面向新型工业化的5G工业算网技术.pdf

面向新型工业化的5G工业算网技术中国移动研究院 黄震宁2023年11月2新型工业化政策频出，已成为国家重大战略国家重大战略二十大报告制定主要目标：到二三五年，基本实现新型工业化习近平书记重要指示：以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴伟业，实现新型工业化是关键任务工信部具体政策相关政策：“5G+工业互联网”512工程推进方案、工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）、工业互联网专项工作组2023年工作计划中国移动发展路径发展路径：从辅助生产到融入生产再到改变生产具体举措：推进5G等新一代信息通信技术的创新发展，为行业数智化转型构建数字基础设施底座2021.1工业互联网创新发展行动计划（2021-2023）围绕新基建、融合应用、技术创新等方面形成11大项44项具体行动方案2022.1“十四五”数字经济发展规划明确到2025年，数字经济核心产业增加值占国内生产总值比重达到10%2022.85G全连接工厂建设指南明确通过基础设施建设、厂区现场升级等4大项14小项建设内容推动5G融合应用纵深发展2022.10党的二十大报告推进新型工业化，加快建设制造强国、网络强国、数字中国2023.6工业互联网专项工作组2023工作计划深化“5G+工业互联网”发展，打造5G工厂2023.9推进新型工业化重要指示建设制造强国需要同发展数字经济、产业信息化等有机结合2021年以来，国家工业互联网政策密集发布，总体呈体系化、持续增强的特点，工业互联网已成为推进新型工业化的新型基础设施3中国移动5G+工业互联网取得显著成效在5G+工业互联网领域，中国移动提出从辅助生产到融入生产再到改变生产的发展路径，全面推进5G赋能数智工厂高质量发展第六届绽放杯全国总决赛中获一等奖10个（工业6个），共有157个（工业67个）项目获奖，获奖项目总数及一等奖数量均为业界第一深耕典型场景，行业规模复制呈“燎原之势”落地400+座覆盖26省智慧矿山2大电网深度合作签约项目500+智慧电力落地3000+家中小企80%智慧工厂全国前十集装箱港口全落地智慧港口18家A+钢铁企业已合作14家智慧冶金落地30+家覆盖17省智慧产业园区5G下矿井、进工厂、入海港,与行业深度融合实现多个“行业领跑”接入电力5G终端7000+山东全国首套省域5G电网覆盖6省40厂区5G专网福建、江苏等全国最大跨省5G专网38台5G无人集卡广东全国最大5G自动驾驶港口5G+AR助推复产复工湖南全国首个5G跨国装配全国首个极寒无人矿卡极寒（零下50）无人驾驶内蒙全球首个5G智慧油气勘探5G扫除地震仪线缆束缚南京井下919米5G网络安徽全国最深5G矿井全国最大电声产业集群丰顺电声产业集群平台广东4工业控制系统是当前工业控制生态的核心工业企业的标准分层ISA-95（企业系统与控制系统集成国际标准）架构中，其中下三层被称为工业控制系统（即OT系统），是生产现场和上层企业信息系统数据信息流转的关键节点，同时也是当前工业控制生态的核心。IT网络园区级车间级产线级OT网络SCMSCMC CR RMMERPERPPLPLMM办公网网络防火墙网络防火墙MMESES生产网工业防火墙工业防火墙工业以太网/无线网络现场总线/工业以太网/无线网络机器机器1 1机器机器2 2机器机器3 3SCADASCADA（数据采集（数据采集与监视控制）与监视控制）DCS/FSCDCS/FSC（过程控制（过程控制系统系统/分散控分散控制系统）制系统）PLCPLC（可编（可编程控制器）程控制器）HMIHMI（人机（人机界面接口）界面接口）5当前工业控制系统的架构组成在当前的工业控制现场主要有两种部署方式，小集中式和集中+分布式，小集中式指产线上小范围的控制集中化，以边缘控制器为核心，集中+分布式指单产线多工位间的1主多从式控制，主站负责不同从站间的协调和数据传递。