基于算力网络的云化PLC新架构及滨江工厂应用实践
发布时间:2022-09-19 作者:中兴通讯 马立军,赵明鹤 阅读量:

 

工业制造领域的网络从架构上可分为两大部分:一是承载数据采集及感知控制等业务的OT网络,如现场总线、PLC(可编程逻辑控制器)、HMI(人机接口)、SCADA(数据采集与监视控制)等系统,一般称之为现场网络;二是承载信息及应用系统等业务的IT网络,如MES(制造执行系统)、ERP(企业资源计划)等。相对IT网络而言,现场网络的复杂性在于其技术栈的多样性、可靠性等需求。

 

随着工业数字化的逐步推进,现场网络的控制和感知参数已经从传统的温度、压力、位置等逐渐扩展到视觉、音频等维度,传统PLC及相应现场总线难以支持这类新需求。这些新数据、新业务依赖更灵活、更高效的算力,带动工业互联网进入数智化时代。

 

 

工业现场网络与IT网络融合趋势

 

 

参考工业互联网产业联盟AII发布的《工业互联网网络连接白皮书》,OT网络包含现场级和车间级。在实际工业生产过程中,现场级OT网络主要面临以下问题:

 

首先,PLC作为现场设备和企业应用系统之间的桥梁,主要完成逻辑控制业务及非结构化数据到结构化信息的处理过程。不同厂商PLC之间协议不兼容,协同、扩展需要上升到应用系统,带来时延和业务可靠性问题。

 

其次,不同厂商的现场总线不兼容,导致现场设备层与PLC紧耦合。多PLC类型、多总线组网在软件定义的柔性制造方面临挑战,推高了企业的运维成本。

 

最后,企业数智化转型带来现场网络的智能化和大数据等新需求。以机器视觉为代表的新技术、新工艺(如视觉表面检测)等应用提高了生产质量和效率,这类应用难以在现有物理PLC上承载,当前通常采用IPC(Industry PC,工业计算机)+PLC组合,这进一步带来OT组网的复杂性。

 

在“中国制造2025”、工业4.0及工业互联网等政策、技术双轮驱动下,OT、IT在现场网络领域融合化、归一化趋势显现,其中以TSN、云化PLC技术为典型代表。云计算、工业以太网等成熟的IT技术下沉现场网络,主要的技术优势包括:

 

- 云计算、虚拟化技术基于软硬件解耦架构在电信NFV领域取得巨大成功,在OT领域通过虚拟化技术实现PLC的计算和IO解耦,基于通用算力实现PLC业务和机器视觉、工业大数据等业务共享算力平台,实现现场网络的软件定义和多业务融合。

 

- 以TSN技术推动IT、OT网络的归一化,实现现场网络的扁平化组网,利于现场设备的东西向和南北向协同。

 

当前云化PLC在融合化、归一化过程中,依然存在严峻挑战。一方面云化PLC对云的安全性、可靠性需求,对离散分布的边缘及超边缘算力存在动态、弹性的管理需求;另一方面云化PLC计算在云端,IO设备作为不可虚拟化设备保留在现场,通过5G、Wi-Fi或有线网络完成组网连接,而现场多种业务在流量特征、QoS需求等方面均存在差异,OT业务云化需要与网络一体协同。

 

安全、可靠、弹性、协同,是云化PLC需要解决的新问题,其答案就是算力网络。

 

 

算力网络支撑下的云化PLC新架构

 

 

企业的ICT、OT基础设施一般包括企业级中心、分支机构/车间级边缘和设备现场等,从云的视角看包括中心云、边缘云、超边缘等多层次、分布式的云架构。中兴通讯基于TCF(TECS Cloud Foundation)电信级可信云构建了算力网络就绪的TCF ONE(Open Native Enabler)分布式云服务使能平台,该平台具备泛在算力的分布式统一调度能力和MEC、5G云网协同能力。

 

云化PLC的技术核心是现场网络上云,其主要运行载体在边缘云和超边缘两层。它作为能力平台在实际应用落地过程中往往还依赖5G网络。5G提供高可靠、大带宽的连接,TCF ONE提供分布式算网协同,云化PLC提供关键业务能力平台,三者共同构建“连接+算力+能力”的ToB业务生态。

 

