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)網絡一般分為企業(yè)層、車間層、控制層和設備層[1]。其中，企業(yè)層與車間層屬于信息技術（IT）網絡，對網絡性能要求不高，一般采用標準以太網協(xié)議?？刂茖优c設備層位于生產現場，屬于運營技術（OT）網絡，對網絡性能要求苛刻，一般采用定制工業(yè)以太網/現場總線協(xié)議。

為提高生產效率，工業(yè)生產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”）設備位于工業(yè)現場，與機器人、生產裝備等組成具備某一生產能力的工位。各工位之間通過傳送帶、物料架等連接，并通過統(tǒng)一精準的協(xié)同控制完成生產流程的閉環(huán)。高精度、高可靠的自動化生產對控制環(huán)節(jié)的確定性要求很高，工業(yè)現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)，來保障生產的連續(xù)性和安全性。工控通信網絡整體產業(yè)鏈條長、產業(yè)難度大，目前高端工控設備及工業(yè)協(xié)議嚴重依賴進口，制約了中國智能制造產業(yè)的高質量發(fā)展。

近年來，隨著5G、云計算等新一代信息技術的發(fā)展，無線通信、大規(guī)模計算能力不斷提升，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)現場無線化，真正實現柔性生產。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，實現降本增效。一方面，具備確定性增強能力的5G 系統(tǒng)內生云化/集中化可編程邏輯控制器（PLC），可承載工業(yè)網絡IT 域、OT 域的所有需求，實現“一網到底”；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、網絡與業(yè)務的協(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，控制功能實現云化/集中化后，可復用當前通用的算力資源，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架構的探索

自工業(yè)自動化技術發(fā)展以來，工業(yè)界從未停止對控制器的創(chuàng)新。隨著服務器能力的不斷提升，用服務器承載所有控制實體的集中化組網架構逐漸進入工業(yè)現場。工業(yè)集中化組網架構以統(tǒng)一的服務器為載體，將網絡進程間通信（IPC）、設備控制器、PLC 等進行云化/集中化部署。在該架構下，控制器實體部署在工位內部，不同級的設備間為有線連接，未能做到產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絡間、不同工控設備間的數據互通問題。

5G 因其統(tǒng)一的標準、極致的性能、成熟的上下游產業(yè)鏈及生態(tài)，成為業(yè)界探索工業(yè)控制網絡無線化的主賽道。近幾年，“5G+云化PLC”成為通信界的研究熱點。如圖1 所示，一級PLC被云化/集中化部署到用戶端口功能（UPF）/多接入邊緣計算（MEC）等邊緣算力內；二級PLC依然采用有線分布式的方式來部署，實現了部分云化/集中化。該架構在一定程度上簡化了工業(yè)網絡架構，實現一級PLC間的協(xié)同增效。但工業(yè)現場存在多張網絡，仍無法解決不同網絡間、不同工控設備間數據互通的一系列問題。同時，二級PLC 與輸入輸出（IO）/驅動器之間仍然采用有線連接，僅實現了部分柔性。

▲圖1 通信界對控制集中化組網架構的探索

2 新型工業(yè)集中控制組網架構

為進一步簡化工業(yè)現場組網，實現全向柔性，本文提出了基于5G 連接的集中式PLC 新型工業(yè)組網架構，如圖2所示。該架構基于工業(yè)現場的邊緣算力載體來部署云化PLC，通過5G 網元（如工業(yè)現場基站、邊緣計算平臺、園區(qū)用戶端口功能等）與PLC的集成部署與協(xié)同優(yōu)化，實現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)組網架構

集中式PLC組網架構采用統(tǒng)一云底座，一方面通過軟件化、虛擬化實現虛擬化PLC（vPLC），取代現場所有的硬件PLC，實現PLC的全向無線化；另一方面，vPLC的集中化帶來組態(tài)邏輯設計的轉變，使高效的協(xié)同互動替代了靜態(tài)的流程規(guī)劃，從而提升生產效率。該架構通過統(tǒng)一開放的編程接口實現集中化的調試升級，提升運維效率。同時，該架構依托邊緣算力集中化部署協(xié)議轉換，可以降低端側復雜度，以及行業(yè)終端成本。

