基于5G連接的集中式PLC新型工業組網架構

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）

傳統的工業網絡一般分為企業層、車間層、控制層和設備層[1]。其中，企業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議。控制層與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，一般采用定制工業以太網/現場總線協議。

為提高生產效率，工業生產大部分采用流水線作業方式，工業控制（后文簡稱為“工控”）設備位于工業現場，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，并通過統一精準的協同控制完成生產流程的閉環。高精度、高可靠的自動化生產對控制環節的確定性要求很高，工業現場普遍采用基于剛性確定性規劃協同的離散分布式控制系統，來保障生產的連續性和安全性。工控通信網絡整體產業鏈條長、產業難度大，目前高端工控設備及工業協議嚴重依賴進口，制約了中國智能制造產業的高質量發展。

近年來，隨著5G、云計算等新一代信息技術的發展，無線通信、大規模計算能力不斷提升，使用成本不斷降低。隨著5G 與工業融合的逐步深入，業界正在探索5G 與OT 的深度融合，使能工業現場無線化，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同控制”思路，以替代傳統“基于剛性確定性規劃協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 系統內生云化/集中化可編程邏輯控制器（PLC），可承載工業網絡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，通過大范圍協同、組態邏輯的優化、網絡與業務的協同，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 業界對控制集中化的組網架構的探索

自工業自動化技術發展以來，工業界從未停止對控制器的創新。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現場。工業集中化組網架構以統一的服務器為載體，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 因其統一的標準、極致的性能、成熟的上下游產業鏈及生態，成為業界探索工業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網絡架構，實現一級PLC間的協同增效。但工業現場存在多張網絡，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 新型工業集中控制組網架構

為進一步簡化工業現場組網，實現全向柔性，本文提出了基于5G 連接的集中式PLC 新型工業組網架構，如圖2所示。該架構基于工業現場的邊緣算力載體來部署云化PLC，通過5G 網元（如工業現場基站、邊緣計算平臺、園區用戶端口功能等）與PLC的集成部署與協同優化，實現基于軟性確定性連接的全局集中式協同控制。

▲圖2 基于5G連接的集中式PLC新型工業組網架構

集中式PLC組網架構采用統一云底座，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的集中化帶來組態邏輯設計的轉變，使高效的協同互動替代了靜態的流程規劃，從而提升生產效率。該架構通過統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議轉換，可以降低端側復雜度，以及行業終端成本。

3 面臨的挑戰及關鍵技術體系

3.1 面臨的挑戰

目前，基于5G 連接的集中式PLC新型工業組網架構面臨如下4 個方面的挑戰：

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境中傳輸的確定性面臨極大挑戰；另一方面，PLC 虛擬化后所在宿主操作系統的實時性能否滿足PLC 業務的需求，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 形態的變化節省了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深入工業現場的節奏。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，工業生產模式逐漸由單一產品的大規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的改變：一是PLC設備間原生物理隔離的狀態因集中化變為虛擬隔離；二是CT與OT各自獨立的狀態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，如圖3所示，本文提出集中式PLC新型工業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。基于增強的5G 連接層與平臺層，網絡與業務可以進行協同優化，業務邏輯可以按需靈活編排，工業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協同、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——網業協同。一方面，網隨業動，在集中式PLC 組網架構下，5G 網絡通過網業協同，對業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，業隨網動，通過本地能力開放將網絡狀態、資源使用情況、排隊等待時間等告知業務，業務結合網絡情況調整發包特征。網業協同架構圖如圖4所示。

▲圖4 網業協同架構示意圖

b）靈活幀結構等低時延技術。一方面，5G系統持續增強空口原子能力，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）、半持續調度/免授權調度（SPS/CG）以及雙激活協議棧（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議（PDCP）復制[2]等。另一方面，5G 系統采用分級分檔技術體系[3]將眾多原子能力根據不同的業務需求進行靈活組合，以提供差異化的業務保障。

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業務的實時性、安全性。

a）實時性關鍵技術。可以采用實時操作系統（RTOS）、打實時（RT）補丁、綁核等技術來減少宿主操作系統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 容器形態下的集中式PLC架構安全隔離解決方案

3）應用層增強技術。基于統一云底座，應用層可實現業務邏輯靈活編排、行業應用按需部署，降低部署及使用成本。

a）業務邏輯靈活編排。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的業務邏輯進行整合與拆分，按需編排，靈活設計。

b）行業應用按需部署。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一的池化管理，根據業務需求實現按需彈性擴展、快速部署以及業務間的隔離性要求。依托網云業一體化的架構，基站可以靈活集成各種多樣化的工業應用，更好地實現設備快速部署、業務快速開通，降低使用成本。

▲圖6 云網業一體化架構

4 新型工業集中控制架構在家電行業中的測試與驗證

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場景，在產線工人數量、產品規格、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。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。由于工廠環境限制，需要產線變頻器頻率實現遠程調節，保證在高溫等惡劣生產條件下，正常進行生產節奏調節。

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。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，應用5G 云化工業基站對產線進行改造。5G 工業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基站中。為滿足PLC對實時性的需求，基站的操作系統需要進行實時性增強（打RT kernel 補丁），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 遷移至工業基站中，實現集中化部署。通過5G 網絡控制變頻器頻率調節和狀態上報，實現變頻器頻率調節無線化，因此工廠可基于遠端操作界面進行頻率調節。變頻器調節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，滿足產線業務需求。

▲圖7 變頻器調節場景改造前、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控制運維向智能化的方向發展。

5 結束語

本文圍繞“基于軟性確定性連接的全局集中式協同控制”思路，提出基于5G 連接的集中式PLC 工業組網新型架構。在新架構下，首先，通過空口增強、網業協同等保障控制信令的端到端確定性傳輸；其次，基于統一的云底座，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，網云業一體的設計，支持行業應用按需部署、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”，探索工業控制協議國產化。在該階段，以5G 為基礎面向工控進行定制增強，聯合產業定義工業應用協議標準，與底層無線協議內生融合，形成性能極致、更具魯棒性的自主可控的工業無線控制系統。同時，為更好地發揮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。