鄧偉/DENG Wei，于天意/YU Tianyi，侯慶東/HOU Qingdong

（中國移動通信有限公司研究院，中國 北京 100053）

傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)一般分為企業(yè)層、車間層、控制層和設(shè)備層[1]。其中，企業(yè)層與車間層屬于信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)性能要求不高，一般采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議?？刂茖优c設(shè)備層位于生產(chǎn)現(xiàn)場，屬于運(yùn)營技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)性能要求苛刻，一般采用定制工業(yè)以太網(wǎng)/現(xiàn)場總線協(xié)議。

為提高生產(chǎn)效率，工業(yè)生產(chǎn)大部分采用流水線作業(yè)方式，工業(yè)控制（后文簡稱為“工控”）設(shè)備位于工業(yè)現(xiàn)場，與機(jī)器人、生產(chǎn)裝備等組成具備某一生產(chǎn)能力的工位。各工位之間通過傳送帶、物料架等連接，并通過統(tǒng)一精準(zhǔn)的協(xié)同控制完成生產(chǎn)流程的閉環(huán)。高精度、高可靠的自動化生產(chǎn)對控制環(huán)節(jié)的確定性要求很高，工業(yè)現(xiàn)場普遍采用基于剛性確定性規(guī)劃協(xié)同的離散分布式控制系統(tǒng)，來保障生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性。工控通信網(wǎng)絡(luò)整體產(chǎn)業(yè)鏈條長、產(chǎn)業(yè)難度大，目前高端工控設(shè)備及工業(yè)協(xié)議嚴(yán)重依賴進(jìn)口，制約了中國智能制造產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

近年來，隨著5G、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，無線通信、大規(guī)模計(jì)算能力不斷提升，使用成本不斷降低。隨著5G 與工業(yè)融合的逐步深入，業(yè)界正在探索5G 與OT 的深度融合，使能工業(yè)現(xiàn)場無線化，真正實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)?；诖?，本文提出了“基于軟性確定性連接的全局集中式協(xié)同控制”思路，以替代傳統(tǒng)“基于剛性確定性規(guī)劃協(xié)同的離散分布式控制”思路，實(shí)現(xiàn)降本增效。一方面，具備確定性增強(qiáng)能力的5G 系統(tǒng)內(nèi)生云化/集中化可編程邏輯控制器（PLC），可承載工業(yè)網(wǎng)絡(luò)IT 域、OT 域的所有需求，實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)到底”；另一方面，PLC 在云化/集中化后，通過大范圍協(xié)同、組態(tài)邏輯的優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的協(xié)同，降低了控制器與輸入/輸出模塊（C2IO）間通信對連接確定性的要求。同時，控制功能實(shí)現(xiàn)云化/集中化后，可復(fù)用當(dāng)前通用的算力資源，提升工控的靈活性，降低部署成本。

1 業(yè)界對控制集中化的組網(wǎng)架構(gòu)的探索

自工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展以來，工業(yè)界從未停止對控制器的創(chuàng)新。隨著服務(wù)器能力的不斷提升，用服務(wù)器承載所有控制實(shí)體的集中化組網(wǎng)架構(gòu)逐漸進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場。工業(yè)集中化組網(wǎng)架構(gòu)以統(tǒng)一的服務(wù)器為載體，將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程間通信（IPC）、設(shè)備控制器、PLC 等進(jìn)行云化/集中化部署。在該架構(gòu)下，控制器實(shí)體部署在工位內(nèi)部，不同級的設(shè)備間為有線連接，未能做到產(chǎn)線級乃至工廠級的完全云化/集中化部署，因此也就無法解決不同網(wǎng)絡(luò)間、不同工控設(shè)備間的數(shù)據(jù)互通問題。

