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邬贺铨:开发新型5G工控网关,高起点建设工业互联网

导读5 月 26 日,2021 中国国际大数据产业博览会(简称“2021数博会”)在贵州省贵阳市开幕。国信息化百人会顾问、中国工程院院士邬贺铨受邀参加5G驱动数智化转型高端对话并发表主题演讲。邬贺铨表示,很多工控产品已使用十多年,现在边缘计算、5G工业模组、智联网、区块链、IPv6、TSN等技术发展很快,将这些技术集成进新型可信工控网关势在必行。5G工业模组提供以视频的/ARVR宽带无线接入等应用的通道,为工业互联网的现场级增加了可供选择的接入模式,但只是传统PLC等工控设备的辅助,不足以解决基于传统工控设备的工业互联网层级多、标准碎片化、ITOT融合困难、网络安全性低等问题。在5G工业模组基础上融合PLC / SCADA、TSN、IPv6、物联网、边缘计算和AI等技术,开发新型工控网关将推动工业互联网扁平化、IP化、无线化,实现IT/OT的无缝融合。新型工控网关开创工业互联网新格局,也为5G在产业数字化的应用打通了道路,展示了广阔的创新空间。

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面的重要价值和深远影响。

△ 图为邬贺铨院士演讲现场以下是邬贺铨院士的演讲实录:

我讲一个比较具体的一点,针对新型的工业网关。现在工业互联网底层是要收集数据,然后通过互联网采集数据,中间有一个工业互联网平台,也有人说是企业操作系统,实际上是一个云平台,把数据进行分析,有大数据人工智能的软件,建立数字模型,然后产生一些决策,通过工业APP去支撑应用。实际上现在大部分企业都能够做到企业联网,做到门户网站、信贷管理、供应链金融、企业云,少一点是做工厂联网,更少一点的做到机器联网,把设备、仪器仪表联结在一起,更少一点是产品联网,我们卖出去的产品做远程的监控维护。我们很多企业做工业互联网,IT企业很多是从企业大佬进来,有些只做平台,为什么只做中间的,因为下面做不了。难题是企业现场级最难,原来有PLC、DCS、FCS来收集底层的生产装备、传感器、模拟量、开关量等等数字量,收集网了以后汇总到车间的现场总线。现在5G来了,我们增加一种模式,通过5G工业模组可以把这些数据收集起来,特别是针对运动的,传感器、机器人、无人机等等这两种模式不一样,一种是OT模式,是传统的工业,而左边是IT模式,是网络的。

再往上,上到车间和工厂一间,我们叫过程监控生产管理级,通过工业互联网再通过网关上到网络业务上,上面是工厂这一级和企业级,这里面有IT网络,有云计算还有APP,当然还要连着外网。

现在做大佬的容易,做平台商的来讲难一点,但是也有,但是做底层的很多都是望而生畏,进不来,这些做起很难。PLC是可编程逻辑控制器,DCS也是类似的。现在工业互联网把手机直接搬进共来,但是还有各种工厂的接口,以及还有PLC、DCS连接底层的机器和仪器仪表,所以工业模组是5G工厂利用的一部分,然后连到基站,这个基站可以是运营商的公共基站,也可以是企业的,然后再连到上面的服务器。现在在公众网上我们叫ToC,工业上基本终端都是接到基站,而工业上终端到基站可以多种多样的突破,甚至可以直连。过去公众网上的基站只有物理层的功能,不处理任何交换,当然在工业上,可能需要边缘计算、需要核心网的功能。

我比较两种模式,传统的模式是OT技术,是主从架构,由上位机来控制下边的服务,上位机要求你什么时候报,周期是你的命令,然后机器再来上报数据。但是这种PLC这种方式发展得很早,所以碎片化。现在作为国际标准的PLC标准有14种,在工业上运用的PLC有200种,在上层是工业以太网,工业以太网也很多,所以开放性不好,对新技术适应性差,不适应临时布放。

