基于5G連接的集中式PLC新型工業(yè)組網(wǎng)架構(gòu)

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

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，中國(guó) 北京 100053）

傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)一般分為企業(yè)層、車(chē)間層、控制層和設(shè)備層[1]。其中，企業(yè)層與車(chē)間層屬于信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)，對(duì)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(chǎng)，屬于運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)，對(duì)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(chǎng)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(jiǎn)稱(chēng)為“工控”）設(shè)備位于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(guò)傳送帶、物料架等連接，并通過(guò)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(dòng)化生產(chǎn)對(duì)控制環(huán)節(jié)的確定性要求很高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(lái)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(zhǎng)、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(lài)進(jìn)口，制約了中國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

近年來(lái)，隨著5G、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，無(wú)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(chǎng)無(wú)線化，真正實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。基于此，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(guò)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(duì)連接確定性的要求。同時(shí)，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(duì)控制集中化的組網(wǎng)架構(gòu)的探索

自工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展以來(lái)，工業(yè)界從未停止對(duì)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(chǎng)。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(jí)的設(shè)備間為有線連接，未能做到產(chǎn)線級(jí)乃至工廠級(jí)的完全云化/集中化部署，因此也就無(wú)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(wèn)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(wú)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(jí)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(jí)PLC依然采用有線分布式的方式來(lái)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(jiǎn)化了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)PLC間的協(xié)同增效。但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在多張網(wǎng)絡(luò)，仍無(wú)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(wèn)題。同時(shí)，二級(jí)PLC 與輸入輸出（IO）/驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jiǎn)化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的邊緣算力載體來(lái)部署云化PLC，通過(guò)5G 網(wǎng)元（如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)基站、邊緣計(jì)算平臺(tái)、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(guò)軟件化、虛擬化實(shí)現(xiàn)虛擬化PLC（vPLC），取代現(xiàn)場(chǎng)所有的硬件PLC，實(shí)現(xiàn)PLC的全向無(wú)線化；另一方面，vPLC的集中化帶來(lái)組態(tài)邏輯設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，使高效的協(xié)同互動(dòng)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(guò)統(tǒng)一開(kāi)放的編程接口實(shí)現(xiàn)集中化的調(diào)試升級(jí)，提升運(yùn)維效率。同時(shí)，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(gè)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(duì)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(wú)線連接，控制指令在無(wú)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(shí)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(chǎng)的節(jié)奏。針對(duì)工廠局域場(chǎng)景，亟需一種低成本、極簡(jiǎn)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(gè)性化生產(chǎn)，由此衍生了柔性制造的概念。柔性制造對(duì)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(lái)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(huì)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(wèn)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(duì)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(guò)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(shí)延技術(shù)，在端側(cè)引入RedCap 技術(shù)，構(gòu)建高確定、低時(shí)延、低成本的連接層；通過(guò)引入多層級(jí)安全隔離技術(shù)、基于實(shí)時(shí)能力增強(qiáng)的云平臺(tái)技術(shù)，構(gòu)建安全、實(shí)時(shí)的平臺(tái)層?；谠鰪?qiáng)的5G 連接層與平臺(tái)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(guò)引入網(wǎng)業(yè)協(xié)同、低時(shí)延、RedCap 等端到端增強(qiáng)技術(shù)，具備高確定、低時(shí)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(dòng)，在集中式PLC 組網(wǎng)架構(gòu)下，5G 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)業(yè)協(xié)同，對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行智能識(shí)別及精準(zhǔn)調(diào)度，同時(shí)通過(guò)全局的流量編排和門(mén)控來(lái)減少端到端的抖動(dòng)，使5G 具備大部分場(chǎng)景下對(duì)確定性的要求；另一方面，業(yè)隨網(wǎng)動(dòng)，通過(guò)本地能力開(kāi)放將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、資源使用情況、排隊(duì)等待時(shí)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(shí)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(shí)延，提升可靠性。其中，降低時(shí)延的關(guān)鍵原子能力包括超短幀（DS幀結(jié)構(gòu)）、非時(shí)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(shí)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(jí)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(guò)引入RedCap IO 等低成本5G終端，大幅降低端側(cè)成本。

2）平臺(tái)層增強(qiáng)技術(shù)。平臺(tái)層通過(guò)引入多種實(shí)時(shí)性技術(shù)、多層級(jí)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(shí)性、安全性。

a）實(shí)時(shí)性關(guān)鍵技術(shù)?？梢圆捎脤?shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、打?qū)崟r(shí)（RT）補(bǔ)丁、綁核等技術(shù)來(lái)減少宿主操作系統(tǒng)在任務(wù)處理時(shí)延及任務(wù)調(diào)度等方面對(duì)云化PLC運(yùn)行的影響。

b）多層級(jí)安全隔離技術(shù)。在邊緣算力載體內(nèi)，針對(duì)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(shí)，可以采用傳統(tǒng)容器隔離、鏡像安全等技術(shù)來(lái)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(duì)接其他電信設(shè)備時(shí)可采用不同網(wǎng)絡(luò)平面，或使用不同業(yè)務(wù)IP 段來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離。邊緣算力載體對(duì)外可通過(guò)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(duì)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(tái)采用統(tǒng)一云底座[4]，如圖6所示。虛擬化技術(shù)可以對(duì)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(kāi)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(cè)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(chǎng)景中的作用，我們?cè)谀臣译娭圃旃S進(jìn)行新型組網(wǎng)架構(gòu)測(cè)試驗(yàn)證。本次試點(diǎn)為生產(chǎn)線皮帶線速調(diào)節(jié)場(chǎng)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(shí)，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(gè)變頻器控制，并通過(guò)PLC控制多個(gè)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(guò)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(tái)和變頻器控制單元。變頻器控制單元與HMI 緊耦合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)HMI 管理平臺(tái)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(duì)產(chǎn)線進(jìn)行改造。5G 工業(yè)云基站通過(guò)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(duì)實(shí)時(shí)性的需求，基站的操作系統(tǒng)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)性增強(qiáng)（打RT kernel 補(bǔ)?。瑫r(shí)為PLC 所在容器分配了固定的中央處理器（CPU）核及存儲(chǔ)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(guò)程中，通過(guò)工業(yè)基站將HMI 的控制單元與管理平臺(tái)分離，將管理平臺(tái)無(wú)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(guò)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(wú)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(chǎng)景改造后的架構(gòu)如圖7所示。經(jīng)壓力測(cè)試，PLC南向無(wú)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(chǎng)景改造前、改造后架構(gòu)示意圖

▲圖8 壓力測(cè)試結(jié)果

本次試點(diǎn)通過(guò)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(wú)線化可以減少生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線化、HMI 和PLC 解耦分離簡(jiǎn)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(jí)交、互，提升整體效率；

3）PLC 南向和HMI 無(wú)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(wèn)題檢測(cè)和軟件升級(jí)，更加高效地推動(dòng)工業(yè)控制運(yùn)維向智能化的方向發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)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(jí)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(lái)，我們期待與產(chǎn)業(yè)鏈各領(lǐng)域合作伙伴一起，推動(dòng)5G 與OT 從“互通”走向“融合”，探索工業(yè)控制協(xié)議國(guó)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(wú)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(wú)線控制系統(tǒng)。同時(shí)，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(dòng)工控設(shè)備內(nèi)生5G，提升現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化，助力制造強(qiáng)國(guó)的實(shí)現(xiàn)。