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基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书INDUSTRIAL DATA ACQUISITION AND CLOUD CONTROL BASED ON CLOUD NETWORK CONVERGENCE01前言01Introduction06总结34Summary03数据采集15Data Acquisition3.1 应用场景163.2 架构方案1704云化控制20Cloud control4.1 应用场景214.2 架构方案2205总体架构及案例27Overall Structure and Case Studies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案例五：江苏某电气连接制造商5G全连接工厂33【指导单位】35【参考文献】35【参编单位】3502工业网络03Industrial Networks2.1 网络架构052.2 工业PON072.3 5G11DIRECTORY目录00002 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 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。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！前言 前言INTRODUCTION010304 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 工业网络 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。工业网络INDUSTRIAL NETWORKS020506 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 工业网络传统工厂网络呈现“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 1s，丢包率需优于 10-6。2.1网络架构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。图2-1 传统工厂网络架构IT办公网防火墙IT生产网MES ERP 工厂级工业以太网/工业无线SCADA主PLC车间网从PLC/IO工业现场总线/工业以太网/工业无线现场级生产核心/生产制造网生产核心/生产信息网以太网/无线IT网OT网防火墙防火墙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。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。IT办公网IT生产网防火墙MES ERP 工厂级工业PON/5G/WiFi-6SCADA主PLC车间网从PLC/IO确定性工业PON/5G确定性网络现场级生产核心/生产制造网防火墙生产核心/生产信息网防火墙工业PON/5G/WiFiIT网OT网图2-2 基于工业互联网发展需求的新型工厂网络架构部署方式5G部署独立部署5G定制网如翼模式工业PON设备独立部署客户现场客户部署私有云平台部分独立部署5G定制网比邻模式工业PON设备独立部署客户现场客户部分应用公有云平台/部分部署私有云平台共享部署5G定制网致远模式工业PON设备独立部署客户现场客户应用公有云平台工业PON部署云资源部署表2-1 云网部署方式0708 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 工业网络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。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。2.2工业PON图2-3 基于云网融合的工厂内网独立部署模式5G工业网关工段1传感器 执行机构 变频器 机器人控制柜：仅保留远程I/O终端（PLC云化）5G工业网关工段N传感器 执行机构 变频器 机器人控制柜：PLC+I/O传感器 执行机构 变频器 机器人PLC控制柜：PLC+I/O工业PNC边缘设备5G基站ODN 5G和工业PON统一网管 工业数来/工业控制应用 MES/WMS等业务系统平台应用UPF/BBUOLT无线域：5G定制网有线域：工业PON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。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。