3 面臨的挑戰(zhàn)及關鍵技術體系

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)組網架構面臨如下4 個方面的挑戰(zhàn)：

1）如何保障端到端傳輸的確定性？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)境中傳輸的確定性面臨極大挑戰(zhàn)；另一方面，PLC 虛擬化后所在宿主操作系統(tǒng)的實時性能否滿足PLC 業(yè)務的需求，也是需要考慮的內容。

2）如何進一步降低部署及使用成本？PLC 形態(tài)的變化節(jié)省了PLC 實體設備的成本，但5G 復雜的網絡架構及高昂的終端價格也在很大程度上影響了5G深入工業(yè)現場的節(jié)奏。針對工廠局域場景，亟需一種低成本、極簡的5G 端到端組網方案。

3）如何高效使能柔性生產？現階段，工業(yè)生產模式逐漸由單一產品的大規(guī)模量產逐漸轉向消費者定制的個性化生產，由此衍生了柔性制造的概念。柔性制造對生產線生產設備快速靈活的調整、產線組態(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下CT 與OT 的安全性？集中化架構帶來了兩種狀態(tài)的改變：一是PLC設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各自獨立的狀態(tài)因集中化部署在同一設備上出現了交集。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、邊緣算力載體內外數據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 關鍵技術體系

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)組網架構下的關鍵使能技術體系。通過在網絡側引入資源自適應的高確定性傳輸技術、靈活幀結構低時延技術，在端側引入RedCap 技術，構建高確定、低時延、低成本的連接層；通過引入多層級安全隔離技術、基于實時能力增強的云平臺技術，構建安全、實時的平臺層?；谠鰪姷?G 連接層與平臺層，網絡與業(yè)務可以進行協(xié)同優(yōu)化，業(yè)務邏輯可以按需靈活編排，工業(yè)應用可以按需一體化部署，從而加速工廠各生產要素的“全連接”。

▲圖3 集中式PLC新型工業(yè)組網架構下的關鍵使能技術體系

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

a）基于資源自適應的高確定性傳輸技術——網業(yè)協(xié)同。一方面，網隨業(yè)動，在集中式PLC 組網架構下，5G 網絡通過網業(yè)協(xié)同，對業(yè)務流進行智能識別及精準調度，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)隨網動，通過本地能力開放將網絡狀態(tài)、資源使用情況、排隊等待時間等告知業(yè)務，業(yè)務結合網絡情況調整發(fā)包特征。網業(yè)協(xié)同架構圖如圖4所示。

▲圖4 網業(yè)協(xié)同架構示意圖

b）靈活幀結構等低時延技術。一方面，5G系統(tǒng)持續(xù)增強空口原子能力，降低端到端的平均時延，提升可靠性。其中，降低時延的關鍵原子能力包括超短幀（DS幀結構）、非時隙調度（Mini-Slot）、半持續(xù)調度/免授權調度（SPS/CG）以及雙激活協(xié)議棧（DAPS）等，提升可靠性的關鍵原子能力包括低碼率調制解調（MCS）、時隙（Slot）重復以及分組數據匯聚協(xié)議（PDCP）復制[2]等。另一方面，5G 系統(tǒng)采用分級分檔技術體系[3]將眾多原子能力根據不同的業(yè)務需求進行靈活組合，以提供差異化的業(yè)務保障。

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

2）平臺層增強技術。平臺層通過引入多種實時性技術、多層級安全隔離技術，保障集中化架構下OT/CT業(yè)務的實時性、安全性。

a）實時性關鍵技術?？梢圆捎脤崟r操作系統(tǒng)（RTOS）、打實時（RT）補丁、綁核等技術來減少宿主操作系統(tǒng)在任務處理時延及任務調度等方面對云化PLC運行的影響。

b）多層級安全隔離技術。在邊緣算力載體內，針對集中式PLC組網架構下的邊緣算力載體，需實現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、鏡像安全等技術來提升容器安全可靠性。在邊緣算力載體與其他電信設備之間，邊緣算力載體在對接其他電信設備時可采用不同網絡平面，或使用不同業(yè)務IP 段來實現隔離。邊緣算力載體對外可通過防火墻實現外網隔離。解決方案如圖5所示。

