傅成龍,管立軍,程 遠(yuǎn)(中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司,北京 100048)
在過去的幾十年中,工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域歷經(jīng)了單點(diǎn)離散控制、分布式控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)等發(fā)展[1]。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,上述控制方式均廣泛應(yīng)用于不同的產(chǎn)業(yè)中。單點(diǎn)離散控制器適用于獨(dú)立運(yùn)作的機(jī)器,分布式控制系統(tǒng)在石化產(chǎn)業(yè)的流程化作業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著下一代工業(yè)革命的到來,工業(yè)控制系統(tǒng)將向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展[2]。
工業(yè)控制系統(tǒng)的一個(gè)智能化發(fā)展方向是引入云計(jì)算、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù),構(gòu)建全新的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)[3]。在工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化變革中,通信技術(shù)起著關(guān)鍵性作用。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)[2]。近10 年來,工業(yè)有線以太網(wǎng)以其廣泛的適用性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)得到了大量發(fā)展。而伴隨著以5G 和工業(yè)Wi-Fi[4]為代表的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)能夠滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和帶寬要求。另外5G MEC(Multi-access Edge Computing)技術(shù)能夠與邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展。
邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)充分利用了云計(jì)算、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等計(jì)算機(jī)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備、傳感器、攝像頭等互聯(lián),以便將所有設(shè)備接入到一個(gè)更智能的系統(tǒng)中。云計(jì)算借助強(qiáng)大計(jì)算能力,通過分析大量來自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù),為工業(yè)生產(chǎn)提供最優(yōu)的方案。業(yè)界還在探索直接在云計(jì)算平臺(tái)上建立云化PLC 系統(tǒng),直接控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行[5]。然而,云計(jì)算服務(wù)器通常遠(yuǎn)離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),在數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砭嚯x上難以滿足極低時(shí)延的要求。因此在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)邊緣部署一個(gè)邊緣計(jì)算服務(wù)器是必要的。邊緣計(jì)算緊鄰作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)。
邊緣計(jì)算的引入使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了重構(gòu)。根據(jù)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(Edge Computing Consortium,ECC)發(fā)布的邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0[6],整個(gè)系統(tǒng)分為云、邊緣和現(xiàn)場(chǎng)3 層。邊緣計(jì)算位于云層和現(xiàn)場(chǎng)層之間,邊緣層向下支持各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(執(zhí)行器、傳感器、攝像頭等)的接入,向上可與云層對(duì)接(如圖1 所示)。云層和邊緣層、邊緣層和現(xiàn)場(chǎng)層可利用工業(yè)有線以太網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有高度靈活的優(yōu)勢(shì),能滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的移動(dòng)作業(yè)。
圖1 邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
隨著無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線廣域網(wǎng)技術(shù)的成熟,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域越來越多地發(fā)揮作用。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在無(wú)需為每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)線纜的情況下,提供工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)功能,使得設(shè)備隨時(shí)隨地接入物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。
