2024年新型工業(yè)控制藍(lán)皮書

目錄第1章新型工業(yè)控制發(fā)展態(tài)勢 1工業(yè)控制是工業(yè)代際演進(jìn)的內(nèi)在驅(qū)動力 1工業(yè)控制發(fā)展面臨挑戰(zhàn) 2新型工業(yè)控制概念與演進(jìn)方向 4第2章新型工業(yè)控制架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 8新型工業(yè)控制架構(gòu) 8新型工業(yè)控制技術(shù)體系清晰 10第3章新型工業(yè)控制行業(yè)應(yīng)用價值 20裝備制造業(yè) 20電子設(shè)備制造業(yè) 24石油化工行業(yè) 28新能源行業(yè) 33第4章新型工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)洞察 38新型工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)組織活躍度不斷提升 38基于5G的算網(wǎng)控一體化成為工業(yè)控制新業(yè)態(tài) 39開放化工業(yè)控制成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展共識 39人工智能與工業(yè)控制加速結(jié)合 40第5章發(fā)展建議 41參考文獻(xiàn) 42第1章 新型工業(yè)控制發(fā)展態(tài)勢工業(yè)控制是工業(yè)代際演進(jìn)的內(nèi)在驅(qū)動力一般公認(rèn)的工業(yè)演進(jìn)歷程分為四次工業(yè)革命，分別是第一次工業(yè)革命-機械化時圖1.1工業(yè)代際演進(jìn)趨勢2030可編程邏輯控制器據(jù)采集系統(tǒng)）、DCS（分散控制系統(tǒng)）的結(jié)合，實現(xiàn)復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)處理，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。信息化時代。21均得到極大提升。綜上所述，工業(yè)控制從裝置控制到模擬控制、繼電器控制、反饋回路控制，工業(yè)控制發(fā)展面臨挑戰(zhàn)2070ISA-95L1L2挑戰(zhàn)一：數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)難，智能化升級無法支撐DCS、PLC樣化的工業(yè)任務(wù)。以往工廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作普遍圍繞打通生產(chǎn)管理層和運營管理層的數(shù)據(jù)根據(jù)《2020（放式接口提供給第三方ISA-95集，無法滿足“算力下得來，數(shù)據(jù)上得去”的需求。挑戰(zhàn)二：信息互通難，柔性生產(chǎn)需求難以滿足挑戰(zhàn)三：升級運維難，IT-OT術(shù)支持不足，系統(tǒng)運維便面臨重重困難。此外，隨著信息與通信技術(shù)（ICT）OTICTICT的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。新型工業(yè)控制概念與演進(jìn)方向新型工業(yè)控制概念新型工業(yè)控制演進(jìn)方向網(wǎng)絡(luò)化：從總線模式走向以扁平化、融合承載ICT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化跨層級傳輸，控制器將不再是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的瓶頸，而是數(shù)據(jù)貫通的橋梁。網(wǎng)算控一體5G、確定性網(wǎng)絡(luò)等連界的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)能力。確定性網(wǎng)絡(luò)深入拓展DetNet、TSN、DIP網(wǎng)絡(luò)連接無線化5GWiFi6/WiFi7性。同時，5G5G/5G-A線的工業(yè)控制系統(tǒng)。IPTSN5G開放化：從封閉孤立走向軟硬解耦、開放生態(tài)傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)軟硬件緊耦合且通用性差，阻礙了工控技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。尋求不同廠家之間的控制系統(tǒng)的可互操作、可互換以及應(yīng)用程序和組態(tài)可移植，形成開放的工業(yè)控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的硬件投資和維護(hù)成本，已逐漸達(dá)成業(yè)界共識。開放的工業(yè)控制系統(tǒng)具備以下特征：硬件標(biāo)準(zhǔn)化同時通過硬件標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)一步推動跨廠家工業(yè)控制軟件的移植和復(fù)用。