孫瑞琪 ,張巖 ,吳曉寧 ,秦大偉 ,劉佳偉
(1.鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司,北京 102211;2.鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司,遼寧 鞍山 114001)
近年來,在國家供給側(cè)改革政策的推動(dòng)下,工業(yè)領(lǐng)域呈穩(wěn)定持續(xù)復(fù)蘇態(tài)勢,但在產(chǎn)業(yè)上游材料成本提升、人力成本不斷上漲和客戶對(duì)于產(chǎn)品和服務(wù)高品質(zhì)的需求不斷攀升等多重因素影響下,不斷要求工業(yè)企業(yè)采用新思維、新技術(shù)、新模式進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)向智能化靠攏[1]。在新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和IT技術(shù)的支持下,隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、軟件產(chǎn)品和開放架構(gòu)的實(shí)施,流程工業(yè)和離散制造業(yè)的自動(dòng)化架構(gòu)正在被重新定義[2]。工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)朝著更具備可互操作性、更開放、網(wǎng)絡(luò)化、國產(chǎn)替代、高可靠性、多功能的方向發(fā)展,利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制能力擴(kuò)展的“軟件定義控制”模式應(yīng)運(yùn)而生。云計(jì)算可以被認(rèn)為是應(yīng)用于未來工業(yè)自動(dòng)化有效的解決方案,而5G通訊網(wǎng)絡(luò)具有低時(shí)延、大帶寬、廣連接等特點(diǎn),結(jié)合工業(yè)自動(dòng)化的要求和特點(diǎn),各種技術(shù)相互借鑒與融合,5G與云計(jì)算的融合將推動(dòng)這種新一代控制架構(gòu)朝著更開放的方向闊步前進(jìn)[3]。
工業(yè)智能化的全面實(shí)現(xiàn),需要深入工業(yè)現(xiàn)場的基礎(chǔ)設(shè)施變革和在應(yīng)用層面的創(chuàng)新。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施,構(gòu)建海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的綜合服務(wù)體系,為前沿創(chuàng)新提供保障[4]。頂層工業(yè)應(yīng)用快速部署上線,工業(yè)控制系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)融合,帶來更顯著的效率提升。
工業(yè)控制必須滿足實(shí)時(shí)性任務(wù)要求,工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的采用,實(shí)現(xiàn)了分布式實(shí)時(shí)控制。為了將任務(wù)進(jìn)程之間的信息傳遞限制在一定的通信延遲內(nèi),通常采用確定性專用實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場的最典型網(wǎng)絡(luò)就是現(xiàn)場總線。把分散的控制設(shè)備轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),連接成為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)部署主要為有線網(wǎng)絡(luò),伴隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化產(chǎn)品不斷的升級(jí)更新,逐漸形成承載網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜和工業(yè)協(xié)議七國八制的現(xiàn)狀[5]。復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和系統(tǒng)、設(shè)備、協(xié)議無法兼容互通,數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流難以實(shí)現(xiàn)融合,子系統(tǒng)架構(gòu)逐漸成為信息孤島。而且傳統(tǒng)的控制器對(duì)不同設(shè)備的通訊配置需要多種協(xié)議轉(zhuǎn)換,部分不支持在線配置操作設(shè)備,需要離線停機(jī)配置再重連接入,不僅耗時(shí),而且影響網(wǎng)絡(luò)整體穩(wěn)定性,工業(yè)應(yīng)用的全流程互聯(lián)互通難以發(fā)揮價(jià)值。
新一代智能傳感器和智能應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能方面都有更高的要求,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無法滿足需求,必然促使搭建額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,導(dǎo)致多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存,甚至出現(xiàn)某一車間、某一環(huán)節(jié)獨(dú)立組網(wǎng)的情況,進(jìn)一步增加了運(yùn)維難度。甚至一些控制環(huán)節(jié)存在著大量的早期專用計(jì)算節(jié)點(diǎn),承載著PLC、DCS、工控機(jī)等傳統(tǒng)工控硬件,這些專用節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)算力有限,更加難以有效支撐新型應(yīng)用的部署。并且現(xiàn)場控制需要實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)輸出控制指令,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制模型需混合使用離/在線數(shù)據(jù),各種網(wǎng)絡(luò)連接使控制系統(tǒng)架構(gòu)日趨復(fù)雜,這些對(duì)控制系統(tǒng)提出要具備高容量網(wǎng)絡(luò)帶寬、高性能計(jì)算資源、自適應(yīng)軟件架構(gòu)以及智能計(jì)算框架的要求。
