2023基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书

基于云网融合的工业数据采集和云化控制 白皮书 DIRECTORY目录 01前言01Introduction 案例一：中山某家居用品注塑生产案例29 案例二：某5G智能化工厂项目案例30 案例三：山东某钢铁风机节能项目案例31 案例四：某汽车股份有限公司5G工厂应用案例32 【参考文献】35 4.2 架构方案22 —— 前言 —— 工业是综合国力的根基、经济增长的主引擎、技术创新的主战场，也是建设制造强国、质量强国、数字中国等的重要支撑。加快推进新型工业化，是党中央着眼全面建成社会主义现代化强国作出的重要战略部署。 中国电信全面响应党中央战略，面向新型工业化依托云网融合优势和科技创新能力，与工业界紧密协作，打造新型工业化高性能连接与计算底座，为做强做优做大新型工业化提供核心助力。在智能网络方面，中国电信推出全云化5G工业定制网，首创工业PON确定性技术体系、IP网络3.0体系架构等，打造满足工业场景要求的高性能确定性网络，形成了全要素的泛在连接能力，满足工厂内外工业场景数据传输对网络的需要；在智能制造方面，中国电信以工业应用为牵引，打通工业数据采集、汇聚、治理及应用的闭环，推出了具备海量协议适配、超高处理性能的标准化、通用化数采网关，研发了首个基于5G云边协同的云化PLC工业控制系统，实现工控软硬件、异构设备、端边云等多维数据采集的统一控制，助力企业柔性生产、智能制造升级。 作为工业互联网领域的积极践行者，在中国工业互联网研究院的指导下，中国电信联合产业链各方，积极探索和实践基于新型工业网络架构的数采和云控应用，在煤矿、钢铁、化工、家电、装备等行业效果显著。本白皮书基于中国电信的实践经验，介绍了中国电信在工业网络、数据采集、云化控制方面的研究成果，推出翼云采、翼云控产品方案，并通过实际案例进行了深度剖析，可为产业界新型工业化的快速开展提供参考。 前言INTRODUCTION01 展望未来，中国电信愿与产业链合作伙伴们聚力共赢，在工业网络、数据采集、云化控制领域持续技术创新、应用深化，推动数字技术与实体经济融合发展，赋能工业领域的数字化、网络化、智能化转型升级，共建新型工业化美好明天！ —— 工业网络 —— 网络是工业互联网的基础。工业互联网网络是构建工业环境下人、机、物全面互联的关键基础设施，通过工业互联网网络可以实现工业研发、设计、生产、销售、管理、服务等产业全要素的泛在互联，促进各类工业数据的开放流动和深度融合，推动各类工业资源的优化集成和高效配置，加速制造业数字化、网络化、智能化发展，助力工业转型升级和提质增效。工业互联网网络根据业务需求和数据流向，可划分为工厂内网和工厂外网，本白皮书聚焦工业数采和工业控制业务，在网络连接范围上以工厂内网为主。 经过多年迭代发展，云网融合得到了快速演进，但在与工业控制协议结合方面却乏善可陈，迫切需要解决工业领域高可靠、大带宽、低时延的场景需求。用于连接现场传感器、执行器、控制器及监控系统的工业控制网络主要使用各种工业总线、工业以太网进行连接，涉及的技术标准众多，形成各自独立的数据孤岛，彼此互通性和兼容性差，限制大规模网络互联。连接各办公、管理、运营和应用系统企业网主要采用高速以太网和TCP/IP进行网络互联，但难以满足一些应用系统对现场级数据的高实时、高可靠的直接采集需求，研产供销服沟通成本较高。 为有效解决上述问题，满足工业数据“上通下达”的趋势需求。一是工业数采尤为重要，实现现场级设备数据的采集及互通；二是数据上云的深度挖掘更有价值，实现数据互操作与信息集成。这就对于网络确定性传输能力提出较高的要求，关键能力包含：上行大带宽、低时延、可靠性、低抖动。 INDUSTRIAL NETWORKS 2.1网络架构 传统工厂网络呈现“两层三级”的结构，如图2-1所示，即“工厂IT网络”和“工厂OT网络”两层技术异构的网络和“现场级”、车间级”、“工厂级/企业级”三个级别的网络。