基于算力网络的云化PLC新架构及滨江工厂应用实践

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。

     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。