结合中兴通讯在5G及云计算领域的广泛实践和积累,基于中兴通讯算力基站NodeEngine的内生算力,我们提出了TCF ONE支撑的云化PLC新架构(如图1)。

 

- 分布式算力统一调度

 

有别于传统云边协同架构,算力网络支持云边、边边及超边缘等多层次的东西向、南北向协同,以“上帝视角”统一管理、调度泛在化的资源。针对算力下沉现场网络场景,超边缘节点支持离网自治、即插即用,满足云化PLC业务对云的差异化需求,既可以运行在边缘云,出于业务实时性、安全性考虑,也可以运行在超边缘。

 

- SLO感知的智能调度

 

不同类型的应用有其SLO(Service Level Objectives)需求,同时不同层次的云资源有其SLA能力。算力网络以应用为中心,基于对应用的统一建模实现应用SLO和资源SLA的动态调度。以云化PLC应用为例,其SLO包括CPU算力规格、网络带宽/抖动/丢包率等需求,SLO感知的统一调度在分布式云资源中根据SLA的最佳匹配完成业务部署过程。

 

- 算力感知的服务路由

 

基于SAN(Service-Awareness Network)服务感知网络技术,实现应用在不同云资源池的实例之间的动态服务路由。以机器视觉应用为例,可按需在边缘云及超边缘节点部署服务实例,根据5G或Wi-Fi网络对应用SLO的满足情况,动态路由现场视频数据到边缘云节点或现场超边缘节点,保障业务的连续性。

 

- 5G网络协同的确定性保障

 

基于标准的MEC能力开放和NodeEngine无线网络QoS增强方案,TCF ONE基于业务特征动态识别方案与网络侧协同,实现面向应用的高可靠性保障。

 

分布式云架构和算网一体协同是现场网络上云的关键需求,云化PLC基于算力网络新架构,可以实现现场网络业务的高可靠、高弹性。

 

Network diagram

 

 

      图1   TCF ONE+云化PLC架构

 

 

滨江工厂实践

 

 

中兴通讯南京滨江5G工厂,持续探索“5G边缘计算+云化PLC”在智能制造领域的应用落地。在前期5G云化PLC试点QCell装配产线的基础上,基于对业务场景的实际需求和算力网络新架构的理解,结合TCF ONE、ZTE NodeEngine算力基站、SE边缘控制器等算网基础设施,构建了一套基于算力网络架构的现场网络业务平台,基于该平台完成现场OT域南向设备/总线的统一接入管理、云化PLC运行时及机器视觉等OT服务使能。部署视图如图2所示。

 

Network diagram

 

     图2   滨江工厂现场网络业务

 

 

该方案主要优势和成果:

 

- 基于TCF ONE统一管理算力基站NodeEngine及SE边缘控制器等算力资源,打造算网一体架构,全面支持现场网络上云。TCF ONE分布式云服务可支持云化PLC业务按需调度至现场SE边缘控制器或NodeEngine算力基站。

 

- 基于5G TSN+南向接入总线服务实现现场设备的灵活组网,架构扁平化,技术栈融合。解决原有南向总线与PLC的绑定耦合问题,从原有的“设备→南向总线→PLC→通信网关→北向总线→MES等应用系统”改造为“设备→TSN/南向总线→云”,进而实现现场网络相关业务一跳入网、一跳入云。

 

- 一网多用,基于TCF ONE的分布式云架构满足企业IT、OT等多业务的一致性体验需求,除云化PLC业务,也支持机器视觉等业务;在图2环境中实现了<70ms的“越界到告警”的检测效果,可将越界告警和PLC急停等协同流程在SE边缘控制器终结,提升线体生产安全。

 

- 基于业务特征感知的5G网络QoS保障方案,云化PLC扫描周期大幅优化,非TSN组网提升至20ms,TSN组网可进一步提升至10ms@99.999%。

 

 

展望

 

 

算力网络还在不断发展完善中,TCF ONE对现场网络的支撑也在不断改进。随着5G TSN的商用落地,及算力网络算网一体技术的成熟,现场网络上云将逐渐深入ToB各行业应用场景。下一步,TCF ONE将在异构算力服务化、服务感知、算力感知及与5G网络协同方面继续完善,针对现场网络云化PLC等OT关键业务场景提供稳定、可信、安全的运行平台。