5G 因其統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、極致的性能、成熟的上下游產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)，成為業(yè)界探索工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)無線化的主賽道。近幾年，“5G+云化PLC”成為通信界的研究熱點(diǎn)。如圖1 所示，一級PLC被云化/集中化部署到用戶端口功能（UPF）/多接入邊緣計(jì)算（MEC）等邊緣算力內(nèi)；二級PLC依然采用有線分布式的方式來部署，實(shí)現(xiàn)了部分云化/集中化。該架構(gòu)在一定程度上簡化了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一級PLC間的協(xié)同增效。但工業(yè)現(xiàn)場存在多張網(wǎng)絡(luò)，仍無法解決不同網(wǎng)絡(luò)間、不同工控設(shè)備間數(shù)據(jù)互通的一系列問題。同時，二級PLC 與輸入輸出（IO）/驅(qū)動器之間仍然采用有線連接，僅實(shí)現(xiàn)了部分柔性。

▲圖1 通信界對控制集中化組網(wǎng)架構(gòu)的探索

2 新型工業(yè)集中控制組網(wǎng)架構(gòu)

為進(jìn)一步簡化工業(yè)現(xiàn)場組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全向柔性，本文提出了基于5G 連接的集中式PLC 新型工業(yè)組網(wǎng)架構(gòu)，如圖2所示。該架構(gòu)基于工業(yè)現(xiàn)場的邊緣算力載體來部署云化PLC，通過5G 網(wǎng)元（如工業(yè)現(xiàn)場基站、邊緣計(jì)算平臺、園區(qū)用戶端口功能等）與PLC的集成部署與協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)基于軟性確定性連接的全局集中式協(xié)同控制。

▲圖2 基于5G連接的集中式PLC新型工業(yè)組網(wǎng)架構(gòu)

集中式PLC組網(wǎng)架構(gòu)采用統(tǒng)一云底座，一方面通過軟件化、虛擬化實(shí)現(xiàn)虛擬化PLC（vPLC），取代現(xiàn)場所有的硬件PLC，實(shí)現(xiàn)PLC的全向無線化；另一方面，vPLC的集中化帶來組態(tài)邏輯設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，使高效的協(xié)同互動替代了靜態(tài)的流程規(guī)劃，從而提升生產(chǎn)效率。該架構(gòu)通過統(tǒng)一開放的編程接口實(shí)現(xiàn)集中化的調(diào)試升級，提升運(yùn)維效率。同時，該架構(gòu)依托邊緣算力集中化部署協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以降低端側(cè)復(fù)雜度，以及行業(yè)終端成本。

3 面臨的挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)體系

3.1 面臨的挑戰(zhàn)

目前，基于5G 連接的集中式PLC新型工業(yè)組網(wǎng)架構(gòu)面臨如下4 個方面的挑戰(zhàn)：

1）如何保障端到端傳輸?shù)拇_定性？PLC部署位置的變化對5G系統(tǒng)端到端的確定性傳輸提出了更高的要求：一方面PLC與IO設(shè)備間的接口從有線連接變成了無線連接，控制指令在無線空口環(huán)境中傳輸?shù)拇_定性面臨極大挑戰(zhàn)；另一方面，PLC 虛擬化后所在宿主操作系統(tǒng)的實(shí)時性能否滿足PLC 業(yè)務(wù)的需求，也是需要考慮的內(nèi)容。

2）如何進(jìn)一步降低部署及使用成本？PLC 形態(tài)的變化節(jié)省了PLC 實(shí)體設(shè)備的成本，但5G 復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及高昂的終端價(jià)格也在很大程度上影響了5G深入工業(yè)現(xiàn)場的節(jié)奏。針對工廠局域場景，亟需一種低成本、極簡的5G 端到端組網(wǎng)方案。

3）如何高效使能柔性生產(chǎn)？現(xiàn)階段，工業(yè)生產(chǎn)模式逐漸由單一產(chǎn)品的大規(guī)模量產(chǎn)逐漸轉(zhuǎn)向消費(fèi)者定制的個性化生產(chǎn)，由此衍生了柔性制造的概念。柔性制造對生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備快速靈活的調(diào)整、產(chǎn)線組態(tài)邏輯按需快速的變化與組合提出了較高的要求。