軟件服務(wù)化業(yè)控制軟件提出了可互操作等服務(wù)化新要求。開發(fā)生態(tài)開放IT/OT手段實現(xiàn)模塊復(fù)用和能力復(fù)用。協(xié)同化：從單機控制走向全流程、多工序協(xié)同控制現(xiàn)以下幾個方面特征和趨勢：程序設(shè)計模塊化和可互換業(yè)務(wù)需求，促進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性與效率提升?；谛畔⒛Ｐ偷臄?shù)據(jù)互操作逐步應(yīng)用息集成的深度發(fā)展。智能化：從依賴人工經(jīng)驗的專家系統(tǒng)控制走向基于數(shù)據(jù)分析自決策的智能控制工業(yè)控制智能化是實現(xiàn)工廠數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)的關(guān)鍵，在全面感知、泛在連接、域智能化的重要方向。展到可以解決實際問題并完全超越人類的程度。工業(yè)大模型應(yīng)用模式逐漸清晰虛實融合控制仿真廣泛應(yīng)用。通過將實際工業(yè)系統(tǒng)與虛擬仿真環(huán)境相結(jié)合，實現(xiàn)了對復(fù)雜工業(yè)過程的精確模擬與高效控制。工程師可以在虛擬環(huán)境中對控制系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)測試與優(yōu)化，而無需中斷實際生產(chǎn)，有效降低了試錯成本與時間，提升控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性的同時，也加速了新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程。第2章 新型工業(yè)控制架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)新型工業(yè)控制架構(gòu)ICTISA-95ISA95的云-邊-端三層體系架構(gòu)。L3（生產(chǎn)管理層）L4（經(jīng)營管理層）的企業(yè)生產(chǎn)ERP、MESERPMES監(jiān)測與控制層系統(tǒng)也展控制層功能同時也工業(yè)裝備層裝備的數(shù)字化與終端的智能化進(jìn)程正在加速推進(jìn)而形成智IP圖2.1生產(chǎn)體系架構(gòu)演進(jìn)示意圖出新型工業(yè)控制總體功能架構(gòu)，如下圖所示：圖2.2新型工業(yè)控制總體架構(gòu)CNCIO（容器（容器升了系統(tǒng)的實時性和靈活性，并降低了對云端服務(wù)的依賴程度。IEC61499IEC61131過程的優(yōu)化和提升。新型工業(yè)控制技術(shù)體系清晰工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)制系統(tǒng)的廣泛互聯(lián)與實時數(shù)據(jù)交換能力，是開放協(xié)同與互聯(lián)互通特性的保障。工業(yè)無線技術(shù)5GWi-Fi5G契合，尤其可以承載控制類實時業(yè)務(wù)。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù)，工業(yè)5G5G5G5G5G5G5GITOT5G5G/網(wǎng)關(guān)、5G5GUPF5GPLC5G/5G（ProfinetModbusEtherNet/IPOPCUAMQTT5G/5GWi-Fi主要用于實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制。Wi-Fi6（IEEEWi-FiWi-Fi617對于工業(yè)環(huán)境中的實時控制和數(shù)據(jù)傳輸非常重要。Wi-FiZigBee的傳輸速度、更低的時延（20）、更穩(wěn)定的連接、更廣泛的覆蓋范圍、更大的組網(wǎng)能力（4096）的工業(yè)應(yīng)用也可起到賦能作用。工業(yè)確定性網(wǎng)絡(luò)確定性網(wǎng)絡(luò)核心在于提供實時數(shù)據(jù)傳輸能力，保證確定的通信服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)（的可靠IP（D-IP）網(wǎng)絡(luò)等。TSNDIPIP5G5G5G5GDIPFlexEDetNet5GDIP5G5G工業(yè)光網(wǎng)PON（PassiveOpticalNetwork）和工業(yè)光總線，均基于點到多點（P2MP）P2MPPONP2MP確保了控制指令與數(shù)據(jù)反饋的精準(zhǔn)無誤和高效傳輸。PONP2MP（點對多點）PLCIO指令與數(shù)據(jù)反饋的精準(zhǔn)無誤、高效傳輸。