基于5G基座的新型工业算网控一体化系统

中国移动研究院彭伟杰OT域(工业控制系统)设备层+控制层+监控层生产管理层

MESOPC，Modbus，...过程监控层SCADAOPC，Modbus，...现场控制层PLC工业以太协议（Profinet,

EtherCAT...），工业总线物理设备层

IO、伺服、变频...ISA-95

企业系统与控制系统集成标准IT域(信息管理系统)管理层+企业层运营决策层ERP现场控制层是工控系统的核心层，以PLC为主，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。设备A远程IO站视觉检测设备B远程IO站伺服站集中式部署工业边缘控制器工业以太设备C远程IO站某新能源汽车动力总成工厂主PLC设备A 设备B 设备C 设备D从PLC1

从PLC2

从PLC3 从PLC4工业以太主从PLC控制、远程遥控数采、智能化运动控制、高精协同控制车间/工厂侧边缘基座工厂侧边缘或企业云基座产线设备控制器强实时性业务弱实时性业务非实时性业务工业控制业务的分类场景大类部署位置工业控制系统的发展现状工业控制系统是推动企业数字化转型和提升竞争力的核心，在电力、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已被广泛应用工业控制系统的部署结构集中+分布部署工业控制系统面临的挑战及发展趋势控制能力工业2.0工业3.090年代仪表状态20世纪30年代按回路运行 按过程运行40年代 50年代 60年代过程优化70-80年代管控一体21世纪工业4.0模拟模拟模拟监测仪表随着计算能力出现，将工控从模拟带入数字时代计算机出现（1946年）数字/模拟监督控制数字/模拟设定值控制/直接数字控制RS232,RS485离散IO连接G0.串行通信(kbps)数字/模拟DCS出现（1975年）PLC出现（1969年）基于PC的控制器（1985年）Profibus,Modbus,CANopen,DeviceNet,ControlNet,Data

HighWay...G1.现场总线时代(~10Mbps)数字现场总线数字边缘计算概念出现（2006年）DCS/PLC模拟单回路反馈控制器工业以太网Profinet,POWERLINK,Ethernet/IP,EtherCAT...G2.实时以太网时代(~100Mbps)5G,OPC

UA

over

TSN,DetNet...G3.5G和确定性网络时代(Gbps)工控系统的问题和挑战异构系统互通难研发效率低软硬件复用难系统升级成本高工控系统的发展趋势控制算力不足 代码移植性差智能应用落地难

软件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；工控软件移植性差，阻碍企业的自主创新能力工控系统异厂家升级，硬件和软件都不能复用重新编程组态，额外增加投资和技术实施难度异构系统间需协议转换，增加成本和系统复杂度，导致系统研发维护效率低IT、OT间存鸿沟，融合难视觉检测等应用对现场算力提出新的要求智能制造的发展，正在驱动上层算力的差异化需求和扩张网络化开放化集中化智能化现有工控系统面临软硬件复用难、异构系统互通难、代码移植难等问题，在企业数智化转型中存在局限和挑战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确定性的网络、多层级算力设施、多元化融合平台，助力5G与工业控制系统融合发展运营商/专网CT设备行业应用行业设备云平台OT产业界：以PLC软硬件解耦和开放化协议促进新共识IT产业界：以边缘实时计算技术为抓手赋能新控制云平台行业设备行业应用网络CT产业界：以5G+工业互联网为契机探索新机遇运营商/专网算力设施行业应用行业设备CT设备确定性网络能力融通工控核心环节一网多用：业务隔离、带宽保障、数据安全多能供给确定可靠：分组通信、有界时延、超高可靠满足严苛需求多层级基础设施提供多样性算力基座端侧接入：设备接入5G网络的中介，

提供多样接入边侧多能：在网络接入的技术上，

融合提供高性能的计算和存储云侧拓展：虚拟化的计算、存储和数据资源，

扩展边端计算和存储能力算控融合平台承载多元化工控应用多元融合：强实时、弱实时、大算力应用的融合便捷管理：业务灵活部署、跨层交互以及协同调度123产业主推工控系统演进趋势5G赋能工控系统三大价值5G与工控系统融合的价值多层多样的“算”确定可靠的“网”集中协同的“控”算网控协同管理层工控应用开放部署层SIB95G

LAN

• FRER确定路由……5G

TSN工业总线/以太接入基座实时性保障层智慧矿山智慧工厂智慧冶金智慧产业园区企业应用…DPU • AI加速卡云资源……5G工业网关5G工业网关5G工业UPF5G工业基站从PLC运动控制MES智慧电力现场控制器I/O采集预测维护…•ERP

