融合确定性网络与工业AI智能体的云化PLC测试床

融合确定性网络与工业AI智能体的 云化PLC测试床 引言/导读 随着以信息技术为代表的第四次工业革命的到来，工业自动化系统将进一步提升全要素生产率，实现更高质量的产品、更低的成本和更高的效率。作为工业自动化系统核心组成部件的可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）正经历着巨大的变革，从现场离散化的PLC转变为云端容器化的云化PLC。云化PLC的优点有：1、云化PLC通过软硬件解耦，打破了传统工业自动化系统多层的约束，使系统的架构更加简单和扁平化。2、云化PLC通过软件的方式实现硬件资源配置和定义，便于实现软件复用和系统迁移，从而降低了成本。3、云化PLC将不依赖于设备硬件厂家的通信终端，可灵活地选择供应商，具有很强的扩展性。4、云化PLC建立在工业互联网平台之上，能够快速实现对异构数据（如图像、视频和音频等）的分析、挖掘与共享。同时，控制、数据分析和AI功能可以直接在云端上运行，符合工业自动化系统未来的发展方向。5、云化PLC使用多核处理器，并采用容器化技术构建出多个虚拟PLC（vPLC），能够快速实现多个设备的高效协同控制。6、云化PLC不仅原生支持IEC61131-3标准语言编程，还支持主流的高级编程语言(如C语言)，用户可以自由地组合这些编程语言，从而加快应用开发的过程并快速稳定地实现在行业应用中的落地。综上所述，基于云化PLC可构建出融合互通、协同开放、统一管控、智能高效的新一代工业自动化系统，契合工业自动化系统未来的发展方向。 一、关键词 云化PLC、容器化、vPLC、IEC61131、工业AI智能体、确定性网络、5G、TSN 二、测试床项目承接主体 2.1.发起公司和主要联系人联系方式 浙大城市学院 浙江至控科技有限公司 联系人：刘泓，15988155567，邮箱liuhong@hzcu.edu.cn 2.2.合作公司 边缘智能技术与装备浙江省工程研究中心浣江实验室 华为技术有限公司 三、测试床项目目标 云化PLC采用国产云平台软硬件技术，将PLC运行时部署在云平台的实时操作系统上，利用容器化技术实现工业控制系统中的软硬件解耦。通过5G/TSN等确定性网络技术，实现数据的高可靠实时传输，构建出新一代云边端架构的工业控制系统。在此基础上，依托大数据和人工智能技术，打造工业智能体，充分挖掘数据价值，提供设计、生产、物流、销售和服务等全链式智能服务。本项目的研制将加速云化PLC的发展，对探索具有智能化、高可靠和开放性等功能的新一代工业控制系统具有重要意义。 本项目的具体目标有： •研制云化PLC控制器，采用国产云平台软硬件技术，实现vPLC运行时的多核 RTE部署和冗余机制的实现，以及基于容器化的多RTE协同等功能； •云端集成开发环境（IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE）的开发，IDE具有IEC61131-3编程系统，C编程系统，AI系统，具有远程编辑、协同开发、云端编译、在线调试，模块化控制、智能编排等功能； •面向PLC云化部署的端到端确定性网络的研究，包括确定性网络TSN，免授权频段超高可靠低时延5G通信等研究内容； •工业智能体的搭建，结合大语言模型、多模态、人工智能等技术，搭建具有规划、执行、反思、长短期记忆的工业智能体。 四、测试床方案架构 4.1.测试床应用场景 智慧化高端装备（设备中包含机器人、机械臂、图像视频等）。使用各类传感器（如摄像头等）获取环境、工况、加工等数据；利用人工智能技术对这些异构数据进行分析、挖掘与共享；通过自主学习和建模实现自主控制与执行，从而实现优质、高效、安全、可靠的运行。 钢铁等工作环境恶劣的行业。可以通过云端远程集中控制来减少危险作业环境对人的依赖，从而降低人员伤亡并提升工作环境。 集团型企业。通过集团统一控制，实现各个公司的工艺水平拉齐，确保工艺的一致性。