小盟科普丨新型工業(yè)控制架構(gòu)
當(dāng)前，工業(yè)控制系統(tǒng)正處于從封閉走向開放、從單一走向融合的關(guān)鍵變革期。新型工業(yè)控制架構(gòu)正逐步成型，以軟硬解耦、開放互聯(lián)、融合智能為核心特征，為工業(yè)生產(chǎn)帶來了前所未有的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化能力，成為推動(dòng)新型工業(yè)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵力量。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟系統(tǒng)梳理了新型工業(yè)控制相關(guān)內(nèi)容，展開系列科普活動(dòng)。
新型工業(yè)控制架構(gòu)
隨著ICT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的深度融合與廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)工廠ISA-95生產(chǎn)體系架構(gòu)正經(jīng)歷著前所未有的深刻變革。隨著智能機(jī)器的發(fā)展和智能分析的集中，工業(yè)生產(chǎn)體系架構(gòu)進(jìn)一步扁平化，通過功能疊加和收編改造，傳統(tǒng)的垂直體系將會(huì)變成水平架構(gòu)，從傳統(tǒng)的ISA95的五層金字塔架構(gòu)演變成為“以控制+計(jì)算+網(wǎng)絡(luò)為中心”的云-邊-端三層體系架構(gòu)。L3和L4層的企業(yè)生產(chǎn)和管理系統(tǒng)如ERP、MES等，正逐步從傳統(tǒng)的單機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)向云化架構(gòu)轉(zhuǎn)型，不僅實(shí)現(xiàn)了ERP、MES等關(guān)鍵應(yīng)用的中心云端部署，更依托AI大模型與數(shù)據(jù)治理技術(shù)的強(qiáng)大支撐，催生出統(tǒng)一管理和運(yùn)維的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。同時(shí)L2（監(jiān)測(cè)層）系統(tǒng)也展現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)，部分功能融合數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)，部署至中心云端，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的直觀呈現(xiàn)與深度洞察；另一部分則向邊緣側(cè)延伸，融合物聯(lián)、邊緣智能推理等能力，強(qiáng)化數(shù)據(jù)采集、分析推理等核心能力，逐漸以虛擬化、分布式部署于邊緣側(cè)。L1（控制層）功能同時(shí)也逐漸向邊側(cè)遷移，隨著軟硬件解耦合逐步發(fā)展及智能化邊緣控制成為主流方向，控制資源池化并靈活部署于通用計(jì)算架構(gòu)之上。這一變革不僅提升了系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性，更在多個(gè)工業(yè)場(chǎng)景中展現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。L0（工業(yè)裝備層）裝備的數(shù)字化與終端的智能化進(jìn)程加速推進(jìn)，向終端側(cè)遷移，形成智能終端。多模態(tài)傳感器、智能儀表、智能裝備、具身機(jī)器人等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)取得顯著進(jìn)展，使得數(shù)據(jù)收集、處理與存儲(chǔ)的門檻顯著降低。同時(shí)，小型化、輕量級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與IP協(xié)議棧應(yīng)運(yùn)而生，以極低的資源占用率與能耗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)終端的高效管理與控制，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛部署奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
總體上看，新型工業(yè)控制架構(gòu)將實(shí)現(xiàn)從設(shè)備硬件、操作系統(tǒng)、運(yùn)行態(tài)組件、控制應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議等分層次的解耦合，這種水平解耦將有助于企業(yè)將精力放在自身核心工藝、算法等構(gòu)建上，以提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，而對(duì)于底層的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)無感。新型工業(yè)控制體系架構(gòu)是以“控制+計(jì)算”為核心的，本質(zhì)上為“數(shù)據(jù)”為“控制”服務(wù)，從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的海量數(shù)據(jù)的采集，到工業(yè)邊緣層的數(shù)據(jù)預(yù)處理，多維數(shù)據(jù)信息的融合，到云端數(shù)據(jù)的智能化應(yīng)用。從傳統(tǒng)的垂直系統(tǒng)，向水平解耦的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)系統(tǒng)。
生產(chǎn)體系架構(gòu)演進(jìn)示意圖
新型工業(yè)控制功能架構(gòu)總體上具備智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化和協(xié)同化的特征。本報(bào)告提出新型工業(yè)控制總體功能架構(gòu)如下圖所示：
新型工業(yè)控制總體架構(gòu)
現(xiàn)場(chǎng)層作為新型工業(yè)控制系統(tǒng)的感知與執(zhí)行層，集成了智能閥門、伺服系統(tǒng)、機(jī)床CNC等執(zhí)行設(shè)備以及多模態(tài)傳感器等感知設(shè)備。這些設(shè)備通過IO接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制，為上層系統(tǒng)提供高精度、實(shí)時(shí)的生產(chǎn)過程信息，并執(zhí)行來自上層的精確控制指令。感知與執(zhí)行層的智能化設(shè)計(jì)有效解決了傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)獲取滯后、控制精度低、設(shè)備互聯(lián)互通差等問題。
邊緣層承擔(dān)著現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互任務(wù)。該層采用虛擬化架構(gòu)，部署非實(shí)時(shí)虛擬機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、智能推理和人機(jī)交互任務(wù)，同時(shí)利用實(shí)時(shí)虛擬機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵邏輯控制和高精度運(yùn)動(dòng)控制。虛擬化層與硬件層協(xié)同實(shí)現(xiàn)靈活的資源管理和計(jì)算能力分配，交互界面系統(tǒng)為操作人員提供直觀的操作界面、數(shù)據(jù)可視化工具和設(shè)備管理功能。邊緣計(jì)算層的引入有效解決了傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延遲高、響應(yīng)速度慢、數(shù)據(jù)處理能力不足等問題，顯著提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和靈活性，并降低了對(duì)云端服務(wù)的依賴程度。
云層負(fù)責(zé)整體的集中管理和決策優(yōu)化，并提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能。部署了集中控制系統(tǒng)，包含非實(shí)時(shí)容器和實(shí)時(shí)容器，分別負(fù)責(zé)控制編排、控制優(yōu)化、物聯(lián)、智能訓(xùn)練以及邏輯控制、高精度運(yùn)動(dòng)控制等功能。容器層和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為上層應(yīng)用提供高效的資源管理和實(shí)時(shí)支持，而IEC 61499和IEC 61131編程環(huán)境則為開發(fā)和部署控制邏輯提供標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)。云計(jì)算層層的云端部署能夠有效解決傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析能力不足、決策支持缺乏的問題，為工廠提供更智能、更全面的決策支持，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和提升。
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