ITU-T（标准组织）GPON模式XG-PON模式XGS-PON模式50G-PON模式上行速率下行速率商用时间1G2.5G200910G10G202025G50G20252.5G10G2017表2-2 工业PON模式 图2-4 工业PON的组网架构和产品构成企业管理中心部署可视化大屏企业机房部署OLT（一体机柜）车间至机房部署ODN光链路生产车间部署ONU工业PON自服务平台ONU设备工业PON融合网关设备服务器OLT 0910 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 工业网络（2）可靠性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。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%。OLT设备ODN设备ONU设备可靠性（参考值）TypeC双归属2台2个上行双PON口最高99.999%TypeB双归属2台1个上行单PON口高99.9%TypeB单归属1台1个上行单PON口高99.9%TypeC单归属1台2个上行双PON口较高99.99%表2-3 链路保护模式图2-5 双OLT手拉手保护链型组网示意图工业PON自服务平台备用工业PON OLT2主用工业PON OLT1工业车间1工业车间2工业PON网关工业PON网关工业PON网关工业PON网关工业PON网关主用网络主用网络冗余网络冗余网络（3）中国电信确定性工业PON（低时延、低抖动）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。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200s，抖动30s，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。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-T 984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-T 987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。图2-6 确定性工业PON体系整体架构图ONUOLTONU工业PON网络OLT厂商olt设备和电信自研工业pon边缘设备（ct100）电信自研：通过工业pon自服务平台实现PON链路确定性控制功能PON链路确定性控制功能工业PON确定性能力互操作接口及模型工业PON确定性能力互操作接口及模型端到端确定性分析调度需求分析算法调度1112 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 工业网络关键指标带宽（B）（上行/下行）时延（D）可靠性（R）指标范围（Gbps）技术实现指标范围（ms）技术实现L0：普通型GPON模式L2：确定性且上行带宽增强型XGS-PON模式L1：确定性型XG-PON模式上行单向:0,1上行单向:0,8.5上行单向:0,2下行单向:0,1下行单向:0,8.5下行单向:0,8.5上行QoS优化固定带宽分配单帧多突发等单帧多突发等指标范围99.99%,99.999%99.99%,99.999%99.99%,99.999%ITU-TG.984 GPONITU-TG.9807 XGS-PONITU-TG.987 XG-PON上行单向:1，10下行单向:0.2，0.5上行单向:0.2,1下行单向:0.05,0.2上行单向:0.2,1下行单向:0.05,0.2表2-4 工业PON系统确定性能力分级随着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。（1）稳定时延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50ms99.99%100ms99.99%，工业云化控制的时延要求一般在20ms99.99%以内，更严苛的工业运动控制场景要求达到5ms99.99%甚至1ms99.99%以下。(注：一般采用累积概率分布AmsB%描述时延指标，如20ms99.99%，代表99.99%的样本RTT时延小于等于20ms)按照不同应用场景的时延需求及相应的5G网络技术实现手段，可以把时延分成不同的档级，如图2-7，将时延能力分为DL0DL4五级。2.35G图2-7 时延能力分级5ms99.99%10ms99.99%20ms99.99%50ms99.99%100ms99.99%时延能力DL1DL0DL2DL3DL4不同档次DL0：100ms99.99%，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。