同时对于特殊关键产品的工艺参数集中管控，实现工艺保密。 柔性生产、多轴加工等协同产线。通过云化PLC快速实现各类复杂协同功能，以满足现代柔性生产的需求。同时，云化PLC还可以增强系统的实时性和协同性，提升效率并降低成本。 各类工业智能体场景。如复杂质检，涵盖工业面阵/线扫相机、3D相机、多相机和机械臂等的协同工作，以实现对复杂异形件的高速高精度在线检测。 其他场景，如高速传输、确定性计算等。 4.2.测试床架构 云化PLC系统架构如图1所示。在云端构建云化PLC集成开发环境，包括云工业组态、AI组态、工业智能体组态、云编程、容器化配置、编译器等核心组件，符合IEC61131-3自动化编程语言标准，具有高级编程语言编程能力。在云边端，基于国产异构芯片，挂载高性能非易失性存储器，在国产操作系统的基础之上开展云化PLC软硬件研究工作，实现vPLC运行时，包括多核RTE部署和冗余机制的、基于容器化的多RTE协同等。在边侧，提供边侧云化PLC，满足厂区云化PLC系统的私有化部署的需求。在端侧，提供端侧云化I/O控制器。端侧云化I/O控制器可以被云化PLC集成开发环境和边侧云化PLC直接控制，用于执行相关操作。 图1云化PLC架构图 图2面向云化PLC的确定性网络架构 面向云化PLC的确定型网络以5G无线和时间敏感网络TSN为主要研究对象。有线TSN主要在时间同步、流量调度以及互操作三个方面对以太网技术协议进行了优化升级，包括利用gPTP技术提升时间同步机制的性能，利用时间分片、抢占、流过滤等技术扩展流量调度手段，以及利用路径控制、冗余备份以及YANG模型等技术增强网络的互操作功能。时间敏感网络（TSN）技术为以太网协议的MAC层提供一套通用的时间敏感机制，在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时，为不同协议网络之间的互操作提供了可能。IEEE802.1TSN工作组目前已经完成基础共性协议的制定和发布，主要特性集中在时间同步、流量调度、网络管理以及安全可靠三大类。无线5G是一种主要应用低时延、高可靠和大带宽性能的新一代无线通信技术。为了进一步适配工业场景，可以将5G无线通信技术应用于免授权频段，以降低运营成本。本项目将提供TSN网关、端侧智能网关、免授权频段5G网关及相关的TSN模块和5G模块。 4.3.测试床方案 图3基于云化PLC的柔性生产线测试床 本项目将研制一套基于云化PLC的柔性生产线测试床（下简写为测试床）。测试床包含若干个柔性生产过程，部分柔性生产过程包含视觉感知系统和机器控制系统。测试床使用端侧云化I/O控制器进行控制，通过确定性网络与云端服务器通信，云端服务器运行PLC集成开发环境，实现IEC61131-3编程、AI编程，远程编辑、协同开发、云端编译、在线调试，模块化控制、智能编排等功能。测试床内部情况如图4所示。 4.4.方案重点技术 图4云化PLC的柔性生产线测试床内部情况 4.4.1.云化PLC集成开发环境 云化PLC集成开发环境以核心功能模块为单元进行图形界面和业务数据的模块化组件设计开发，高内聚低耦合功能模块单元构建了可靠性高、拓展性强的云化PLC集成开发环境。 1)核心编程：符合IEC61131-3标准，提供人机界面友好的文本语言(IL、ST)和图形语言（LD、FBD、SFC）编辑器，编程辅助组件提供变量的交叉引用查看、全局搜索替换等功能，为编程人员设计开发逻辑控制程序提供高效支撑；工程管理组件：提供全局变量申明管理功能，数据类型定义功能以及POU管理功能，方便用户快速工程组态。 2)编译链接：通过对编程开发的POU文件进行词法分析、语法分析、语义分析、链接等操作，生成目标程序，下装至控制器运行。 3)网络通讯：提供变量监视、联机调试、断点调试等功能，方便用户通过集成开发环境连接仿真器或者边缘控制器对控制逻辑程序进行调测。 4)云化集成：面向云函数的库管理功能通过在云端开发部署行业常用的云函数算法库，提供云函数库的解析和边缘侧协同部署能力。