4）如何保障集中化架構(gòu)下CT 與OT 的安全性？集中化架構(gòu)帶來了兩種狀態(tài)的改變：一是PLC設(shè)備間原生物理隔離的狀態(tài)因集中化變?yōu)樘摂M隔離；二是CT與OT各自獨(dú)立的狀態(tài)因集中化部署在同一設(shè)備上出現(xiàn)了交集。因此，如何確保容器間的異常不會互相影響、CT 與OT 之間不能隨意互訪、邊緣算力載體內(nèi)外數(shù)據(jù)安全可靠都是需要考慮的問題，因此亟需一種本地化高隔離、高安全的解決方案。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)體系

針對上述挑戰(zhàn)，如圖3所示，本文提出集中式PLC新型工業(yè)組網(wǎng)架構(gòu)下的關(guān)鍵使能技術(shù)體系。通過在網(wǎng)絡(luò)側(cè)引入資源自適應(yīng)的高確定性傳輸技術(shù)、靈活幀結(jié)構(gòu)低時延技術(shù)，在端側(cè)引入RedCap 技術(shù)，構(gòu)建高確定、低時延、低成本的連接層；通過引入多層級安全隔離技術(shù)、基于實(shí)時能力增強(qiáng)的云平臺技術(shù)，構(gòu)建安全、實(shí)時的平臺層?；谠鰪?qiáng)的5G 連接層與平臺層，網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)可以進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，業(yè)務(wù)邏輯可以按需靈活編排，工業(yè)應(yīng)用可以按需一體化部署，從而加速工廠各生產(chǎn)要素的“全連接”。

▲圖3 集中式PLC新型工業(yè)組網(wǎng)架構(gòu)下的關(guān)鍵使能技術(shù)體系

1）連接層增強(qiáng)技術(shù)。連接層通過引入網(wǎng)業(yè)協(xié)同、低時延、RedCap 等端到端增強(qiáng)技術(shù)，具備高確定、低時延、低成本的特點(diǎn)，高效使能柔性制造。

a）基于資源自適應(yīng)的高確定性傳輸技術(shù)——網(wǎng)業(yè)協(xié)同。一方面，網(wǎng)隨業(yè)動，在集中式PLC 組網(wǎng)架構(gòu)下，5G 網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)業(yè)協(xié)同，對業(yè)務(wù)流進(jìn)行智能識別及精準(zhǔn)調(diào)度，同時通過全局的流量編排和門控來減少端到端的抖動，使5G 具備大部分場景下對確定性的要求；另一方面，業(yè)隨網(wǎng)動，通過本地能力開放將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、資源使用情況、排隊(duì)等待時間等告知業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)情況調(diào)整發(fā)包特征。網(wǎng)業(yè)協(xié)同架構(gòu)圖如圖4所示。

▲圖4 網(wǎng)業(yè)協(xié)同架構(gòu)示意圖

b）靈活幀結(jié)構(gòu)等低時延技術(shù)。一方面，5G系統(tǒng)持續(xù)增強(qiáng)空口原子能力，降低端到端的平均時延，提升可靠性。其中，降低時延的關(guān)鍵原子能力包括超短幀（DS幀結(jié)構(gòu)）、非時隙調(diào)度（Mini-Slot）、半持續(xù)調(diào)度/免授權(quán)調(diào)度（SPS/CG）以及雙激活協(xié)議棧（DAPS）等，提升可靠性的關(guān)鍵原子能力包括低碼率調(diào)制解調(diào)（MCS）、時隙（Slot）重復(fù)以及分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）復(fù)制[2]等。另一方面，5G 系統(tǒng)采用分級分檔技術(shù)體系[3]將眾多原子能力根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行靈活組合，以提供差異化的業(yè)務(wù)保障。

c）RedCap。通過引入RedCap IO 等低成本5G終端，大幅降低端側(cè)成本。

2）平臺層增強(qiáng)技術(shù)。平臺層通過引入多種實(shí)時性技術(shù)、多層級安全隔離技術(shù)，保障集中化架構(gòu)下OT/CT業(yè)務(wù)的實(shí)時性、安全性。

