势 随着企业数智化转型需求的激增，OICT各界结合自身优势推出创新性的解决方索，助力传统工控系统向网络化、开放化、集中化、智能化的新型工业控制系统架构演进， OT产业界：以PLC软硬件解耦和开放化协议促进新共识 OT产业界高度视ICT/OT融合，大量知名国内外工控企业，包括西门子、三菱、施耐德电气、倍福、东土科技等公司，都认为软硬件解耦是大势所趋，推出了与硬件完全解揭的虚拟化PLC产品通过件的触合设计将标准的工业PC转换成全功能的PLC控制器；同时在软硬件解耦的基础上，进一步依靠更强算力基座实现DCS、PLC控制系统指令、运行工况监控和异常工况诊断的自优化和自决策，实现系统运行的优化与系统安全性的增强。 随若以太网技术的发展成熟热，基于EEE802.3标准优化的网络得以满足工业现场应用所需的实时性和确定性通信要求，传统工业总线开始向工业以太网升级演进，如Profinet、CC-LinkTE、EtherCAT、EtherNet/IP等；同时，OT产业界也在探索开放自动化的实现，2016年，埃克森美孚公司通过开放流程自动化论坛（OPAF）发起倡议，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”。 T产业界：以边缘实时计算技术为抓手赋新控制 据IDC称，随着全球连接的增长，越来越多的数据将被生成和采集，同时数据的实时性将进一步增强。预计到2025年，将近30%的数据将是实时数据，IT产业界的边缘实时计算将凸显技术优势。IT产业界通过在边缘节点构建软硬件技术栈，支持工业实时计算，从而进入工业实时控制领域[3]。IT产业界依托强大的智能边缘技术，可以将实时计算、应用程序及平台管理、基础架构管理、工业总线协议、控制类APP范例、信息安全、功能安全等能力融合于一体，从而化解当前智能制造转型过程中的算力弱、应用多等难题，帮助工厂加速部署大数据、人工智能等新兴应用。同时在密集计算环境中支持时间确定性计算，从而将工业控制系统轻松过渡到由软件定义的解决方案中。 CT产业界：以5G+工业互联网为契机探索新机遇 5G技术和工业互联网的有机结合，将逐步成为支撑工业生产的新型基础设施，CT产业界以5G为载体推动工业网络升级，以ICT服务资源为核心赋能工控产业，探索新型工业控制系统的技术创新。一方面提供扁平化工业5G组网，并扩展提供确定性连接能力增强保障，为5G深入工业产线OT域提供可能，实现工业现场多层级应用的5G一网直达；另一方面，充分利用网络内生算力提供工业控制底座，联合OT产业界打造面向工业控制领域的5G算网产品。 中国移动2022年发布的5G确定性工业生产网白皮书》以“跨域融合、确定可靠、算网一体”为核心理念设计了5G确定性生产网技术架构，依托该架构，可打通5G网络与工业生产网跨融合路径，锻造确定可靠服务保障能力，提供算网一体化基础设施底座，助力5G满足企业园区级、车间级、产线级的数智化需求[4]。 .2.25G和工控系统融合发展方向和价值 随若企业数智化转型需求的激增，OICT各