DL1：50ms99.99%，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。DL2：20ms99.99%，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、UL Grant-free（上行免授权调度）、目标BLER 1%、RB资源预留、PDCP乱序递交、PDCP复制、Slot聚合等。DL3：10ms99.99%，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）。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BLER 1%、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。DL4：5ms99.99%，典型场景如：PLC南向渗透率更高的C2IO场景、非高精度运动控制场景。主要实现技术：在DL3的基础上，叠加TDD互补、DS帧、uRLLC增强（如PDCCH增强等）、毫米波等。DL0 DL2的端到端成熟度较高，可规模商用；DL3端到端成熟度中等，可开展商用试点；DL4实现技术正处于演进探索阶段，中国电信正协同产业链积极开展试点探索。（2）低抖动抖动是指业务传输时延的变化，抖动过大超过通信保护间隔会使得业务中断。传统控制类业务通过有线网络方式承载时，有线物理介质传输稳定使得抖动较小；5G网络由于无线空口传输信道的不确定性将引入更多抖动。中国电信积极协同业界探索利用无线流量整形、R17/R18等相关技术降低无线传输的不确定性，满足工业网络的低抖动能力要求。抖动可采用区间概率分布方式AmsB%来描述，即大于等于B%的样本时延落在业务传输最大时延-Ams，业务传输最大时延区间段之内，例如1ms99.99%表示不少于99.99%的样本时延落在业务传输最大时延-1ms，业务传输最大时延。抖动的不同分级情况见图2-8。1314 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 工业网络JL0：抖动无特殊要求，通常对应时延要求在时延分级DL0DL1的工业场景，当前5G R15/R16技术基本可满足该类场景的商用需求，产业成熟。JL1：16ms99.99%，通常对应时延要求在时延分级DL2的工业场景，可以通过上行预调度、目标BLER 1%、RB资源预留、PDCP乱序递交等技术满足需求。JL2：8ms99.99%，通常对应时延要求在时延分级DL2DL3的工业场景，可以通过上行预调度、目标BLER 1%、RB资源预留、PDCP乱序递交、mini-slot等技术满足需求。JL3：4ms99.99%，通常对应时延要求在时延分级DL3DL4的工业场景，可在JL2基础上，结合双发选收、DS帧、网业协同等技术满足需求。JL4：2ms99.99%，通常对应时延要求在时延分级DL4的现场级C2IO控制场景，如工业产线上多设备联动的柔性产线场景。可在JL2基础上，结合双发选收、DS帧、无线流量整形等技术满足需求。JL0和JL1端到端已成熟，可规模商用；JL2端到端成熟度中等，可开展商用试点；JL3JL4正处于演进探索阶段，中国电信正协同产业链积极开展试点探索。（3）上行大带宽数采数传、视频监控、机器视觉等工业应用，往往上行数据带宽需求显著高于下行数据，需要通过获得更多的上行频谱资源实现5G的上行大带宽能力，以满足工业应用的高速上行需求。目前5G网络的上行大带宽可以用小区上行容量来描述。小区上行容量在同频单小区组网场景下可达0.81.2Gbps，在同频多小区组网场景下可达400600Mbps，通过MU-MI-MO、分布式Massive MIMO、上行发射选择、载波聚合（CA）、1D3U帧结构等技术的叠加运用满足不同速率需求。图2-8 抖动能力分级16ms99.99%2ms99.99%4ms99.99%8ms99.99%抖动能力无特殊要求JL1JL0JL2JL3JL4不同档次（4）网络可用性工业场景往往对网络可用性有更高的要求。网络可用性一般使用网络无故障运行时间占总运行时间的百分比来度量。5G网络可用性一般可做到99.9%99.999%。目前，5G网络通过无线接入网、承载网和核心网的备份容灾方式联合保障网络可用性，比如：无线接入网采用双BBU+双链路上联承载网等，承载网采用接入环形+汇聚口字型组网等，核心网采用设备内部板卡备份、外部1+1、N+1设备容灾等。（5）组网简化传统的工业网络大量使用二层以太网协议进行传输，如ModbusTCP、Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT等工业协议，均是在传统以太网基础上进行的改进和扩展。