在工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域,目前存在著多種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng),比如 EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP等,雖然在滿足機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制等方面已經(jīng)綽綽有余,但在易用性、互操作性、帶寬和設(shè)備成本上都存在一些不足,要保證大數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性,現(xiàn)有的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議就顯得更力不從心。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)深度融合所形成的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài),是工業(yè)企業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施[6]。企業(yè)利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),能夠快速響應(yīng)市場需求,高效整合資源組織生產(chǎn)經(jīng)營,產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、特色化定制等新的模式。
在IT和OT融合的背景下,大數(shù)據(jù)和云計(jì)算,5G、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)、OPC UA等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù),逐漸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域。尤其是5G通訊技術(shù),隨著5G標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸完善,5G的設(shè)計(jì)引入MBB、URLLC、mMTC三大應(yīng)用場景,3GPP面向5G發(fā)布的R16版本標(biāo)準(zhǔn)則重點(diǎn)完成URLLC技術(shù)特性,提供低時(shí)延、高可靠性的能力,為保障5G技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的規(guī)?;瘧?yīng)用提供了技術(shù)可行路徑[7]。國家工信部陸續(xù)出臺(tái)政策,指導(dǎo)各地區(qū)積極開展5G全連接工廠建設(shè),加快“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”向工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域各環(huán)節(jié)深度拓展。
隨著工業(yè)數(shù)字孿生、數(shù)字驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)流程管控等新應(yīng)用的出現(xiàn),需要對(duì)生產(chǎn)中全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,更多傳感器將被接入到網(wǎng)絡(luò)。依靠5G大帶寬網(wǎng)絡(luò),傳感器采集的原始數(shù)據(jù)無需進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理,上傳到云端通過強(qiáng)大的服務(wù)器來計(jì)算。利用以5G為代表的新一代信息通信技術(shù)集成,打造新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施,形成生產(chǎn)單元廣泛連接、信息運(yùn)營深度融合、數(shù)據(jù)要素充分利用、創(chuàng)新應(yīng)用高效賦能的5G先進(jìn)工廠。
目前在鞍山本部廠區(qū)和鲅魚圈廠區(qū)分別建設(shè)基于UPF分流的5G專網(wǎng)和基于i5GC分流的5G專網(wǎng),同步開通跨市專線,兩地網(wǎng)絡(luò)連接在一起,不僅實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)多控制系統(tǒng)間協(xié)同控制、協(xié)同調(diào)度、協(xié)同管理,而且達(dá)到跨區(qū)域的5G融合的遠(yuǎn)程運(yùn)維調(diào)試和監(jiān)控服務(wù)目的。
5G專網(wǎng)采用控制與用戶分離的軟交換網(wǎng)絡(luò),主要包含核心網(wǎng)、IP承載網(wǎng)、SPN網(wǎng)、UPF網(wǎng)元。核心網(wǎng)具有移動(dòng)管理、會(huì)話管理和數(shù)據(jù)傳輸功能,主要包含接入和移動(dòng)管理功能(AMF)、會(huì)話管理功能(SMF)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理 (UDM)、鑒權(quán)服務(wù)器功能(AUSF)、策略控制功能 (PCF)、網(wǎng)絡(luò)開放功能(NEF)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能(NRF)、網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能(NSSF)。SPN網(wǎng)絡(luò)基于SDN架構(gòu),是具有時(shí)分復(fù)用(TMD)、路由高效分配、多通道聚合等特性的切片分組網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)高安全性和低時(shí)延。UPF網(wǎng)元主要負(fù)責(zé)用戶面數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā),數(shù)據(jù)包由UPF轉(zhuǎn)發(fā)流向應(yīng)用終端。生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)本地處理轉(zhuǎn)發(fā),大幅度降低傳輸時(shí)延,保證數(shù)據(jù)不出園區(qū)。
5G專網(wǎng)優(yōu)點(diǎn):
(1)提升無線傳輸?shù)臅r(shí)延可靠性保障:實(shí)現(xiàn)10~20 ms控制時(shí)延;
(2)無線網(wǎng)絡(luò)切片,提供差異化的業(yè)務(wù)保障:優(yōu)先傳輸控制信號(hào)保障時(shí)延,非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)隔離;