無(wú)線局域網(wǎng)通常采用IEEE802.3和IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的類型,Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、Z-wave等無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景均有運(yùn)用。其中,Wi-Fi支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 通信協(xié)議,能夠直接接入工業(yè)以太網(wǎng)。而其余無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)通常需要額外的網(wǎng)關(guān)設(shè)備來達(dá)到接入工業(yè)以太網(wǎng)的目的。根據(jù)無(wú)線傳輸功率“隨距離增加而衰減”的原理,Wi-Fi的極限覆蓋范圍一般不超過500 m[7]。一些工業(yè)用Wi-Fi 制造商通過增大發(fā)射功率的方式來提高覆蓋能力。Wi-Fi 已經(jīng)在工廠室內(nèi)環(huán)境有所應(yīng)用,建設(shè)通常采用有線網(wǎng)絡(luò)線纜和無(wú)線AP(Access Point)相結(jié)合的方式。此類建設(shè)方式仍然以有線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),無(wú)線局域網(wǎng)為有效補(bǔ)充。
除了覆蓋范圍有限,無(wú)線局域網(wǎng)也存在競(jìng)爭(zhēng)性和干擾性問題。IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)在物理層定義了無(wú)線局域網(wǎng)使用2.4 GHz 頻段和5 GHz 頻段。2.4 GHz 和5 GHz 作為全世界公開使用的無(wú)線頻段,被多種無(wú)線技術(shù)使用,例如Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、Z-wave。在此頻段下的上下行數(shù)據(jù)傳輸通過CSMA/CA 競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制獲取傳輸時(shí)間[8]。因此不同無(wú)線信號(hào)之間的干擾會(huì)對(duì)信號(hào)的收發(fā)質(zhì)量和傳輸時(shí)延產(chǎn)生較大的影響。并且無(wú)線局域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)通常是私有的,無(wú)線信號(hào)傳輸過程中私有節(jié)點(diǎn)沒有交流且進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性傳輸,可能會(huì)存在信道資源阻塞的情況。另外,即便是最新的IEEE802.11ax 標(biāo)準(zhǔn),也沒有對(duì)Wi-Fi 的連接能力做出要求[9]。當(dāng)前的Wi-Fi并不能有效支持海量連接和低功耗連接。
不論是現(xiàn)有成熟的有線網(wǎng)絡(luò)還是無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù),在邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制系統(tǒng)中扮演的角色都是用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通道。它們和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)常常分屬不同設(shè)備商,各自獨(dú)立規(guī)劃、部署、運(yùn)行和維護(hù)。這在邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制發(fā)展的早期,當(dāng)接入的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量不大并且種類不多時(shí),能夠滿足需求。然而,當(dāng)全連接工廠時(shí)代到來時(shí),會(huì)有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)的傳輸需求將會(huì)巨量增加。而且不同類型設(shè)備對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量、速率、時(shí)延有差異性需求,這對(duì)網(wǎng)絡(luò)通道在有限資源情況下的調(diào)度能力提出了新的要求。
5G 具有低時(shí)延、大帶寬和海量連接等核心能力[10],能夠較好地適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。5G時(shí)延最低能達(dá)到1 ms,峰值速率能達(dá)到10 Gbit/s,支持百萬(wàn)級(jí)別的設(shè)備連接[11]。這些核心能力能夠完全滿足邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展需要。同時(shí),5G作為一種無(wú)線廣域網(wǎng)技術(shù),能實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)外無(wú)死角覆蓋,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在小區(qū)間移動(dòng)時(shí)能進(jìn)行無(wú)縫切換。無(wú)線廣域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用能夠擴(kuò)展現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的移動(dòng)范圍。設(shè)備可以在整個(gè)園區(qū)、整個(gè)城市乃至全國(guó)范圍內(nèi)移動(dòng),而不再局限于特定工廠廠房?jī)?nèi)。通信設(shè)備廠商對(duì)于5G 在室內(nèi)分布還提出了超小型蜂窩基站等創(chuàng)新技術(shù),增強(qiáng)5G在室內(nèi)的覆蓋能力。
另外,Wi-Fi 等無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)共享相同頻譜,無(wú)線節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性傳輸,可能會(huì)存在信道資源阻塞的情況。而5G采用國(guó)家頒發(fā)的專有頻譜,不與其他無(wú)線信號(hào)發(fā)生干擾或競(jìng)爭(zhēng),如中國(guó)聯(lián)通5G 使用3 500~3 600 MHz 的專用頻段,頻段號(hào)為n78。5G 接入網(wǎng)和核心網(wǎng)能夠進(jìn)行中心化資源調(diào)度、優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量,有效地避免了信道資源阻塞的情況,提高了無(wú)線通信的可靠性。