集中式部署集中+分布部署集成PLC控制、视觉分析等能力，将产线多设备控制能力集中部署，各大工控厂商西门子、罗克韦尔、倍福、三菱等的主推产品 设备A远程IO站视觉检测 设备B远程IO站伺服站 设备C远程IO站某新能源汽车动力总成工厂工业边缘控制器工业以太现场设备上不部署PLC，只部署跟执行机构、传感器互联的IO站、伺服站等主PLC 设备A从PLC1 设备B从PLC2 设备C从PLC3 设备D从PLC4工业以太以某一台设备的PLC作为主站即主PLC，其他设备的PLC作为从站即从PLC，主站负责协调不同从站设备的协调动作从站设备一般是产线某个工序的不同设备，工艺上设备间具有强耦合性，如机床和上下料机械手间6工业控制业务的分类工业业务可划分为强实时、弱实时、非实时业务，通常强实时业务(运动控制、高精协同控制等)一般部署在产线设备控制器上，弱实时性业务(主从PLC控制、远程遥控等)部署在车间/园区侧，非实时性业务(数采、IT)部署在园区侧业务类型场景大类应用场景场景描述细分行业工控能力通信要求部署强实时性业务高精伺服运动运动、逻辑控制柔性产线运动控制工厂柔性生产中根据要求快速重构、配置，实时控制、数据集成和互操作性高端制造、汽车制造等工控周期2ms通信时延5ms端侧产线设备多轴电机协同控制运动控制的实时控制管理，多个运动部件协同按照预期运动轨迹和参数动作高端装备、汽车、轨道交通制造、电子行业等工控周期1ms通信时延1ms弱实时性业务普通IO控制、主从PLC控制车间巡检机器人控制定时采集现场图像、声音、温湿度、气体等信息，数字化性存储和报警钢铁、石化、冶金、矿山、食品、汽车、电子等无通信时延50ms边侧车间、园区远程遥控操作基于控制信号的远距离传输，机器视觉、AI等实现车间/工厂级无人远控钢铁、石化、汽车、轨交制造等无通信时延20ms视觉检测控制利用拍摄图片上传边缘云做视觉质检应用对比分析检查，设备自动识别汽车、高端装备、轨道交通制造、电子、钢铁等无通信时延20ms主从PLC控制车间主控制器负责多个从控制器的协同和调度，如AGV仓储搬运汽车、电子、家电、轨交制造、钢铁等工控周期10ms通信时延50ms非实时性业务数据采集物流系统调度和控制利用仓库管理系统实现工程的自动控制，进行相应的信息处理高端装备、汽车、钢铁、电子等无通信时延1T OPS，控制循环周期在500us20ms之间边侧支持算力2T OPS，控制循环周期在10ms30ms之间l工业协议融合能力端侧支持南向常见工控协议融合通过协议栈进行总线数据的检索、解析、转换、配置，实现协议转换，通过5G网络传输的能力边侧支持OpcUa/Modbus/MQTT等北向协议，常见南向协议5G网关+工控能力5G边缘算力基座+边缘控制能力共有能力差异能力单端能力端侧5G网关需具备强实时工控业务承载所需的能力，边侧5G算力一体化基座需具备弱实时/非实时工控业务承载能力。12边侧5G算力一体化基座承载工业应用的核心问题5G算力一体化基座承载工控应用，能力集成上分为软件集成和内生支持两类，工控应用软件的集成部署和如何保证基座进程和硬件网络端到端的确定性是最核心的问题。l 逻辑控制l 编码能力l 工业协议融合能力l 数据处理l 互操作能力l 部署编排管理l 操作系统l 5G网络能力l 虚拟机+容器架构l 运算能力l 连接能力l 数据调度p 基座集成工控和工业智能化应用能力汇总工业应用层通过软件集成方式操作系统、实时虚拟层、容器层，算力一体基座内生支持三方应用厂商UPF/BBU/MEC设备厂商PLC软件厂商软件集成内生支持三方/自研工具1、基座确定性能力p 进程和网卡驱动间端到端确定性虚拟化+容器架构，实时性区分数据调度，实时应用优先级数据保证编排管理，应用算力调度2、应用软件部署p 