(3)異頻雙網(wǎng)冗余覆蓋,保證網(wǎng)絡(luò)可靠性:1+1通道冗余保護(hù)實(shí)現(xiàn)高可靠傳輸。
云網(wǎng)融合是基于業(yè)務(wù)需求和技術(shù)創(chuàng)新并行驅(qū)動(dòng)帶來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革,使得云和網(wǎng)高度協(xié)同。現(xiàn)在越來越多的工業(yè)企業(yè)開始布局建設(shè)云網(wǎng)融合的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái),深度集成網(wǎng)絡(luò)鏈接、邊緣計(jì)算、工業(yè)協(xié)議解析等能力,有效支撐企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化應(yīng)用。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過系統(tǒng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全三大功能體系,打造人、機(jī)、物全面互聯(lián),形成智能化發(fā)展的應(yīng)用模式。企業(yè)應(yīng)用逐漸從以 “設(shè)備為中心”演化為“以用戶為中心”,讓網(wǎng)絡(luò)變得更加簡潔和智能化,不再對(duì)上層業(yè)務(wù)和策略有太多要求,網(wǎng)絡(luò)將作為實(shí)現(xiàn)用戶需求的橋梁紐帶[8]。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用逐漸由“互聯(lián)”向“云+網(wǎng)+ICT服務(wù)”和“云+網(wǎng)+業(yè)務(wù)”過渡,云間互聯(lián)只是過程,最終目的是達(dá)成云網(wǎng)和實(shí)際業(yè)務(wù)的高度融合。通過軟件化、虛擬化、智能化和服務(wù)化形成一體化的云網(wǎng)融合架構(gòu)見圖1,提供多源異構(gòu)的資源體系,滿足多樣化業(yè)務(wù)場景對(duì)云平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)和算力資源等服務(wù)需求。
圖1 云網(wǎng)融合架構(gòu)圖Fig.1 Architecture Diagram for Cloud-network Integration
5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)化架構(gòu)的部署實(shí)施促進(jìn)云網(wǎng)融合的協(xié)同發(fā)展。隨著5G大規(guī)模的建設(shè),云計(jì)算加快了應(yīng)用落地的進(jìn)程,5G與各行業(yè)垂直領(lǐng)域深度融合,催生了新的應(yīng)用模式。5G促進(jìn)云網(wǎng)融合的關(guān)鍵要素是邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)切片,邊緣計(jì)算對(duì)于大帶寬能力、低時(shí)延能力和高安全性都有很大挑戰(zhàn),網(wǎng)絡(luò)切片在功能定制、資源隔離和質(zhì)量保障方面有不同的實(shí)踐方法。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景中,5G網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)低時(shí)延、高速率、廣連接、安全可靠的通信環(huán)境,高質(zhì)量云服務(wù)實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)生產(chǎn)要素資源跨層融合協(xié)同,從物質(zhì)流和信息流協(xié)同優(yōu)化的角度出發(fā),為企業(yè)管理提供全流程一站式智能服務(wù),大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)管理效率。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是在云平臺(tái)上疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù),能夠快速響應(yīng)市場需求、高效整合資源組織生產(chǎn)經(jīng)營,進(jìn)而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、特色化定制等新的模式[9]。目前眾多生產(chǎn)環(huán)節(jié)的連接設(shè)備數(shù)據(jù)和供應(yīng)鏈上的各種資源已經(jīng)被接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),但作為生產(chǎn)制造的核心技術(shù)“工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)”如果不能靈活、可擴(kuò)展的接入平臺(tái),就會(huì)仍然存在大量單體設(shè)備、PLC分散部署的現(xiàn)象,這樣的工業(yè)服務(wù)體系嚴(yán)重制約未來全產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈發(fā)展。
5G與云計(jì)算融合的工業(yè)云網(wǎng)端控制架構(gòu)是一種云服務(wù)融合控制模式的工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu),將云服務(wù)器中硬件資源虛擬化,實(shí)現(xiàn)云資源的動(dòng)態(tài)分配和跨域共享,將軟件定義的控制系統(tǒng) (軟PLC)部署在云服務(wù)器中,運(yùn)行時(shí)控制指令作為服務(wù)通過5G網(wǎng)絡(luò)傳遞到現(xiàn)場設(shè)備,使得控制核心與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接相通具有互操作性,實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)端一體化控制,如圖2所示。
圖2 工業(yè)云網(wǎng)端控制架構(gòu)圖Fig.2 Architecture Diagram for Industrial Cloud Network Terminal Control