先進(jìn)以太網(wǎng)先進(jìn)以太網(wǎng)一般指單對以太網(wǎng)（SinglePairEthernet，SPE），通過單一PhysicalLayer，雙線以太網(wǎng)物理層）基SPE技術(shù)，用于流程行業(yè)，通過使用兩線制以太網(wǎng)來連接到現(xiàn)場設(shè)備，在10MBit/s的通信速率下，電纜長度可達(dá)到1000mHARTIPOPC-UAPROFINETOTITEthernet-APL（通過現(xiàn)場設(shè)備的無縫連接和信息層上的快速數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)無論是在短距離的小型網(wǎng)絡(luò)還是在長距離的大型網(wǎng)絡(luò)中。對于過程工業(yè)而言，Ethernet-APLExZones0、12（Ignition本質(zhì)安全型“i”Ethernet-APL工業(yè)控制互操作技術(shù)工業(yè)控制互操作技術(shù)通過制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議促進(jìn)了不同工業(yè)控制系統(tǒng)間的無縫集成與數(shù)據(jù)共享，是開放協(xié)同與互聯(lián)互通目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵技術(shù)保障。實時虛擬化CPU時虛擬機和實時容器兩類技術(shù)。Type-1Type-2操作系統(tǒng)和虛擬實時操作系統(tǒng)，具有實時性高、可靠性好等特點，適用于高速、Type-2MBus隔離、環(huán)境變量隔離、進(jìn)程間通信隔離等。統(tǒng)一通信架構(gòu)統(tǒng)一通信架構(gòu)（OpenPlatformCommunicationsUnifiedArchitecture，OPC工業(yè)設(shè)備可通過統(tǒng)一的通信接口進(jìn)行通信，實現(xiàn)設(shè)備之間的互通互操作。工控信息模型信息模型可與模塊化管理、組裝式生產(chǎn)相結(jié)合，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的快速重構(gòu)，是工業(yè)企業(yè)柔性化、智能化生產(chǎn)的便捷途經(jīng)。分布式軟總線分布式軟總線為工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛分布的設(shè)備提供了的統(tǒng)一分布式通信能力，工業(yè)控制編程組態(tài)技術(shù)工業(yè)控制編程組態(tài)技術(shù)的靈活性與可擴(kuò)展性，為全面智能的實現(xiàn)提供了強有力的軟件支撐?？缙脚_編程技術(shù)（指體系架構(gòu)或操作系統(tǒng)know-howARM、X86CPUPLCPC，也可安裝在滿足最低運行要求的智能設(shè)備，如樹莓派等。市場上的跨平臺編程工具實例包括Codesys、KWmultiprog、ISaGRAF、Axel、LogicLab等。開放自動化建模語言開放自動化建模語言指遵循IEC61499確地解釋。IEC61499IEC61131-3IEC61131-3型，由此，系統(tǒng)或工業(yè)過程可統(tǒng)一模型實現(xiàn)。IEC61499機語言的習(xí)慣高度一致。協(xié)同編排技術(shù)協(xié)同編排技術(shù)可支持將虛擬化控制器以容器或虛擬機的方式部署到通用硬Kubernetes、Kubevirt的核心組成部分。工業(yè)智能控制技術(shù)工業(yè)智能控制精準(zhǔn)感知、智能決策與自動執(zhí)行，是新型工業(yè)控制系統(tǒng)智能化的核心所在。虛擬調(diào)試虛擬調(diào)試（VirtualCommissioning）是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，工業(yè)大模型先進(jìn)過程控制在工業(yè)控制領(lǐng)域，先進(jìn)過程控制（AdvancedProcessControl，APC）是一率、減少能源消耗和降低生產(chǎn)成本。APC通常包括模型預(yù)測控制（ModelPredictiveControl，MPC）、實時優(yōu)化控制（RealTimeOptimizationAPCAPCMPCMPCRTO顯著，并且能夠結(jié)合動態(tài)實時區(qū)域優(yōu)化模型和先進(jìn)的在線模型增益更新技術(shù)。云邊協(xié)同控制下達(dá)控制指令，側(cè)重于執(zhí)行高實時控制任務(wù)。工業(yè)控制安全技術(shù)工業(yè)控制安全技術(shù)特性的重要實現(xiàn)手段。邊界安全防護(hù)IP/MACNATIPv6ModbusOPC續(xù)性。除工業(yè)控制防火墻機制之外，邊界安全防護(hù)技術(shù)還包括入侵檢測系統(tǒng)(IDS)/入侵防御系統(tǒng)(IPS)，可監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量，識別異常行為和潛在攻擊，并可以阻止可疑活動。虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)則可以提供加密的通信通道，確保遠(yuǎn)程訪問的安全性等。威脅全面感知行已知漏洞的識別和檢測，及時發(fā)現(xiàn)安全漏洞，客觀評估工控網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險等級。終端安全防護(hù)HAVEXAPT（高級可持續(xù)性威脅）等，傳統(tǒng)的防病毒手段、SCADA、DCS、PCS、PLC第3章 新型工業(yè)控制行業(yè)應(yīng)用價值裝備制造業(yè)（涂裝物料架等連接，并通過自動化協(xié)同控制完成生產(chǎn)流程的閉環(huán)。裝備制造業(yè)痛點要存在數(shù)據(jù)傳輸路徑復(fù)雜、設(shè)備互通困難、柔性生產(chǎn)不足等痛點問題：現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層級復(fù)雜為數(shù)據(jù)可靠傳輸及運維帶來挑戰(zhàn)動控制、人機界面控制等多種業(yè)務(wù)場景，生產(chǎn)現(xiàn)場通常部署由多個工控機、PLC需求。終端設(shè)備類型龐雜，設(shè)備間難以互聯(lián)互通。ITOT車間高效協(xié)同和柔性生產(chǎn)不足問題亟待解決量大、周期長，無法適應(yīng)新需求。裝備制造業(yè)新型工業(yè)控制應(yīng)用案例應(yīng)用背景汽車制造企業(yè)正在向用戶驅(qū)動制造C2M(Customer-to-ManufacturerPLCC2IOIOI/OHMI一步改善訂單及時交付率。應(yīng)用方案焊裝車間生產(chǎn)線是汽車自動化產(chǎn)線的關(guān)鍵組成部分之一，其控制系統(tǒng)采用集內(nèi)遠(yuǎn)程IOIOHM（Human-Machine等。圖3.1焊裝車間產(chǎn)線集中式控制示意圖OTPLCIOAGVHMI5GIOPLC5G伺服/5G5G纜與現(xiàn)場空間成本。5G5GPLC

圖3.2汽車制造焊裝車間系統(tǒng)方案架構(gòu)圖60JPH（60）新能源汽車制造工廠為參考，可取得以下成效：提高設(shè)備運行效率和產(chǎn)線柔性化效率70萬。PLC在機房集中化部署，PLC數(shù)量減少70%。降低因網(wǎng)絡(luò)問題引發(fā)的停線時間，每年停線時間減少約70.5分鐘。節(jié)約工廠網(wǎng)絡(luò)建設(shè)施工周期約25%。減少網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施投資費用500余萬元。每年降低網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備能耗30萬余KW/H，減排28萬余噸。裝備制造業(yè)新型工業(yè)控制應(yīng)用價值5G控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。5GMECUPF聯(lián)互通。IEC-61499PLCPLC電子設(shè)備制造業(yè)IDC20205,12420256,011穎而出，提高產(chǎn)品質(zhì)量和創(chuàng)新能力，是關(guān)鍵的成功因素。電子設(shè)備制造業(yè)痛點自動化提速面向工廠智能化改造，柔性及自動化生產(chǎn)，痛點問題如下：行業(yè)產(chǎn)品更迭迅速，調(diào)整產(chǎn)線花費時間長組作業(yè)，耗費大量調(diào)試配置時間，成為提升生產(chǎn)效率的一大瓶頸。數(shù)據(jù)利用、智能應(yīng)用水平有待提升節(jié)點，無法利用統(tǒng)一的存儲、算力、智能資源進(jìn)行智能化升級。新技術(shù)的實時性和可靠性保障能力需加強應(yīng)不斷變化的工業(yè)現(xiàn)場需求。高速實時以太網(wǎng)可實現(xiàn)局域網(wǎng)規(guī)模的高實時性，但大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低，電子設(shè)備制造業(yè)新型工業(yè)控制應(yīng)用案例應(yīng)用背景5GQCELLPLCPLC應(yīng)用方案撐，項目結(jié)合開放自動化系統(tǒng)和數(shù)字孿生相結(jié)合的架構(gòu)。圖3.3基于開放自動化系統(tǒng)的控制架構(gòu)5GTSNOSTCFOTvPLCinOneIoT3D5GPLC集中云化（vPLC）vPLC10ms@99.99%5GPLC此外，通過在車間現(xiàn)場部署的極簡5G現(xiàn)場網(wǎng)算網(wǎng)一體機，結(jié)合數(shù)據(jù)采集IOT平臺前置機應(yīng)用，統(tǒng)一數(shù)據(jù)和控制流。5G現(xiàn)場網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一獲取、聯(lián)合制造部門統(tǒng)一工藝模型作可組裝的3D可視化數(shù)字孿生模擬實際物理環(huán)境。vPLC應(yīng)用成效