5G R16引入的5G LAN技术支持以太网和IP的PDU会话类型，支持终端的单播、广播、组播的流量转发，使5G网络原生支持二层组网，在5G融入工业网络时，可保持原有工业网络的拓扑不变、简化组网架构，大大降低工业产线的5G改造难度。5G LAN可广泛应用在5G PLC集控、5G远程控制、5G工业数采、电力差动保护、AGV多车协同等场景。16 数据采集15 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书数据采集DATA ACQUISITION03数据采集是智能制造的关键要素和先决条件，是实现生产制造全过程数字化、智能化改造的基础。通过在数据采集终端上内置5G模组或部署5G网关等设备，实现工业设备与各类数据采集终端的网络化全连接；并通过数据采集、数字孪生等手段，实时上传生产设备、现场环境、能耗排放等数据，实现全要素全环节的动态感知、互联互通、实时分析、科学决策，从而达到提升生产效率、产品质量和安全水平，降低生产成本和能源资源消耗，优化生产运营管理的目的。数据采集主要包括生产设备数据采集、现场环境数据采集、能耗排放数据采集等场景。生产设备数据采集广泛应用于设备协同作业、柔性生产制造、设备故障诊断等典型场景下，主要采集生产现场的设备状态、运行参数、设备运行轨迹、工序完成情况、现场视频等数据。现场环境数据采集主要应用于生产现场监测场景下。在工业园区、厂区、车间等现场，通过内置5G模组或部署5G网关等设备，各类传感器、摄像头和数据监测终端设备接入5G网络，采集环境参数（环境温度、湿度、有害气体浓度、天然气浓度等）、人员动作、现场视频等监测数据。能耗排放数据采集主要应用于生产能效管控场景下。在工业园区、厂区、车间等现场，通过内置5G模块的仪器仪表，实时采集企业用电、水、燃气等各类能源消耗数据和总烃、苯系物、粉尘等污染物排放数据，实现大规模终端的海量数据秒级采集和能效状态实时监控。典型业务场景如下：3.1应用场景场景生产设备数据采集接口协议MC/S7/Hostlink/MPI/PPI数据类型和格式数据量和频度数据分析处理控制功能业务要求设 备 状 态（待机、运 行、停机），运行参数（温度、压力、速度等），生产数量，生产批号等通过MQTT协议json串方式上传，单次上传的数据量需要根据具体设备确认，按照1s周期上传1.采集设备状态分析设备待机、加 工、停 机 时间、统计分析设备OEE；2.采集设备关键运行参数，进行SPC分析；3.生产数量统计分析不参与设备远程控制，主要实现远程工艺参数下发数据完整性，不能丢包，需要具备网络异常本地数据缓存1718 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 数据采集场景现场环境数据采集接口协议RS485/Modbus RTU（4-20mA）数据类型和格式数据量和频度数据分析处理控制功能业务要求环 境 温 度、湿度、有害气体浓度、天然气浓度等通过MQTT协议json串方式上传，字段+数据总 共 1 5 6 个 字节，按照1s周期上传实 时 温 度、湿度、有害气体和易燃易爆气体浓度阈值报警及控制周边设备异常报警联动外围排风、除尘、除湿设备实 时 温 度、湿度、有害气体和易燃易爆气体浓度按照变化趋势设定三级阈值：异常、警告、危险；出现异常需联动外围设备动作，直至正常能耗排放数据采集RS485/Modbus RTU三相电压、三相电 流、实 时 功率、总电能耗、实时水流量、用水量等通过MQTT协议json串方式上传，字段+数据总 共 2 3 8 个 字节，按照1s周期上传实 时 电 压、电流、功率、流量阈值报警；以天为单位电能及用水量异常报警；用电量及用水量按时间进行统计分析异常报警电闸和水阀联动控制实 时 电 压、电流、流量异常按照持续时间分为三级：警告、报警、自动控制切断表3-1 工业数据采集典型场景表随着 1970 前后微处理器的问世，将其直接用于控制机床和电子电路等，将工业发展推向了新篇章，带来了全世界范围内的自动化变革。这时传统意义上的数据采集也成为各个自动化设备厂家，在工业自动化进程当中一直在解决面对的问题。在不同地域不同市场环境中，为确保各个设备厂家的利益、技术壁垒和不可替代性，先后定义了多种的工业通信协议，用来传输各自的工业参数，状态数据和结果数据。这些数据协议自被定义以来，持续在工业领域推广和发展，最终形成今日通信协议繁多，无法统一的局面。常见的工业通信协议如：Modbus TCP/IP，Profinet，EtherNet/IP，CANopen，Powerlink 等上百种。传统数据采集过程中不可避免的遇到解析这些通信协议。虽然 90 年代国际组织 OPC 基金会成立，旨在不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化，使其间的数据交换更加简单化。