• CRM…智慧港口边缘控制器SCADA • 机器视觉MPU… • 主PLC工控应用适配算控协同工控应用资源调度

工控应用资源隔离应用跨系统通信软件虚拟交互开放自动化 组态便捷识别系统接口适配通讯接口适配 操作系统适配网控协同接口互通、链路配置算网控协同跨层联合调度编排操作系统实时保障边资源数据业务实时保障应用算力编排通信网络保障虚拟层实时性适配实时虚拟化 实时容器化端资源CPU • GPU基于5G基座的新型工业算网控一体化架构以“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、更可靠的生产和管理方式基于5G基座的新型工业算网控一体化技术体系基座实时性保障算网控协同管理实时虚拟化融合技术实时容器化融合技术应用算力编排技术通信网络保障技术接口互通链路配置技术操作系统实时保障技术工控应用开放部署软件虚拟交互技术操作系统适配技术通讯接口适配技术工控应用资源调度技术工控应用资源隔离技术组态便捷识别技术虚拟层实时性数据业务实时网控算控算网控工控应用系统接口应用跨系统通适配性保障协同协同协同适配适配信开放自动化技术跨层联合调度编排技术攻关基座实时性保障、算网控协同管理、工控应用开放部署等三大类14项关键技术，梳理形成技术发展路线新型工业算网控一体化核心技术体系虚拟层实时性适配，数据业务实时性保障，充分确保5G算力基座的端到端实时性为融合实时、非实时业务夯实地基5G业务vPLC(容器)非实时应用HostOS（Linux

）Hypervisor(kvm)透传CPU1CPU2GuestOSRTOSCore3 NIC...Core1

Core2容器5G业务vPLC智能应用CPU1CPU2Hypervisor(kvm)容器透传HostOS（Linux

+RTpatch）Core1

Core2Core3 NIC...GuestOS5G边缘基座vPLCRTOS机器视觉分析GPOSAGV调度管理RTOS确定性网络算网控一体化实时保障平台确定性算力编排 确定性网络监控和智能优化vPLC收发时延S2AGV调度管理收发时延S3路径时延t1路径时延t3路径时延t2确定性网络5G转发时延s1业务层收包时延D1业务层收包时延D25G边缘基座(s1+

t1)<

(D1-s2)、(s2

+

s3

+

t3)

<

D2

&D1基座实时性保障技术从底层硬件、网络到上层业务，通过“网控、算控、算网控协同”能力供给实现5G多层基座算力资源、网络链路、工控业务编排配置算网控协同管理技术支持开放化、易操作的应用适配能力；兼容并蓄的系统接口能力；简洁高效的跨层通信能力，满足集约化、高效能的工业控制要求PLC伺服驱动器1xml文件输出阀岛站xml文件相机控制器xml文件伺服驱动器2xml文件位移传感器xml文件普通IO站xml文件集成开发环境IDE通讯服务接口数据采集与监控/上位机/云平台通讯服务接口通讯服务接口运行时系统

RunTime操作系统适配层硬件驱动/硬件层操作系统远程IO、伺服驱动器、工业设备...物理内存进程AvPLC1进程BvPLC2应用操作系统上行链路物理网口虚拟交换端口虚拟机OS1虚拟交换机

虚拟交换端口虚拟机OS2虚拟网卡虚拟网卡工控应用开放部署技术5G算网控一体化服务

路径二：集中服务强实时+弱实时性工业控制业务+工业智能化应用业务从PLC5G工业网关5G工业网关从PLC现场总线伺服、

I/O现场总线PLC……主PLC

•

MES

•

SCADA5G工业基站 5G工业UPF瘦终端胖终端5G工业基站

5G工业UPFPLC5G工业网关现场总线……MES

•

SCADA瘦终端内置模组确定覆盖RT

Patch实例隔离主从式PLC确定可靠算力编排联合调度传统组态精确路由路径最优跨层感知分离式工业AI……接口互通…………精准访问集约调度跨层协同……实时虚拟化实时容器化组态识别跨系统通信网算控网超低时延有界抖动高精度同步……算控集中式PLC开放组态内化式工业AI……结合工业产线的业务场景需求和部署条件，可采用两种部署方式向行业客户提供算网控一体化解决方案路径一：集中+分布服务弱实时性工业控制业务+工业智能化应用业务算网控融合部署演进路径基于5G工业网关的电池组装线控制系统企业痛点@新能源电池产线一是通信能力不足，工业总线协议与IT系统互通复杂；二是有线网络调整不灵活，设备移动困难；三是PLC产品供货周期长，滞后产线扩张速度。解决方案vPLC融合部署，减少5G融入后现场部署设备数量，减少复杂度，南向保持既有连接，通过有线连接完成机械臂运动、拧紧枪固定等控制功能；工业网关无线数采，通过5G实现关键数据的北向无线化采集。实施效果解决了成本高、供应链风险高、层级多、部署不灵活等问题，取得了良好效果。基于5G工业基站的空调内机生产线控制系统基于5G工业UPF的铸件产线协同控制系统企业痛点@空调厂商内机产线一是调整不灵活,通常采用人工现场触摸屏控制方式调节；二是分权分域模式单一，控制界面对所有人可见。解决方案vPLC/HMI远程控制：通过5G无线化方式完成控制指令编排与下发。vPLC/HMI融合部署：简化PLC与HMI之间网络连接，实现为本地化处理、本地化呈现；实施效果远程无线操作，优化工作环境，降低企业运维成本企业痛点@装备制造铸件产线一是效率低、成本高，一般通过人工方式