a）實(shí)時性關(guān)鍵技術(shù)。可以采用實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）、打?qū)崟r（RT）補(bǔ)丁、綁核等技術(shù)來減少宿主操作系統(tǒng)在任務(wù)處理時延及任務(wù)調(diào)度等方面對云化PLC運(yùn)行的影響。

b）多層級安全隔離技術(shù)。在邊緣算力載體內(nèi)，針對集中式PLC組網(wǎng)架構(gòu)下的邊緣算力載體，需實(shí)現(xiàn)APP的安全隔離、安全管理，以及生命周期安全。同時，可以采用傳統(tǒng)容器隔離、鏡像安全等技術(shù)來提升容器安全可靠性。在邊緣算力載體與其他電信設(shè)備之間，邊緣算力載體在對接其他電信設(shè)備時可采用不同網(wǎng)絡(luò)平面，或使用不同業(yè)務(wù)IP 段來實(shí)現(xiàn)隔離。邊緣算力載體對外可通過防火墻實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)隔離。解決方案如圖5所示。

▲圖5 容器形態(tài)下的集中式PLC架構(gòu)安全隔離解決方案

3）應(yīng)用層增強(qiáng)技術(shù)?；诮y(tǒng)一云底座，應(yīng)用層可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯靈活編排、行業(yè)應(yīng)用按需部署，降低部署及使用成本。

a）業(yè)務(wù)邏輯靈活編排。集中式PLC 組網(wǎng)架構(gòu)采用云化技術(shù)部署后，不再受物理分布影響，可對PLC的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行整合與拆分，按需編排，靈活設(shè)計(jì)。

b）行業(yè)應(yīng)用按需部署。承載集中式PLC組網(wǎng)架構(gòu)的邊緣算力平臺采用統(tǒng)一云底座[4]，如圖6所示。虛擬化技術(shù)可以對基站硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一的池化管理，根據(jù)業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)按需彈性擴(kuò)展、快速部署以及業(yè)務(wù)間的隔離性要求。依托網(wǎng)云業(yè)一體化的架構(gòu)，基站可以靈活集成各種多樣化的工業(yè)應(yīng)用，更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速部署、業(yè)務(wù)快速開通，降低使用成本。

▲圖6 云網(wǎng)業(yè)一體化架構(gòu)

4 新型工業(yè)集中控制架構(gòu)在家電行業(yè)中的測試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證集中式PLC組網(wǎng)架構(gòu)在實(shí)際場景中的作用，我們在某家電制造工廠進(jìn)行新型組網(wǎng)架構(gòu)測試驗(yàn)證。本次試點(diǎn)為生產(chǎn)線皮帶線速調(diào)節(jié)場景，在產(chǎn)線工人數(shù)量、產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品生產(chǎn)速度、產(chǎn)品合格率變化時，產(chǎn)線生產(chǎn)需要根據(jù)生產(chǎn)資源和生產(chǎn)要求的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。每段產(chǎn)線的生產(chǎn)線速由一個變頻器控制，并通過PLC控制多個變頻器的頻率，進(jìn)而調(diào)整皮帶線速。由于工廠環(huán)境限制，需要產(chǎn)線變頻器頻率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，保證在高溫等惡劣生產(chǎn)條件下，正常進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)奏調(diào)節(jié)。

在工廠的原有架構(gòu)中，變頻器的頻率可以通過產(chǎn)線人機(jī)界面（HMI）進(jìn)行調(diào)節(jié)。HMI 以有線方式連接至產(chǎn)線各變頻器，集成了管理平臺和變頻器控制單元。變頻器控制單元與HMI 緊耦合，無法實(shí)現(xiàn)HMI 管理平臺遠(yuǎn)程控制變頻器頻率。