但是发展至今一些问题超出其解决范围，传统工业控制数采架构图如图所示：3.2架构方案3.2.1 工业自动化背景下的数据采集为了解决传统数采建设过程中的上述难点，中国电信联合多家合作伙伴，整合物联网、5G+工业 PON、边缘计算、工业数采等技术，形成了翼云采数据采集方案。该方案采用网络服务能力和工业数采能力融合的新模式，具体技术架构如下图所示：3.2.2 OT与CT融合的新数采模式OPC应用统一工控协议MESWMS管理交换机服务器接口接口接口数控工段工段N工段1ERP等其他业务系统工控机SCADA/HMI/OPC应用汇聚交换机工控机SCADA/HMI/OPC应用汇聚交换机工控机DNC汇聚交换机PLC控制柜：PLC+I/O传感器变频器 机器人执行机构PLC控制柜：PLC+I/O传感器变频器 机器人执行机构数控系统数控系统数控系统图3-1 传统工业控制数采架构图云服务器 IT业务云化（如ERP），生产与业务分离 生产相关应用更靠近现场 云端运维 5G和工业PON统一网管 业数采/工业控制边缘DC 侧应用就地搭建边缘DCUPF/BBUOLT5G基站ODN无线域：5G定制网翼云采5G标准版工段1控制柜：仅保留远程I/O终端（PLC云化）传感器执行机构 变频器 机器人翼云采5G标准版工段N控制柜：PLC+I/O传感器执行机构 变频器 机器人翼云采5G标准版数控系统 数控系统 数控系统有线域：工业PON传感器 执行机构变频器 机器人PLC控制柜：PLC+I/O工业PON融合网关数控系统数控系统数控系统应用运维边缘计算现场设备层图3-2 翼云采技术架构图1920 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 云化控制云化控制CLOUD CONTROL04（1）现场设备层翼云采终端设备是一种融合网络终端设备，分为5G无线网络终端和工业PON有线网络终端，两种终端根据实际组网需求选择；连接工业现场各类工业设备，包括常见品牌的PLC，数控机床，SMT贴片机，注塑机，总线类仪表等。以工业视角看，翼云采系列终端是实现现场设备的远程数据采集、协议转换与统一、数据建模、边缘计算和远程维护的智能工业终端，其满足工业生产管理的基本数据保障需求。以网络视角看，翼云采系列终端是5G定制网或工业PON网络的管理网关，具备强大网络管理能力，同时其功能南向延伸至工业现场网络和总线，实现支持300+的工业设备驱动协议，多路通讯接口，可满足绝大部分工业设备的联网需求。（2）边缘计算层边缘计算层可配套软硬一体、即插即用的微型边缘数据中心（边缘DC）。其包含计算服务器、存储设备、边缘OS平台，并根据网络建设情况集成UPF/BBU,或者OLT等设备，为企业快速构建一个性价比超高的本地化企业级数字化平台。其中，边缘DC保障企业生产现场算力，可构建生产现场管理相关的应用服务，如传统SCADA、MES等，保障企业现场业务就地解决。UPF下沉到网络边缘，可以降低传输时延，实现数据流的本地分流不出厂，缓解核心网的数据传输压力，从而提高网络数据处理效率，满足垂直行业对网络超低时延、超高带宽和安全性的需求。OLT则对工业PON有线网络实现基于设备的网元管理和基于业务的安全管理和配置管理。（3）运维与应用层在应用方面，可在云端或私有云的业务管理平台上搭载机械加工行业（钣金、金属机加、注塑等）、电子电器行业（3C、医疗、汽车、工业等）的各类专业应用软件系统，包含运营管理（ERP）、仓储管理（WMS）、设备运维（TPM）、设备物联（IOT）、设备监控、能源监控、安环监控、场内物流、产品设计、工业仿真（VC）、数字孪生等数字化应用，并提供相应的数字化硬件配套设备配件库。就像应用商店一样，客户可以根据自身需要，按需选择相应的软、硬件产品，一站式获取数字化、智能化解决方案及产品服务。在OT运维管理方面，实现终端设备在线监控、报警诊断分析、故障指定分发、协议在线升级、固件远程更新、网络自服务管理等保障功能。总之，基于OT与CT融合的翼云采数据采集方案，打破了传统数采过程中点位点表的数据组织形式，加强了OT域数据重组建模、边缘计算的能力；并将其与电信网络管理能力的部分相融合，打造出了融合网关终端产品；利用其网络管理与工业数据协议互通的一体化优势，帮助企业在OT域网络进行基础建设的同时，解决了传统模式下的数据孤岛问题。2122 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 云化控制工业PLC控制是工业生产的基石和核心环节，是实现大规模自动化生产的关键基础。云化PLC控制技术的不断发展和成熟，将可实现更智能、更可靠、更安全的工业控制，促进工业智能应用快速增长。云化PLC控制业务场景以多设备协同操控、远程精准控制、超低时延图传、外观/位置精确识别等为特征，可以支持传统PLC难以单独满足的多业务协同场景，例如设备协同作业、柔性生产制造、机器视觉质检、厂区智能理货（智能物流分拣）、精准动态作业（五金件智能加工、五金柔性打磨等）等场景。