▲圖5 容器形態(tài)下的集中式PLC架構安全隔離解決方案

3）應用層增強技術?；诮y(tǒng)一云底座，應用層可實現業(yè)務邏輯靈活編排、行業(yè)應用按需部署，降低部署及使用成本。

a）業(yè)務邏輯靈活編排。集中式PLC 組網架構采用云化技術部署后，不再受物理分布影響，可對PLC的業(yè)務邏輯進行整合與拆分，按需編排，靈活設計。

b）行業(yè)應用按需部署。承載集中式PLC組網架構的邊緣算力平臺采用統(tǒng)一云底座[4]，如圖6所示。虛擬化技術可以對基站硬件資源進行統(tǒng)一的池化管理，根據業(yè)務需求實現按需彈性擴展、快速部署以及業(yè)務間的隔離性要求。依托網云業(yè)一體化的架構，基站可以靈活集成各種多樣化的工業(yè)應用，更好地實現設備快速部署、業(yè)務快速開通，降低使用成本。

▲圖6 云網業(yè)一體化架構

4 新型工業(yè)集中控制架構在家電行業(yè)中的測試與驗證

為了驗證集中式PLC組網架構在實際場景中的作用，我們在某家電制造工廠進行新型組網架構測試驗證。本次試點為生產線皮帶線速調節(jié)場景，在產線工人數量、產品規(guī)格、產品生產速度、產品合格率變化時，產線生產需要根據生產資源和生產要求的變化進行調節(jié)。每段產線的生產線速由一個變頻器控制，并通過PLC控制多個變頻器的頻率，進而調整皮帶線速。由于工廠環(huán)境限制，需要產線變頻器頻率實現遠程調節(jié)，保證在高溫等惡劣生產條件下，正常進行生產節(jié)奏調節(jié)。

在工廠的原有架構中，變頻器的頻率可以通過產線人機界面（HMI）進行調節(jié)。HMI 以有線方式連接至產線各變頻器，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，無法實現HMI 管理平臺遠程控制變頻器頻率。

在本案例中，為實現變頻器遠程調節(jié)，應用5G 云化工業(yè)基站對產線進行改造。5G 工業(yè)云基站通過容器化方式部署了vPLC，使產線的控制能力集中在工業(yè)基站中。為滿足PLC對實時性的需求，基站的操作系統(tǒng)需要進行實時性增強（打RT kernel 補?。瑫r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程序在獨占的資源中以高隔離性運行。

在產線改造的過程中，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，實現集中化部署。通過5G 網絡控制變頻器頻率調節(jié)和狀態(tài)上報，實現變頻器頻率調節(jié)無線化，因此工廠可基于遠端操作界面進行頻率調節(jié)。變頻器調節(jié)場景改造后的架構如圖7所示。經壓力測試，PLC南向無線網絡可靠性可達到99.99%@20 ms，如圖8 所示，滿足產線業(yè)務需求。

▲圖7 變頻器調節(jié)場景改造前、改造后架構示意圖

▲圖8 壓力測試結果

本次試點通過5G 工業(yè)云基站的應用，可以在以下幾方面幫助工廠實現降本增效：

1）PLC 的軟件化和無線化可以減少生產現場中PLC線纜等硬件部署，降低產線組網成本；

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

3）PLC 南向和HMI 無線化可以實現HMI 遠程操作，使產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、遠程等方式進行問題檢測和軟件升級，更加高效地推動工業(yè)控制運維向智能化的方向發(fā)展。

5 結束語

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)組網新型架構。在新架構下，首先，通過空口增強、網業(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，可以實現PLC 邏輯按需編排、靈活設計，真正使能柔性制造；最后，網云業(yè)一體的設計，支持行業(yè)應用按需部署、數據本地流轉，從而實現多層級安全保障，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，我們期待與產業(yè)鏈各領域合作伙伴一起，推動5G 與OT 從“互通”走向“融合”，探索工業(yè)控制協(xié)議國產化。在該階段，以5G 為基礎面向工控進行定制增強，聯(lián)合產業(yè)定義工業(yè)應用協(xié)議標準，與底層無線協(xié)議內生融合，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 作為新型基礎設施的作用，需要推動工控設備內生5G，提升現場設備的智能化，助力制造強國的實現。