而工业互联网是标准以太网协议,层次简化,但是有个缺点,模式是CSMA/CD,看看总线上有没有人发数据没有人发我再发,那这个时延就很大了,所以5G这个的好处就弥补原来4时延不好的模式。5G不仅支持物对物,还支持人对物的通信,便于集成4各种新技术,适于云网边端。

过去标准以太网工业上在用,但是用在管理上基本上非实时,只是用在管理上。而现场总线和工业以太网都要求实时,现场要控制。但是现在生产自动化的生产线速度越来越快,自动化程度越来越高,工业以太网的实时性已经赶不上发展需要,所以需要发展延时敏感网,延时敏感网在时序里面定义了上层支持的服务包是什么质量要求,工厂里面有各种各样的数据要上报,但是这些数据并不那么紧迫。比如说周期性报告、温度湿度的数据,只要打上时间标签,晚一点报告也没有关系,但是2号和3号对应的是报警,生产上有故障,这个时候要优先。因为按照传统的办法是先到先走,不具备优先权,现在敏感协议可以让1号停止传输,然后先把2、3号传了,然后再把1号传,这种方式叫时延敏感网络,这样就解决了标准以太网没有实时性的确定,而且TSN是可以通过架构在5G上传送的,用这种方式能够实现周期性和非周期性数据的同传。

在上一层,叫过程监控与生产管理,就是里面把这些数据上导来,要注意到底层的数据,这些数据是没有接口的,企业的人看不见,而且也不会做数据的可视化。现在我们要引进这些东西,通过SCADA,把这些数据变得可视。SCADA具有把这些数据变成便于工厂的生产人员可以看到这些数据,能够把历史的数据关联起来,能够把你的数据什么时候报警能够判断出来,有一些模型,所以SCADA本身能够实现把底层的数据变成可管理的数据,但是有个问题,PLC/DSC的标准也在变化,所以要把SCADA和下面的数据连起来很容易,实际上配置很复杂、很麻烦,要针对不同的PLC有不同的配置,所以为什么我说讲工业互联网这么多,很少有IT企业敢于去接底层数据,因为配置太复杂了。

这里面用的公共主机都是Windows的,底层是OT,这一层是IT,这两个是不融合的,所以你要实现两个融合,就带来挑战。

在网络级,我们现在引入IPV6,IPV6可以实现真是源地质溯源,并留有很大的编程空间,可以开发更多的功能。APN6在IPV6包中定义业务服务质量,网络感知业务需求,提供流驱动的直接响应。所以你想说有质量的管理做不了,运营商之所以变管道化,就是因为他根本不懂这里面是什么东西。现在怎么办呢?我们可以定义IP包是哪个用户,什么服务、要求带宽多少、抖动多少、丢包率多少,网络就知道你要什么要求,我就能够差别的对待,你要低时延就低时延,你要高可靠就高可靠。

你说从A到Z测量,可以测,但是这次A到Z测量时走的路跟真正的数据走的路不一样,有多路径可以选择,所以测出来未必都是真的。现在搞了一个随流检测,在用户数据包里面,插入了一些减轻丢包率、减轻时延的检测,这样更好的满足工业上的需要。

另外实现分段路由,我把路由下达到第一个路由器,中间的路由器不用动脑筋、不用思考,快速的实现路由的建立,这是过去我们做不到的。实际上所谓可靠,不能保证网络不出问题,万一断了怎么办?没关系,我为每一段路由都预先计算了,备用路由走哪里,所以很快上报一个,就可以重新组织一个路由。另外你的业务有不同需求,可以引导你走不同路,如果没有特殊需求,走这段路来实现A到Z的连接,如果你要求低时延走这条路,要求高带宽你走这条路,你要高可靠怎么做?我们既要做到6个G的可靠性,你以为5G本身真的这么可靠吗?不是,你要高可靠我给你准备4条路,再不够,给你5条、6条,所以通过这种办法,使整个5G面向工业上的应用,你要什么样的应用我都可以满足。