工控应用能力扩展PLC开发/运行态部署应用系统接口和跨层通信核心问题13关键技术1-基座确定性保障-实时性架构5G 算力一体化基座承载工业应用，应支持按两个阶段方案进行演进大类小类实时性移植性适配性便利性改造原有操作系统内核补丁一般，能实现软实时要求，存在一定抖动一般，须整体系统移植较差，工业协议需单独开发适配部署方便，不改变原有Linux的API部署多个操作系统多核处理器AMP较好，可实现硬实时要求一般，需跟随原有操作系统移植较好，RTOS上可直接适配工业协议部署繁琐，不同操作系统都需支持type1虚拟化较好，可实现硬实时要求较好，通过type1 hypervisor统一管理较好，RTOS上可直接适配工业协议部署繁琐，设备驱动程序等代码都需加到hypervisor中type2虚拟化较好，可实现硬实时要求，相对type1差些较好，通过type2 hypervisor统一管理较好，RTOS上可直接适配协议部署方便，hypervisor架设在hostOS 上主流架构对比UPF方案演进阶段1：实时化补丁+容器部署关键能力：实时化改造不应影响原有网元业务容器本身的轻量化和实时性提升PLC容器划分单独CPU核管理平台阶段2：混合操作系统关键能力：虚拟机和实时操作系统虚拟机实时操作系统实时性测量和优化RTOS划分单独CPU核管理平台14关键技术1-基座确定性保障-数据调度+算力编排+网络保障5G算力一体化基座承载工业应用，除操作系统部署架构外，基座应在数据调度、算力编排、网络保障三方面重点保障基座确定性能力，同时这三方面也是算力一体化基座赋能全场景工业应用集中部署的前提。算力一体化基座UPF/BBU/MECvPLCRTOS机器视觉分析GPOSAGV调度管理RTOS确定性算力调度确定性能力监控和智能优化确定性网络UPF关键能力：l操作系统数据调度 具备数据调度服务保障能力，PLC工控应用、基于网络的语音通话、视频服务，使用高优先级Qos数据传输，保证网络拥塞时PLC应用的实时性，语音服务、视频服务流畅、无噪音、不失真。l多应用算力编排 工厂级部署时，PLC数量级能达到百级别，同时融合运动控制算法等，对算力分配和编排有一定要求。需要基于工业应用对实时操作系统的需求，结合当前基座的资源状态，动态分析出应用所需的实时操作系统的算力，并给出部署建议，或协助应用完成安装、加载、部署；算力编排应当尽量确保应用获得充足的确定性算力，满足应用硬件资源的合理分配和使用。l多应用业务网络保障 1.需要具备灵活拉通5G基座和工业应用APP，以及任意几个应用APP之间确定性传输通道的能力；2.在同TSN网卡内，应用间可获得时延小于100us的确定性传输通路。在跨TSN网卡转发时，应用可获得时延小于250us的传输通路；3.基座也能够为应用提供高精度时钟同步，确保虚拟化PLC之间，虚拟PLC与IO设备之间建立精准同步关系。算网控一体化实时调度平台15关键技术2-工控应用软件部署-开发/运行态在5G基座上融合PLC应用时，从工程人员开发便捷度和基座融合简洁性考虑，PLC运行态（RTE）和开发态（IDE）需工控厂商进行更多的适配满足新型工控系统下的要求，支持开放自动化、多vPLC隔离、组态便捷识别。开放自动化多vPLC隔离组态便捷识别PLC应用软件应支持IEC61499和IEC61131-3相结合的方式IEC61131是单设备程序标准，以单个设备为顶层软件模型IEC61499基于事件驱动的功能块网络，面向对象编程，控制系统作为单集成系统建模和开发，作为分布式系统部署；实现独立于底层系统的应用模型，程序代码跨越多厂商平台和工程设计工具的可移植性，促使软件和硬件解耦需保证不同vPLC通道的隔离和带宽资源的合理分配对vPLC实例划分不同网络平面和vlan保证实例的通道隔离；虚拟化或容器化部署时，利用底座k8s的资源分配和管理特性，对不同的vPLC实例绑定或共享不同的网络和计算资源；vPLC任务支持多优先级调度；对不同优先级的PLC任务设置不同优先级，优先满足高优先级任务的调度。