AI算法组态功能通过智能调度算法，将应用于模型训练或推理等的深度学习算法根据云边的资源情况分配部署至云端服务器或者边缘侧设备，为算法的开发测试和高效的落地于工业现场提供支撑。编译链接组件通过对编程开发的POU文件进行词法分析、语法分析、语义分析、链接等操作，生成目标程序，下装至控制器运行。同时网络通讯组件提供变量监视、联机调试、断点调试等功能，方便用户通过集成开发环境连接仿真器或者边缘控制器对控制逻辑程序进行调测。 4.4.2.云化PLC控制器 图5云化PLC集成开发环境系统架构 图6云化PLC控制器系统架构图 基于混合部署框架，单个或者多个云化PLC控制器部署在同一边缘服务器，其关键技术包括POU实时任务调度、多协议通信管理和热备冗余。 5)POU实时任务调度：IEC61131-3程序的加载、编译/解释执行、多任务实时调度以及断点调试。 6)多协议通信管理：基于私有通信协议ZC-ISCP的IDE-RTE交互技术；OPCUA/DA和ModbusTCP/RTU等数采通信协议；EtherCAT、EtherNet/IP、Profinet等工业以太网总线协议；vPLC间的网络变量NetVar通信协议。 7)热备冗余：基于上电顺序检测、通信总线检测、冗余互斥线检测和网线检测的低时延冗余状态切换；任务、变量、时钟、IO数据和POU的实时同步。 4.4.2.面向PLC云化部署的端到端确定性网络 时间敏感网络（TimeSensitiveNetworking,TSN）技术为以太网协议的MAC层提供了一套通用的时间敏感机制，在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时，为不同协议网络之间的互操作提供了可能。IEEE802.1TSN工作组目前已经完成基础共性协议的制定和发布，主要特性集中在时间同步、流量调度、网络管理以及安全可靠三大类。本项目将研究TSN中时间同步、流量调度、网络管理以及安全可靠关键技术。具体的核心技术有： 1)TSN跨网络高精度时间同步关键技术：时钟同步与流量整形和调度技术是网络保证实时应用端到端确定性时延的关键。TAS机制作为一种流量整形和调度技术，目标是允许时间触发（TT）流量和标准尽力而为（BE）流量在同一网络中共存，并且能够满足TT流的确定性通信需求，同时为BE流提供尽力而为的服务。为实现确定延迟，TSN利用帧抢占和流量整形机制在以太网链路中实现确定的传输路径，流量整形机制通过为高优先级流量提供确定的传输时隙来提供确定的传输时延，避免突发流量造成的重传和丢包的影响。针对PLC终端独立参与任务导致的资源分配不均匀的问题，将任务分配问题表述为重叠联盟形成博弈。该方法将重叠联盟问题转化为非重叠的联盟形成问题，以简化联盟形成的复杂性。在该方法中，虚拟终端可以通过选择不同的联盟来加入并分配感知资源，从而最大化系统的效用。 图7TSN网络时钟同步总体架构 2)工业网络协议与TSN协议适配：分析将现有工业通信设备升级为TSN网络设备的融合方案，在时间同步、流量调度、网络管理以及安全可靠三大类上完善IEEE802.1TSN工作组的基础共性项目研究；将现有工业通信设备升级为TSN网络设备的融合方案，设计相应的软硬件架构。 3)面向PLC云化部署的TSN交换机开发：在工业互联网领域中，业务流量模型相比传统工业控制网络的流量更为复杂，即从单一的产线内部的控制流量，转变为产线内部、产线之间、控制网络与信息网络之间的多种业务流量类型并存。有线无线融合传输节点需要完成不同链路类型之间的数据转换，模块中的数据流向与子模块功能如下图所示。数据需要通过有线无线融合链路进行传输，数据在有线链路传输至无线输出端口时，各节点的无线数据发送时刻由时隙分配算法的计算结果所决定。在每个有线无线融合传输节点中的重要模块有：数据转发分析模块、门控列表计算模块。通过通用硬件平台和TSN芯片实现设计架构，并搭建相应测试环境测试相关性能指标。 图8有线无线融合模块 4)免授权频段超高可靠低时延通信：应用免授权频段可以解决授权频段资源不足