在网络业务上,主要是做大数据和人工智能的分析。另外,上面还有OPC,是一种可以适应底层的,把底层不同的协议都可以翻译,底层现有的不是有PLC的多样性吗?不好改,怎么办?从语义上来翻译,从语义上来理解你的数据究竟是什么含义。人与人之间没有语义上的理解难题,可是企业上的数据自己不会说话,所以你要理解它比如说这层数据1是什么意思,0是什么,你必须定。所以我们在OPC这里实现语义上的兼容,当然OPC有两种模式,实际上你可以看到现场级的是各种各样的标志品,但是可以通过OPC实现翻译,一种叫C/S客户服务器,一种叫P/S就是发布/订阅,OPC的好处不论什么硬件,你是PC机、云服务器、PLC等各种各样的处理器都能建,无论是什么软件,Windows、苹果、谷歌、安卓的系统都可以兼容,OPC是万能的翻译,什么都可以兼容。我现在就定义什么呢?如果你知道这个生产环境是不是超过28度,我就告诉你,你先提一个订阅的要求,一旦发生这个事件,不管是谁,直接通知你,这样就省了建立连接的办法。所以通俗的讲,OPCUA是一个翻译器,OPC—UAOverTSN是解决打通了传感器到云,然后进行语义的翻译。

企业有分支机构、有各种各样的中心,有各种各样的云,走物理专线,安全质量就得到保障,但是成本要贵一点,而且不是你说多少带宽有多少带宽的。走公众互联网可能并不是这么好,可以基于企业的需求来选择。未来我们采用云原生,它的计算已经渗透到终端,所有的服务单元都很小,我们计算能力可以充分利用起来,另外现在在工业上很少利用一个云的,一般都会有多个云,多个云可以增加业务的多样性、安全性。要实现企业外网跟云连起来,最好的办法用IPv6。IPv6为什么简单?IPv4地址功能单一、靠增加协议来支撑新应用。IPv6增强地质功能,瘦身网络协议,简单高效。

我国机械行业80%的设备还是采用继电器,连PLC都没有,另外用了PLC95%是进口的,小型75%进口,DCS49%进口,高端的SCADA70%进口的,安全漏洞令人担心,且不少属于相关制造商的专有方案,协议不开放。一个典型的工厂的控制在90年代末仅5万个,到2030年将增加到55万个,靠PLC做不了。

怎么办?两者融合,并且把IPv6、SCADA、、OPC—UATSN、区块链、物联网、边缘计算融合在一起。原来发展过程中是一步一步来的,现在为什么还要分这么细?我把它融合起来更好。我提出来一个想法,国外是利益相关者,PLC是他们的,他为什么要颠覆自己,现在到了中国可以颠覆它的时候,我们应该自己来搞,所以工厂内王要推进IT与OT融合要开发融合的网关,使得工厂朝着扁平化、IP化、智能化发展,推动机器联网,才能盘活生产线的数据。

5G工业模组提供以视频的/ARVR宽带无线接入等应用的通道,为工业互联网的现场级增加了可供选择的接入模式,但只是传统PLC等工控设备的辅助,不足以解决基于传统工控设备的工业互联网层级多、标准碎片化、ITOT融合困难、网络安全性低等问题。融合了之后,我们可以不要PLC,但是现有工厂里面还有一些PLC,在5G工业模组基础上融合PLC/SCADA、TSN、IPv6、物联网、边缘计算和AI等技术,开发新型工控网关将推动工业互联网扁平化、IP化、无线化,实现IT/OT的无缝融合。新型工业网关还可利用OPC兼容现有工控设备。新型工控网关开创工业互联网新格局,也为5G在产业数字化的应用打通了道路,展示了广阔的创新空间。

开发新型5G可信工控网关需要加强产学研用合作,立足创新,明确需求,标准起步,试点推进,形成产业,支撑我国工业高质量可持续发展。

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