基于5G基座的新型工业算网控一体化技术白皮书 2023

1.3发展趋势 082.25G和工控系统融合发展方向和价值 2.2.15G确定性网络能力融通工控核心环节 2.2.25G多层级基础设施提供多样性算力基座 2.2.35G算控融合平台承载多元化工控应用 09 3.2核心技术体系 124.1基座实时性保障技术 144.1.1虚拟层实时性适配技术 4.1.2数据业务实时性保障技术 4.2算网控协同管理技术 164.2.1网控协同技术 4.2.2算控协同技术 4.2.3算网控协同技术 184.3.1工控应用适配技术 4.3.2系统接口适配技术 204.3.3应用跨系统通信技术 205.1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 缩略语列表27联合编制单位29参考文献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(可编程逻辑控制器)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。ERPSCADA现场控制层OT域(工业控制系统)设备层+控制层+监控层IT域(信息管理系统)管理层+企业层工业总线图1ISA-95企业和控制系统自动化金字塔 (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 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，非实时性业集成和互操作性车、轨道交通制造、电子行钢铁、石化、冶金、矿山、食品、汽车、无厂钢铁、石化、制造、电子、汽车、电子、厂1.2问题和挑战 |1.3发展趋势控制能力控制能力20世纪30年代40年代50年代60年代70-80年代90年代21世纪基于PC的控制器(1985年)5G和工控系统中国移动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、算网一基于5G基座的新型工业算以打造“确定可靠的网、多层多样的算、集中协同的控”为核心理念，构建基于5G基座的新型工业算网控一体化架构，推动5G和工控系统的深度融合，为企业提供更高效、更智能、更可靠的生智意山现场控制器边缘控制器企业应用·运动控制·从PLC·VO采集·…·主PLC·MES·SCADA·机器视觉·预测维护·…·工控应用开放部署层工控应用开放部署层ERP·CRM·…算网控协同管理层保障层云资源·工业总线/以太接入·SIB9·5GLAN·FRER·5G图4基于5G基座的新型工业算网控一体化架构确定可靠的“网”:通过能力内生供给、性能极致服务、可靠全局保障的5G确定性技术，提供确定性的“通信质量”和“通信精度”,实现低时延、高可靠、时延抖动有界的网络通信服务能多层多样的“算”:5G基础设施通过5G工业网关、5G工业基站、5G工业UPF、企业云等提供同业务的算力承载需求；同时提供支持虚拟运行、任务统筹调度的基座实时性保障能力，支持组态22|3.2核心技术体系基于5基于5G基座的新型工业算网控一体化技术体系F通信网络保障技术应用算力编排技术操作系统实时保障技术工控应用资源隔离技术工控应用资源调度技术实时容器化融合技术实时虚拟化融合技术组态便捷识别技术开放自动化技术操作系统适配技术通讯接口适配技术』跨层联合调度编排技术接口互通链路配置技术软件虚拟交互技术图5基于5G基座的新型工业算网控一体化核心技术体系 44I型虚拟化。处理器硬件处理器硬件 (3)通过自动探测处理器高级特性并进行优化，保证容器间的切换时间降低到us级。4.1.2数据业务实时性保障技术基于5G基座承载实时应用的数据处理，需要提供从底层操作系统数据调度、应用算力编排到业断响应、任务抢占、内存申请释放等指标，以保障操作系统自身的实时性。此外，实时操作系统还可以通过任务优先级的调度方式，实现高优先级任务可无条件的抢占任何正在执行的低优先级业务进程。如采用改造原有Linux内核为实时内核场景下，中断线程化、进程调度算法、运行带宽等方式，来保障Linux的实时性能力，满足工业PLC实时业务>》4.1.2.2应用算力编排技术单个工业实时应用通常算力需求不高，但面到百级别，且需要同时提供基于插补算法的运动控制等能力，对基座算力的分配和编排有较高要求。5G基座算力编排应当尽量确保应用获得充足的实时性算力，实现动态、灵活的算力资源调度，满足应用硬件资源的合理分配和使用。此外在进行算力分配时还需基于工业应用对实时操作系统的资源需求，以及当前基座的资源使用情况，对算力和网络的实时运行状态进行监控，动态分析出应用所需的实时算力，并提供部署建议、故障检测和资源快速切换保障。针对业务运行态，还需要在数据分析、模型匹配、策略微调部分适时引入机器学习和智能辅助，提供及时有确定性网络座|4.2算网控协同管理技术√vPLC调度器vPLC管理器图8虚拟化PLC编排系统架构88PLC程序面向控制任务(非图形化)运行时系统RunTime摄像头摄像头机械臂(台下)电池模组基座某空调厂商内机生产线多个生产工序间采用多段传送皮带连接，不同工序对皮带线速要求不同，通常采用人工现场触摸屏控制方式调节变频器改变生产节拍，面临生产环境恶劣、产线节拍调整不灵活等问题，且现场控制界面对所有人可见存在潜在生产安全问题。传送皮带工序1工序5工序8图12空调内机产线传统控制架构2022年中国移动与该空调厂商开展联合试点，对空调内机生产线控制系统进行5G化改造。使用5G工业基站集成HMI、PLC,实现变频器远程调节、无线化数据采集等功能，助力企业降低运维1)vPLC部署：通过工业基站的云PLC替代原硬件PLC,控制变频器并采集从PLC数据，使交互功能与控制功能完全分离；触模屏触模屏标在变频器变频器图13改造前后网络拓扑架构对比445G工业UPF通常部署在工厂或车间级，可以利用自身丰富的算力资源，将PLC控制等业务容器于统一基座集中化控制和设备5G化联网，充分实现生产工艺协同化、设备布置柔性化和数据流转高检查铸杆外观缺陷(如缩松、气孔、冷隔等),然后通过人工分拣方式进行I、Ⅱ级及不合格品分不同的物料移动到对应的产线位置，经常出现响应慢、物料位置分配错误等问题，亟需自动化、智2023年中国移动与该装备制造企业联合试点验证，对产线进行控制系统改造，实现了铸件质量1)铸件质量检测环节：在加工产线上集成5G视觉检测装置进行视觉采集，实时获取旋转铸件多个角度的图像，通过5G将图片实时传递到部署在5G工业UPF上的视觉2)产线物料流转环节：根据物料类型在流转产线间部署多个连接到5G网络的AVG运输车，同时将AGV集控平台即PLC协同控制平台容器化部署在5G工业UPF中，利用5G工业UPF算力基座实现LAGVR图14铸件产线改造后网络拓扑 英文全名EnterpriseandControlSySupervisoryControlAndDataAcDistributedControlSyProgrammableLogicContr5thGenerationofCelAutomatedGuidedVehi自动导航车ArtificialIntelligenManufacturingExecutionSystMulti-accessEdgeComputi多接入边缘计算OpenPlatformCommuni开放式平台通信MessageQueuingTelemetryTranspo5G核心网时间敏感网络局域网CustomerRelationshipManAsymmetricMulti-processGeneralPurposeOperatingS英文全名中文解释RuntimeEnvironment运行态环境IntegratedDevelopmentEnvVirtualLocalAreaNetwork虚拟局域网Kubernetes容器开源管理平台CustomerpremisesequipmenCommunicationTechnology通信技术GraphicsProcessingUnit图形处理器DataProcessingUnit处理器分散处理单元FieldProgrammableGateArray现场可编程逻辑门阵列WarehouseManagementSystControllerAreaNetwork