需满足5G+有线混合下组态的易用性和兼容性软件中需支持无线、有线的图形化快速配置，如支持5G网络下站设备（CPE、网关等）描述文件导入和拓扑连接可视化呈现当前组网（有线、无线）的拓扑关系、地址、协议，设备组网间5G或者有线网络故障时图形显示16关键技术2-工控应用软件部署-接口/通信在5G基座上融合PLC应用时，通过通信服务接口的支持满足南北向通过的要求，依赖操作系统适配层兼容不同操作系统和应用部署方式，采用集成主流的应用跨层通信技术满足异构系统间的高效互通应用跨层通信通信服务接口支持操作系统适配层保证实时/非实时应用，异构操作系统间高效互通共享内存，通过发起方系统根据通信申请一段内存用于通信，划分各个通信区区域，读取共享内存寄存器配置区内配置信息，开启多系统间的通信；虚拟设备通信，通过虚拟设备建立不同操作系统间的通信接口，完成服务端和客户端的跨系统通信。需保证应用南北向通信对接的能力支持OPC-UA、MQTT协议对接北向的MES、SCADA系统或其他智能化平台，以及云端工业应用；支持PLC南向主流工控协议，如ModbusTCP、EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET协议；支持标准IEC61499和IEC61131-3开发环境IDE的接口能力，保证PLC代码的在线调试和运行服务需通过适配层兼容适配不同操作系统和部署方式明确所有接口的定义，支持调用操作系统的线程、文件系统等接口，实现应用程序的调度和运行；PLC RTE可支持容器化的部署，将PLC运行环境整体打包标准化单元，实现开发、交付、部署环境的一致性，使其免受外在环境差异的影响，减少PLC应用间的冲突17边侧5G算力一体化基座承载工业应用的关键技术演进路线5G 算力一体化基座承载工业应用，生态上分工控厂商和基座厂商，工控应用的部署在应用开发侧由工控厂商完成，对基座本身来说核心是基座的确定性能力优化和协调方式一：半集中化方式二：全集中化5G性能+硬件生态的演进弱实时性工业控制业务+工业智能化应用业务强实时+弱实时性工业控制业务+非实时工业智能化应用业务 操作系统的实时性UPF现状：1.linuxII性虚拟化+容器架构 2.虚拟化和容器共管理平台实施方案：linux实时性改造 操作系统数据调度需求：QoS服务灵活，功能完善，可根据不同场景设定技术：PLC工控应用、基于网络的语音通话、视频服务，使用高优先级Qos数据传输，保证网络拥塞时PLC应用的实时性，语音服务、视频服务流畅、无噪音、不失真。应用算力编排需求：全集中化通常部署PLC数量在百级别，同时融合运动控制算法技术：根据工业应用对RTOS的需求，动态分析应用所需算力，获取部署建议，协助应用安装、加载、部署。业务网络保障需求：需灵活拉通多个工业应用APP之间确定性传输通道的能力技术：UPF上对网元业务和TSN网络传输能力评估，收到应用对网络的确定性需求时，结合应用的收发时延和转发路径时延，确定最优的路径选择，协助建立业务流转发通路操作系统的实时性实施方案：II型虚拟化融合实时操作系统，在实时操作系统上部署工控业务实时化改造-完整实时操作系统185G工业算网技术展望面向数智工厂应用需求，持续稳定推进新标准制定、新技术攻关，OICT融合贯通引导产业新方向，支撑新产业格局演进强化技术突破打破跨界障碍推进应用创新打破工业制造和通信网络技术壁垒，形成发展愿景共识，鼓励创新合作推动创新产业双链深度融合，加快产业结构化升级开展多层级应用实践，推动规范约束，促进成果转化，打造标杆示范工程推广解决方案应用，激发产业活力携手共进，繁荣5G+工业互联网产业生态加速中国新型工业化进程