在本案例中，為實(shí)現(xiàn)變頻器遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，應(yīng)用5G 云化工業(yè)基站對產(chǎn)線進(jìn)行改造。5G 工業(yè)云基站通過容器化方式部署了vPLC，使產(chǎn)線的控制能力集中在工業(yè)基站中。為滿足PLC對實(shí)時性的需求，基站的操作系統(tǒng)需要進(jìn)行實(shí)時性增強(qiáng)（打RT kernel 補(bǔ)?。?，同時為PLC 所在容器分配了固定的中央處理器（CPU）核及存儲空間，以保證PLC程序在獨(dú)占的資源中以高隔離性運(yùn)行。

在產(chǎn)線改造的過程中，通過工業(yè)基站將HMI 的控制單元與管理平臺分離，將管理平臺無線化遷移到PC 端，將PLC 遷移至工業(yè)基站中，實(shí)現(xiàn)集中化部署。通過5G 網(wǎng)絡(luò)控制變頻器頻率調(diào)節(jié)和狀態(tài)上報(bào)，實(shí)現(xiàn)變頻器頻率調(diào)節(jié)無線化，因此工廠可基于遠(yuǎn)端操作界面進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。變頻器調(diào)節(jié)場景改造后的架構(gòu)如圖7所示。經(jīng)壓力測試，PLC南向無線網(wǎng)絡(luò)可靠性可達(dá)到99.99%@20 ms，如圖8 所示，滿足產(chǎn)線業(yè)務(wù)需求。

▲圖7 變頻器調(diào)節(jié)場景改造前、改造后架構(gòu)示意圖

▲圖8 壓力測試結(jié)果

本次試點(diǎn)通過5G 工業(yè)云基站的應(yīng)用，可以在以下幾方面幫助工廠實(shí)現(xiàn)降本增效：

1）PLC 的軟件化和無線化可以減少生產(chǎn)現(xiàn)場中PLC線纜等硬件部署，降低產(chǎn)線組網(wǎng)成本；

2）PLC 的集中化和無線化、HMI 和PLC 解耦分離簡化了組網(wǎng)架構(gòu)，使組網(wǎng)更加扁平，從而減少不必要的層級交、互，提升整體效率；

3）PLC 南向和HMI 無線化可以實(shí)現(xiàn)HMI 遠(yuǎn)程操作，使產(chǎn)線部署和控制更加靈活，賦能柔性制造；

4）PLC 的云化部署可以采取線上、遠(yuǎn)程等方式進(jìn)行問題檢測和軟件升級，更加高效地推動工業(yè)控制運(yùn)維向智能化的方向發(fā)展。

5 結(jié)束語

本文圍繞“基于軟性確定性連接的全局集中式協(xié)同控制”思路，提出基于5G 連接的集中式PLC 工業(yè)組網(wǎng)新型架構(gòu)。在新架構(gòu)下，首先，通過空口增強(qiáng)、網(wǎng)業(yè)協(xié)同等保障控制信令的端到端確定性傳輸；其次，基于統(tǒng)一的云底座，將核心控制器件軟件化集中部署，可以實(shí)現(xiàn)PLC 邏輯按需編排、靈活設(shè)計(jì)，真正使能柔性制造；最后，網(wǎng)云業(yè)一體的設(shè)計(jì)，支持行業(yè)應(yīng)用按需部署、數(shù)據(jù)本地流轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)多層級安全保障，為行業(yè)提供了一種高安全性的本地低成本解決方案。

未來，我們期待與產(chǎn)業(yè)鏈各領(lǐng)域合作伙伴一起，推動5G 與OT 從“互通”走向“融合”，探索工業(yè)控制協(xié)議國產(chǎn)化。在該階段，以5G 為基礎(chǔ)面向工控進(jìn)行定制增強(qiáng)，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)定義工業(yè)應(yīng)用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，與底層無線協(xié)議內(nèi)生融合，形成性能極致、更具魯棒性的自主可控的工業(yè)無線控制系統(tǒng)。同時，為更好地發(fā)揮5G 作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的作用，需要推動工控設(shè)備內(nèi)生5G，提升現(xiàn)場設(shè)備的智能化，助力制造強(qiáng)國的實(shí)現(xiàn)。