5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠針對(duì)不同場(chǎng)景提供差異化網(wǎng)絡(luò)保障能力。這也是5G 實(shí)現(xiàn)大帶寬、低時(shí)延和海量連接等特性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠?qū)?G核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和承載網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同資源調(diào)度。例如,工業(yè)控制子切片中的低時(shí)延要求遠(yuǎn)高于其他特性,而實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控子切片中的大帶寬需求較高。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)分別為工業(yè)控制子切片和實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控子切片提供了差異化的網(wǎng)絡(luò)保障,對(duì)有限的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行了合理有效的分配。
5G還引入了MEC,在通信網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,避免無(wú)效數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,MEC 節(jié)點(diǎn)逐漸具備“轉(zhuǎn)發(fā)+計(jì)算”功能。首先,MEC 帶來了5G 用戶層面功能(UPF)的下沉,能夠?qū)τ脩魯?shù)據(jù)進(jìn)行高速分發(fā),縮短響應(yīng)時(shí)間,滿足時(shí)間敏感數(shù)據(jù)的傳輸。其次,引入邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的5G網(wǎng)絡(luò)與邊緣性增強(qiáng)型工業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠互相打通。5G MEC 能夠承載工業(yè)控制中的邊緣層的計(jì)算應(yīng)用服務(wù),從而實(shí)現(xiàn)邊緣層業(yè)務(wù)和連接網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同融合。
隨著5G 在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用,5G 移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商開始為企業(yè)和工廠建設(shè)5G 專網(wǎng)。5G專網(wǎng)具備讓企業(yè)自主定制網(wǎng)絡(luò)的自由度,可以根據(jù)使用場(chǎng)所、工作類型提供不同的配置,在隱私和安全方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。
5G 具備大帶寬、低時(shí)延、海量連接三大特性以及相比于有線網(wǎng)絡(luò)和其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì),未來5G將會(huì)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中廣泛地應(yīng)用。5G 將能夠用于連接現(xiàn)場(chǎng)層和邊緣層、邊緣層和云層。5G網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)協(xié)同融合將成為最終形態(tài),使5G 從“連接交換網(wǎng)”走向“內(nèi)容交換網(wǎng)”。
隨著邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展,在一個(gè)工廠中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)量和種類將會(huì)大量增加。據(jù)預(yù)測(cè),一個(gè)大型工廠中可能會(huì)有數(shù)以千計(jì)甚至數(shù)以萬(wàn)計(jì)的執(zhí)行器、傳感器、攝像頭等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。例如在一個(gè)裝備制造的工廠中,安裝在作業(yè)生產(chǎn)的天車、機(jī)床等設(shè)備上的用于設(shè)備定位和狀態(tài)檢測(cè)的傳感器和用于視頻監(jiān)控的攝像頭,都可以利用5G與邊緣服務(wù)器進(jìn)行通信。業(yè)界正在積極研發(fā)具備5G 接入能力的新一代現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。他們通過集成5G 模組或者加裝額外網(wǎng)關(guān)的方式使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)。
5G 移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商根據(jù)實(shí)際需求部署5G 基站,為工廠建設(shè)5G 專網(wǎng)。邊緣層的邊緣計(jì)算服務(wù)器直接接入5G 專網(wǎng)。5G 專網(wǎng)可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求,提供端到端網(wǎng)絡(luò)切片,差異化保障網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)運(yùn)行。傳感器對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求通常為低功耗、低帶寬和單向傳輸。執(zhí)行器的工業(yè)控制信號(hào)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延較為敏感。高清視頻監(jiān)控?cái)z像頭通常需要大帶寬來滿足其業(yè)務(wù)部署。5G 專網(wǎng)為這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供的差異化端到端網(wǎng)絡(luò)切片,可以有效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源配置,分別滿足不同類型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求。
