工业网络体系架构的演进、关键技术及未来展望_王健全.pdf

工业网络体系架构的演进、关键技术及未来展望王健全1)，马彰超1)，孙雷1)，张超一1)，李卫2)1)北京科技大学自动化学院，北京1000832)北京科技大学计算机与通信学院，北京100083通信作者，E-mail:摘要基于工业互联网应具备的特征，结合现有工业互联网总体现状，分析总结传统工业自动化封闭式五层架构存在的问题.首先，提出支持数据高效流转的云、边端新型工业网络协同架构，架构的变革对现有技术提出挑战，同时也为传统自动化系统提供了新的机遇.其次，在总体架构的基础上，提出适配新型工业网络基础架构的两项关键技术.5G时间敏感网络（Time-sensitivenetworking,TSN）协同传输技术，包括 5GTSN 异构网络融合架构、网络时钟适配机制以及基于软件定义网络（Softwaredefinednetwork，SDN）的融合管控和资源调度三部分技术内容；基于确定性网络的云化可编程逻辑控制器（Programmablelogiccontroller，PLC）技术包括工业控制虚拟化和 5G 云化工业控制技术两部分技术内容.基于此，提出自主设计面向实时运动控制的 5G 云化 PLC 与 EtherCAT 融合系统，以及面向实时运动控制的 EtherCAT 与 TSN 融合系统试验平台，并验证了新型工业网络架构的科学性和合理性.最后，对未来网络、控制、计算一体化工业自动化系统中的高效性、可靠性和安全性之间的融合问题及潜在解决方案进行了探讨.关键词工业互联网；智能制造；时间敏感网络；5G；工业控制虚拟化；自动控制；云化可编程逻辑控制器分类号TP393Evolution,key technology,prospects,and applications of industrial networkarchitectureWANG Jian-quan1)，MA Zhang-chao1)，SUN Lei1)，ZHANG Chao-yi1)，LI Wei2)1)SchoolofAutomationandElectronicEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)SchoolofComputerandCommunication,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTBasedonasummaryofthecharacteristicsoftheindustrialInternet,combinedwiththeoverallstatusoftheexistingindustrialInternet,thispaperanalyzestheproblemsofthetraditionalindustrialautomationclosedfive-tierarchitectureandconcludesthatthecurrentindustrialInternetremainsinastageoftechnologicaldevelopmentandmaturation,whichrestrictsthepromotionandstandardizationofChinasintelligentmanufacturingleveltosomeextent.Inthefuture,theindustrialInternetwillbreaktheoriginaldatahierarchy structure,break the data barrier,and realize the development of intelligent manufacturing toward intelligent,flattening,lightweight,andgreen.First,thispaperproposesanewindustrialnetworkcollaborationarchitectureonthecloudsidethatsupportsefficientdataflow.Theproposedarchitectureisaflat,platform-basedstructurethatrealizescloud-sidecollaborationandtheintegrationof control,computing power,and network.Second,on the basis of the overall architecture of the industrial network,two keytechnologiesareproposedtoadaptthenewindustrialnetworkinfrastructure.Oneis5Gtime-sensitivenetworking(TSN)collaborativetransmissiontechnology.TSNrealizestheinterconnectionandintegrationofheterogeneousnetworksintheindustrialfieldbasedonthedatalinklayer,and5GTSNcollaborativetransmissionhasbecomeanimportantevolutiontrendoftheintelligentfactorynetwork.收稿日期:20220801基金项目:国家重点研发计划资助项目（2020YFB1708800）；广东省重点领域研发计划资助项目（2020B0101130007）工程科学学报，第45卷，第8期：13761389，2023年8月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.8:13761389,August2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.01.003;http:/Three key technical contents are introduced:5G TSN heterogeneous network convergence architecture,network clock adaptationmechanism,andsoftwaredefinednetwork(SDN)-basedintegrationmanagementandresourcescheduling.TheotherkeytechnologyiscloudPLCtechnologybasedonadeterministicnetwork,andthevirtualizationandcloudcontrolsystemisthebasisforbreakingtheoriginalclosedindustrialcontrolsystem.Ontheonehand,cloud-basedhardwareresourcescanbeusedtoachieveone-to-manycontrol,savingalargeamountofindustrialcontrolequipmentdeploymentinvestmentcosts.Moreimportantly,thecentralizedcontrolsystemcanachieveunifiedcontrolandoptimizationofglobalresources.Thispaperintroducesthevirtualization5Gcloudchemicalindustrycontroltechnologywithtwoparts:technicalcontentandtechnicalroute.Third,thispaperproposesacloud-basedallocationofcontrolresourcesandacloudnetworkintegrationcollaborationscenarioanddesignsthe5Gcloud-basedprogrammablelogiccontroller(PLC)andEtherCATfusionsystemandtheEtherCATandTSNfusionsystemforreal-timemotioncontrol.Throughthetestingoftheend-to-enddelayandcross-networktimesynchronizationaccuracyoftheactualsystem,thecurrentend-to-enddelayofnetworktransmissionislessthan5ms,thecross-networktimesynchronizationerrorisbetween100400us,andtheaccuracyislessthan100nsTheseperformanceindicatorsreachthecurrentindustry-leadinglevel.Thetestplatformverifiesthescientificalnessandrationalityofthenewindustrialnetworkarchitecture.Finally,theintegrationproblemsandpotentialsolutionsofefficiency,reliability,andsecurityarediscussedinthefutureindustrialautomationsystemintegratingnetwork,control,andcomputing.KEYWORDSindustrialinternet；intelligentmanufacturing；timesensitivenetwork；5G；industrialcontrolvirtualization；auto-control；cloudprogrammablelogiccontroller前三次工业革命分别是机械化、电气化和自动化的科技革命引发并推动的，目前正经历的第四次工业革命的显著特征是工业的智能化，信息技术在推动工业智能化发展过程中发挥着重要作用1.信息技术被赋予了推动现代工业转型升级的任务，在此过程中工业互联网是信息化和工业化交叉融合的典型代表，是对以往工业生产、产业升级和变革、实现智能制造的关键技术手段2.在工业互联网体系中，要求对系统中所有节点设备状态的全面感知，即网络的全面、动态、可靠连接和数据的高效流转，其本质是工业能力与信息与通信技术（Informationandcommunicationstechnology，ICT）能力的集成、融合与创新.主要包括三方面3：（1）制造企业全面数字化、网络化是基础.底层设备设施的数字化，形成串通工业全流程的数据流，为工业全要素的互联互通提供基础支撑.（2）制造能力的平台化是关键.将数据化的制造资源在平台进行模型化设计、推演，实现资源要素的重构、组合及创新，优化生产全流程，提升产品创新力.（3）工业知识与机器智能的融合创新是核心.通过大数据、人工智能等技术加速工业知识的沉淀、复用和迭代创新，加速先进工业知识的扩散及传播，提升各生产主体掌握和运用工业知识的能力.从广义上讲，工业互联网是新一代信息通信技术与工业系统全方位深度融合所形成的产业和应用生态.工业互联网的主体是工业，工业基础是前提.在工业互联网系中，数字化是基础，负责将物理信息转化为数字信息；网络化是核心，物理世界与数字世界的纽带；而智能化是目标，将数字化工业模型转化为智能的管理、决策