IT 网络主要由 IP 网络构成，并通过网关设备实现与互联网和OT 网络的互联和安全隔离。OT网络主要用于连接生产现场的控制器以及传感器、伺服器、监测控制设备等部件等。工厂级/企业级对通信的要求与传统 IT 网络类似，车间级、现场级等OT 网络对通信可靠性和时延有更高的要求，例如等时运动控制场景中，控制报文通信周期应小于1ms，网络时延一般不超过50%的通信周期且抖动小于 1μs，丢包率需优于 10-6。 基于云网融合部署需求，我们从实际项目中总结了三种典型部署型态：云网独立部署、云网部分独立部署和云网共享部署，如表2-1所示。从网络部署来看，客户现场，独立部署工业PON网络，按需选择5G定制网模式；从云资源部署来看，客户会采用独立部署私有云平台和应用公有云两种方式。 现阶段工业互联网业务发展对网络基础设施提出了更高的要求，工业网络呈现出融合、开放、灵活的发展趋势。中国电信提出基于工业互联网发展需求的新型工厂网络架构，如图2-2所示。一是网络结构扁平化，IT 网络与 OT 网络逐步融合；二是高实时控制信息与非实时过程数据共网传输；三是有线与无线的协同应用，以工业PON+5G为代表的双千兆在工厂广泛应用；四是网络技术开放和融合，如TSN与5G融合构建高可靠的网络连接；五是数据从传统工业控制系统中开放出来，以标准化的语法和数据模型开放给上层应用；六是组网方式和网络管控更加灵活，基于SDN的工业PON专网和5G定制网智能管控能力，满足工业的定制化应用和管控需求。 以工业数采连接为例，基于5G+工业PON的融合组网如图2-3所示，该方式下客户采用云网融合的部署模式，将网络设备（UPF、OLT等）和企业私有云集中部署，对于工业数采和工业控制业务来说，是一种比较典型的部署模式。 工业PON系统具有以下特点： （1）上行大带宽 工业PON按照PON的技术路线演进，遵从ITU-T的标准，支持基于业务需求选择不同的PON模式来提供不同的带宽能力，如表2-2所示。不同模式下速率有差异，OLT设备上采用combo线卡插入不同的光模块提供不同速率，以满足不同业务带宽需求。 2.2工业PON 中国电信率先在行业中提出工业PON技术理念，并坚持工业PON技术创新和推动行业应用，已形成工业PON核心专利族群，完成超过30项专利授权，完成软著5项，牵头国际标准7项。在2020年中国通信学会科技鉴定中评价为“我国原创技术”并荣获中国通信学会科技二等奖；在2022年创新性提出支持系统确定性能力的工业PON技术，承载工业闭环控制业务满足确定性要求，通过第三方测试验证，端到端系统时延可达十微秒级，抖动可达微秒级，达到行业领先水平，切实推进工业控制网络国产化更进一步。我们持续引导PON产业链，目标是协同推进工业PON网络成为满足工业可靠连接及安全信息传输需求的国有自主可控的主流技术。 按照分光比1:4，ONU下联口4口设备，当前成熟PON设备能够实现的能力如下：采用XGS-PON模式可为接入终端设备提供640Mbps的上行带宽。采用XG-PON模式可为接入终端设备提供160Mbps的上行带宽。伴随着工业PON技术演进，预计2025年50G-PON模式，按照相同的的业务模式，采用50G-PON模式可为接入终端设备提供1600Mbps的上行带宽。 工业PON源于ITU-T/ETSI的PON标准体系，是一种全新的工业互联网用全光网络连接技术，是工业场景中工厂内连接组网的全新方案，已经逐步在各类工业行业中进行现场部署和应用。为满足工业应用需求，现有工业PON技术需要突破传统时分复用上行机制的固有时延抖动限制，实现确定性网络传输能力，为工业客户提供一整套普适化、高性能、自主可控、智能化的新型高性能工业PON光网络基础设施，如图2-4所示，实现工业企业各类业务的确定性融合接入能力，助力工业企业向智能制造转型升级。 （3）中国电信确定性工业PON（低时延、低抖动） （2）可靠性 中国电信率先在行业中提出并验证确定性工业PON体系及能力，解决工业网络确定性传输需求，实现时延和抖动<1ms。中国电信在工业PON确定性技术体系中规定了端到端确定性分析调度、工业PON确定性能力互操作接口及模型、PON链路确定性控制三个关键功能，实现了工业PON系统确定性能力，提供具备有界时延和抖动能力、带宽保障能力、高可用性的确定性转发路径，满足工业PON系统承载工业行业内网的确定性业务需求。 采用链路保护满足网络可靠性要求，如表2-3所示，常用的工业PON网络保护技术类型：TypeC和TypeB。TypeC双归属可靠性最高可达99.999%，业务50ms内无缝切换。 目前，经过第三方检测机构评测，中国电信工业PON确定性能力已实现时延（最大值）：46微秒；抖动（最大值）：30微秒；上行带宽：9.95Gbps；丢包率：0。从业务的角度，可以提供时延<200μs，抖动<30μs，可靠性99.999%的工业PON确定性传输能力应用于工业控制业务场景中。 比照工业以太环网，工业PON系统提供了基于非均匀分光模式的双OLT手拉手保护链型组网方式，可实现全光路保护，极大提高了工厂内网有线网络的可靠性超过99.999%。 依据现有标准和现有设备实现能力，中国电信将现有的工业PON系统的确定性能力进行分级L0-L2以满足不同场景的需要，如表2-4所示。 L0级能力称为普通型。基于ITU-T984系列标准定义的GPON技术规范来实现和提供服务能力。L0级能力适用于普通型业务。 L1级能力称为确定性型。基于ITU-T987系列标准定义的XGPON技术规范来实现和提供服务能力。L1级能力适用于时延敏感型业务，提供了比较高的时延保障，同时带宽的能力也有所增加。 L2级能力称为确定性且上行带宽增强型。基于ITU-T 9807系列标准定义的XGS-PON技术规范来实现和提供服务能力。L2级能力适用于对上行大带宽有特殊需求的业务，如机器视觉检测，同时也提供了比较高的时延保障。 DL0：100ms@99.99%，典型场景如：能耗数采、视频监控、AI视觉、低速物流仓储AGV等。 主要实现技术：5G切片专线、共享UPF等。 DL1：50ms@99.99%，典型场景如：3C电子制造/家电制造中工业数采、SCADA远控，钢铁制造中远程控制、无人行车等。 主要实现技术：共享UPF/下沉UPF；QoS优先级；短SR周期调度、上行QCI预调度、目标BLER 1%等。 DL2：20ms@99.99%，典型场景如：3C电子制造/装备制造/汽车制造等PLC控制C2C场景（如：AGV与PLC协同的产线输送、分拣机与PLC协同的物流分拣等）。 主要实现技术：下沉UPF；QoS优先级、双发选收；上行QCI预调度、ULGrant-free（上行免授权调度）、目标BLER1%、RB资源预留、PDCP乱序递交、PDCP复制、Slot聚合等。 2.3 随着5G持续演进，中国电信针对工业生产场景开展分级分档5G网络能力建设，从时延、抖动、上行带宽、网络可用性、组网简化等多方面提升工业现场网络能力，积极推进5G从生产辅助环节融入核心生产环节，实现5G与工业互联网的深度结合。 DL3：10ms@99.99%，典型场景如：3C电子制造/装备制造/汽车制造等PLC南向控制C2IO场景（如：阀岛/IO等控制类的柔性产线、AGV多机协作等）。 （1）稳定时延 主要实现技术：下沉UPF；QoS优先级、双发选收；上行QCI预调度、目标BLER1%、RB资源预留、PDCP乱序递交、低码率MCS/CQI、PDCP复制、Slot聚合、Non-Slot（非时隙调度）、UL Grant-free（上行免授权调度）等。 工业应用从生产辅助环节向核心生产环节延伸，对网络传输的时延要求越来越高。不同工业应用场景对网络传输的稳定的时延能力提出不同需求，如工业数据采集的时延要求通常在50ms@99.99%~100ms@99.99%，工业云化控制的时延要求一般在20ms@99.9