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐和深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”的重要基石,重點(diǎn)也在于網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全這三個(gè)方面。網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ),數(shù)據(jù)是核心,安全是保障。云網(wǎng)融合打通了原先云、網(wǎng)、邊、端各自獨(dú)立的安全架構(gòu),對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、云的計(jì)算、網(wǎng)的傳輸?shù)冗^程中的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行一體化聯(lián)動(dòng)監(jiān)測控制,并通過云網(wǎng)安全、數(shù)據(jù)安全等多技術(shù)融合創(chuàng)新,形成應(yīng)對(duì)各類安全風(fēng)險(xiǎn)的獨(dú)特能力[10]。
工業(yè)云網(wǎng)端控制架構(gòu)不僅在業(yè)務(wù)層面取得成功,也會(huì)在根本上改變現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)的安全架構(gòu)和安全治理模式。部署在云平臺(tái)的虛擬化PLC在網(wǎng)絡(luò)安全方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,基于SDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬化網(wǎng)絡(luò)I/O,通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行精細(xì)控制,構(gòu)建精細(xì)化的全流量檢測、全功能轉(zhuǎn)發(fā)以及“零信任網(wǎng)絡(luò)”環(huán)境的安全網(wǎng)絡(luò)鏈路,甚至可構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的工業(yè)安全區(qū)塊體系。此外,在軟件定義的控制系統(tǒng)內(nèi)部和應(yīng)用前端,也會(huì)設(shè)置工控軟件防火墻對(duì)進(jìn)出虛擬化PLC的流量信息進(jìn)行雙重安全防護(hù)。云網(wǎng)端控制架構(gòu)應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域,從網(wǎng)絡(luò)安全的角度看來,會(huì)比傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
以鞍鋼(本部、鲅魚圈)兩地?zé)掍搹S連鑄中間包翻包設(shè)備控制應(yīng)用為背景,采用云網(wǎng)端控制架構(gòu),設(shè)計(jì)邏輯程序完成翻包作業(yè)。具體控制流程為夾持吊車把鋼包移動(dòng)到翻包機(jī)構(gòu)位置并鎖緊鋼包,控制廢料車進(jìn)入翻包設(shè)備正下端位置???,驅(qū)動(dòng)翻包機(jī)旋轉(zhuǎn)180°,液壓泵驅(qū)動(dòng)翻包機(jī)上方頂缸,頂桿伸縮運(yùn)動(dòng)把鋼包里的鋼渣從澆鑄口頂出掉落在下方廢料車內(nèi),清除完畢后控制承載鋼渣的廢料車平移到下一工序進(jìn)行后續(xù)處理。
改造前,所有作業(yè)由西門子PLC控制器完成,通信采用工業(yè)總線協(xié)議形式。目前鞍鋼建設(shè)的5G專網(wǎng)覆蓋面積正在逐步擴(kuò)大,保證選擇的應(yīng)用場景煉鋼四分廠連鑄車間5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量符合要求[1-2],以鞍鋼私有云平臺(tái)“精鋼云”為基礎(chǔ)設(shè)施,現(xiàn)場采集信號(hào)通過5G通信高速上云,在“精鋼云”平臺(tái)部署軟件定義的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)鞍山、鲅魚圈鋼廠兩地遠(yuǎn)程集中控制,如圖3所示。具體步驟為利用虛擬化技術(shù),將云服務(wù)器中的一部分CPU資源獨(dú)立出來,部署虛擬化PLC控制器,從功能上替換傳統(tǒng)PLC硬件的CPU部分,硬件驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)接口抽象化設(shè)計(jì),云上的軟PLC與兩地?zé)掍搹S的翻包設(shè)備I/O建立無線通訊連接。控制邏輯編寫與調(diào)試都在云上編程軟件中完成,執(zhí)行控制指令,信號(hào)通過5G通信無線傳輸給兩地?zé)掍摤F(xiàn)場的I/O模塊,從而實(shí)現(xiàn)“精鋼云”上部署的一套控制系統(tǒng),同時(shí)對(duì)鞍山、鲅魚圈兩地?zé)掍搹S設(shè)備完成遠(yuǎn)程控制。
圖3 本部-鲅魚圈煉鋼廠中間包設(shè)備遠(yuǎn)程集中控制圖Fig.3 Remote Centralized Control Diagram for Tundish Equipment at Steelmaking Plants of Anshan&Bayuquan Branches
采用這種工業(yè)云網(wǎng)端控制方式,將過去常態(tài)化中包整備環(huán)節(jié)的工作人員由每班4人減到2人,工效提高50%以上,同時(shí)有效減少了連鑄現(xiàn)場工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作風(fēng)險(xiǎn),為實(shí)現(xiàn)智慧鋼鐵“穩(wěn)產(chǎn)提質(zhì)、降本增效”目標(biāo),加速國產(chǎn)化替代,為企業(yè)數(shù)字化管理和國產(chǎn)化控制核心安全應(yīng)用奠定了良好基石。
本文提出的工業(yè)云網(wǎng)端控制架構(gòu),獲得企業(yè)級(jí)別的遠(yuǎn)程協(xié)同控制能力,實(shí)施應(yīng)用后,5G網(wǎng)絡(luò)減少了中間線纜與設(shè)備,解決了有線網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜維護(hù)難度高、難以承載低時(shí)延大帶寬應(yīng)用問題,為支持新型工業(yè)應(yīng)用提供幫助。云平臺(tái)部署的軟件定義的控制系統(tǒng)可加載多個(gè)虛擬PLC,功能上替代傳統(tǒng)控制硬件,降低了維護(hù)成本。各虛擬PLC的運(yùn)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源按需分配,做到資源獨(dú)占、相互隔離、互不影響,控制系統(tǒng)整體的可靠性高。將自動(dòng)化控制與智能化應(yīng)用基于云計(jì)算一站式供給,為建設(shè)5G高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)下的云化智能控制系統(tǒng)起到了關(guān)鍵性的作用。