典型业务场景如下：4.1应用场景场景拆包上料接口协议北向OPC-UAmodbus南向ethercatmodbus数据类型和格式数据量和频度数据分析处理控制功能业务要求1)机械臂末端六轴 力 传 感 器 数据，字符类型2)机械臂六轴位姿信息，字符类型3)纸垛物料图片数据，ENUM类型4)纸垛物料深度数据，SGBM类型视觉安全防护系统数据，字符类型1)六轴力传感器数 据 采 集 每150ms读取一次2)机械臂位姿数据每5ms读取一次3)视觉安全防护系统数据每5ms读取一次视觉相机定位系统数据每1s读取一次码垛尺寸分析和位置定位机械臂控制抓取安防系统联动控制切割工位操作控制每3min实现从3D视觉定位机器夹爪滑动切刀拆包整理物料牛皮纸回收自动上料全流程质量检测北向OPC-UAmodbus南向ethercatmodbus工业相机采集的图 像，格 式 为BMP数据量每秒是6张，每 张 图50M,大小为2000 x2000，采用深度学习方法，需要对图像的缺陷和尺寸进行测量根据机器视觉分析结果，控制良品和不良品的检出和入库识别精度达到千分之4的漏检，单张图检测速度50ms内物流分拣北向MQTTHTTPTCP/IP南向ethercatmodbus数 据 上 传 为JSON格式，字符。机器视觉分析结构为Socket报文格式1秒5次数据上传，保证监控界面数据的及时刷新。机器视觉为1秒1次拍照相机拍照获取货物条码并上传采用传感器检测货物位置，根据相机拍照结果获取分拣路向，并控制分拣设备进行自动分拣，并上报分拣结果至少分拣3000件/小时炼钢节能modbus4-20ma信号模拟量信号实 时 采 集，510毫秒采集一次基于节能控制逻辑运算电 弧 炉 电 极 升降，电压档位调节在满足生产需求的前提下实现节能节电，5分钟内自动调节电极位置实现3相平衡场景接口协议数据类型和格式数据量和频度数据分析处理控制功能业务要求基于传统PLC（可编程逻辑控制器）构建的工业控制系统，其采用专用硬件和编程语言，适合于实时控制和监测各种生产过程，同时具有工业标准的耐用性和抗干扰能力。这些特点使传统PLC成为工业控制系统的首选，能够满足工厂自动化、生产线控制和设备监控等需求，确保生产过程的高效性和可靠性。以下是传统PLC的数据交互示意图。4.2架构方案4.2.1 基于传统PLC的工业控制系统图4-1 传统PLC系数据交互示意图过程控制步进电机多路模拟输出多路高速脉冲多路IO输出多路IO输出-上位机2324 基于云网融合的工业数据采集和云化控制白皮书 云化控制传统PLC通过现场总线连接传感器、摄像机等生产端设备，进行信息采集和设备控制，同时将数据通过工业以太网传输给上位机系统。系统为软硬件一体设计，由于不同厂家采用的标准和工控协议“七国八制”，具有极强的封闭性，在工业应用中主要存在以下问题：开发维护难：封闭系统开发调试周期漫长、技术门槛高，不仅要求开发人员懂得专业的计算机和网络编程知识，还要具备扎实的电工基础知识，加上对硬件平台具有很强的依赖性，系统一旦出现故障恢复缓慢；复用集成难：不同厂商PLC的运行环境和开发环境不同，导致基于系统开发的控制应用软件在新的系统中很难重复使用，应用可移植性、复用性差，相互之间集成也非常困难；兼容协作难：由于系统通信协议和技术架构私有，造成OT系统和IT系统的数据互通和共享困难，同时也造成了不同控制系统、不同工业设备间的协作非常困难；升级扩展难：系统软/硬件紧耦合，算力扩展困难，使人工智能、大数据等新技术难于融合，智能化升级需要更换整套系统，造成既有投资浪费。当前，在工业互联网数字化转型的背景下，制造企业迫切需要网络化、智能化、高兼容、低成本、简易实用的开放工业控制系统，推进智能化改造进程。同时，伴随着大规模个性化定制、小批量柔性化生产等制造新模式的发展，生产中的规模效应对PLC提出了跨设备、跨厂区的新需求，同时个性化定制又对PLC提出了高弹性、快速适应变化的新需求。在5G技术进一步落地的背景之下，技术与需求端要求PLC的通讯能力做出提升，网络化、云化成为 PLC 发展的必经之路。云化控制系统以云化 PLC 及其相关控制组件为核心，将 5G 定制网、边缘计算、定制终端、机器视觉等新一代信息技术与企业生产环节深度融合，实现控制过程软件定义化、控制系统软硬件解耦、灵活端边云协同部署，重构面向智能制造的、网络化、智能化、开放化的新一代工业操作系统。基于低时延、高可靠的 5G 定制网络，云化控制系统能够实时协同异构工业设备控制与机器视觉等新技术能力，助力工厂快速低成本地实现机器换人、柔性生产。图 4-2 是云化控制的技术架构图，包含平台应用层、执行控制层、现场层，形成了端边云协同部署的工业控制操作系统。同时云化控制系统北向可为 IT 平台提供数据支撑用于实现数字、孪生、看板展示、物联采集等功能，保证了数据能传上去、控制能下发下来，形成 IT/OT 相结合的现代化生产控制。4.2.2 基于边云协同的云化控制系统（1）平台应用层部署在云平台上的集中管理平台支持云化