一般情況下,云層的云計(jì)算服務(wù)器遠(yuǎn)離業(yè)務(wù)現(xiàn)場(chǎng),利用AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為業(yè)務(wù)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)。邊緣層的邊緣計(jì)算服務(wù)器和云層的云計(jì)算服務(wù)器同時(shí)接入5G 核心網(wǎng),建立MPLS VPN 隧道,在IP 化網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。隨著邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,一個(gè)大型工廠中的邊緣計(jì)算服務(wù)器可能會(huì)有數(shù)十個(gè)之多,服務(wù)于不同類型的工業(yè)系統(tǒng)。一些不便于部署有線網(wǎng)絡(luò)線纜的邊緣計(jì)算服務(wù)器也可以通過集成5G 模組或者加裝額外網(wǎng)關(guān)的方式接入5G網(wǎng)絡(luò)。
出于數(shù)據(jù)安全的考慮,越來越多的大型工廠將云計(jì)算服務(wù)器架設(shè)于企業(yè)內(nèi)部,并利用5G 專網(wǎng)通信。企業(yè)內(nèi)部的云計(jì)算服務(wù)器和各類邊緣層的邊緣計(jì)算服務(wù)器同時(shí)接入5G 專網(wǎng)進(jìn)行通信。這類網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有高數(shù)據(jù)隱私性和高安全性的優(yōu)勢(shì)。
隨著5G MEC 向“轉(zhuǎn)發(fā)+計(jì)算”方向發(fā)展,5G MEC具備直接承載軟件應(yīng)用服務(wù)的能力和計(jì)算能力。當(dāng)應(yīng)用服務(wù)部署到5G MEC 后,來自現(xiàn)場(chǎng)層的數(shù)據(jù)將直接在MEC被分析、處理。MEC中的應(yīng)用服務(wù)也具備向現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備反饋信號(hào)、數(shù)據(jù)的能力。5G 移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商發(fā)現(xiàn)了5G MEC 所具備的計(jì)算能力與邊緣層服務(wù)器的計(jì)算能力能進(jìn)行有效結(jié)合,正在探索將邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的邊緣層應(yīng)用服務(wù)直接部署于5G MEC 中,以有效地促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的協(xié)同融合。因此,5G 網(wǎng)絡(luò)不再是獨(dú)立的“連接交換網(wǎng)”,僅用于連接各業(yè)務(wù)層。5G 網(wǎng)絡(luò)打破了網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的邊界,嵌入到邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中,促進(jìn)業(yè)務(wù)的高效處理。5G MEC 的轉(zhuǎn)發(fā)能力和計(jì)算能力深度結(jié)合,發(fā)揮識(shí)別、判斷的作用?;趦?nèi)容對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理配置,實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)發(fā)、處理,形成以內(nèi)容為基石的“內(nèi)容交換網(wǎng)”。
協(xié)同融合后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。與圖1 所描述的邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同的是,5G 接入網(wǎng)、5G 核心網(wǎng)和5G MEC 深入融合到該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。5G 為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)提供連接現(xiàn)場(chǎng)層和邊緣層、連接邊緣層和云層的通信能力的同時(shí),也承載了邊緣層的邊緣計(jì)算需求。在5G專網(wǎng)中,5G MEC下沉到企業(yè)層面,所有應(yīng)用服務(wù)的處理均在企業(yè)范圍內(nèi)進(jìn)行,企業(yè)無(wú)需擔(dān)心安全性和保密性問題。5G 網(wǎng)絡(luò)與邊緣層業(yè)務(wù)的協(xié)同融合需要5G 移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商和邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制系統(tǒng)提供商共同研發(fā),探索如何實(shí)現(xiàn)5G MEC 對(duì)內(nèi)容深度感知,在業(yè)務(wù)分流和處理上發(fā)揮更大價(jià)值。
圖2 5G與邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)同融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的提出是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)在工業(yè)中大量應(yīng)用的結(jié)果。同時(shí),以5G 為代表的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠在邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮更大的作用。5G 作為擁有授權(quán)頻譜的無(wú)線廣域網(wǎng),相比于其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì),能夠更好地進(jìn)行中心化資源配置,實(shí)現(xiàn)工業(yè)的高可靠性連接和全場(chǎng)景業(yè)務(wù)融合。在邊緣增強(qiáng)型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中,5G 能夠用于連接現(xiàn)場(chǎng)層和邊緣層、連接邊緣層和云層,并通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為連接提供端到端差異化通信保障。另外,5G MEC 下沉到用戶本地,正在向“轉(zhuǎn)發(fā)+計(jì)算”方向發(fā)展。5G MEC 與邊緣計(jì)算層的協(xié)同融合,將在工業(yè)控制實(shí)時(shí)智能處理等關(guān)鍵業(yè)務(wù)場(chǎng)景中發(fā)揮更大的作用。