圖3.4云化PLC整機測試線PLC50%4030%，及降低實施成本。電子設(shè)備制造業(yè)新型工業(yè)控制應(yīng)用價值路徑。新型工業(yè)控制的引入促使工廠自動化工程師更深入地參與到產(chǎn)線的規(guī)劃與的響應(yīng)速度，提升了整體運營效率。IT石油化工行業(yè)工業(yè)和消費品的基礎(chǔ)。工業(yè)控制系統(tǒng)在石油化工行業(yè)中扮演著重要角色，一方面工業(yè)控制系統(tǒng)通過測量和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程參量，保證了生產(chǎn)過程平穩(wěn)高效和低污染排放；另一方面，工業(yè)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程偏離正常工況可能發(fā)生事故的情況下安全停止生產(chǎn)，保障人員和設(shè)備安全。石油化工行業(yè)痛點圖3.5石油化工行業(yè)儀表控制系統(tǒng)A/D4-20mAHARTFFPROFIBUSPAMODBUS考察目前石化工業(yè)控制系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)存在如下痛點：儀表智能化程度低表智能化程度低，不支持大量數(shù)據(jù)上傳。數(shù)據(jù)傳輸效率低4-20mA+HART上位機數(shù)據(jù)利用率低DCS人工智能等先進(jìn)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的深度應(yīng)用與發(fā)展。石油化工行業(yè)新型工業(yè)控制應(yīng)用案例應(yīng)用背景系統(tǒng)和零手動操作系統(tǒng)等新型工業(yè)控制系統(tǒng)。應(yīng)用方案復(fù)雜化工過程全工況自主優(yōu)化運行關(guān)鍵技術(shù)包括基于多模態(tài)特征融合的復(fù)程協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)、基于“調(diào)度-控制”雙層結(jié)構(gòu)的化工過程全工況“零手動”操作運行技術(shù)，具體如下圖所示：圖3.6基于“調(diào)度-控制”雙層結(jié)構(gòu)的化工過程全工況“零手動”技術(shù)方案基于復(fù)雜化工過程全工況自主優(yōu)化運行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的智能動態(tài)優(yōu)化控制的新一代先進(jìn)控制系統(tǒng)，其功能架構(gòu)圖如下所示：圖3.7智能動態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)IDPCIDPC，IDPC以自動給出先進(jìn)控制器運行質(zhì)量的評估結(jié)果；在運維階段，IDPC優(yōu)化更新，從而支撐在線運維，提高系統(tǒng)的使用壽命和效果?；趶?fù)雜化工過程全工況自主優(yōu)化運行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的零手動操作系統(tǒng)是PID工況零手動操作和自主優(yōu)化運行。應(yīng)用成效智能動態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)和零手動操作系統(tǒng)等新型工業(yè)控制系統(tǒng)在多個石油300體成效包括：關(guān)鍵被控參數(shù)控制性能提高30%以上；圖3.8IDPC和零手動投用前后關(guān)鍵參數(shù)控制效果對比操作人員勞動強度降低70%50%作；圖3.9操作人員勞動強度對比提高了裝置的安全性，確保裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運行；2%1.5%產(chǎn)品產(chǎn)量2%以上，提高產(chǎn)品優(yōu)等率10%以上。14853.26%3.2/年。石油化工行業(yè)新型工業(yè)控制應(yīng)用價值A(chǔ)I一方面，AI轉(zhuǎn)型升級。新能源行業(yè)現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。新能源行業(yè)痛點力發(fā)電機組始終運行在最佳狀態(tài)，從而最大限度地捕獲風(fēng)能，提高發(fā)電效率。系統(tǒng)的精密性、自動化水平具有較高要求。新能源行業(yè)對新型工業(yè)控制需求包括：通信與控制集成需求通過光纖、以太網(wǎng)、5G5G安全保護(hù)和故障預(yù)測需求新能源行業(yè)新型工業(yè)控制應(yīng)用案例應(yīng)用背景動力電池作為新能源行業(yè)的核心部件，由眾多精密電池模組通過復(fù)雜工序組PLCIT述問題。應(yīng)用方案5GPLCPLC5G5G圖3.10電池模組自動化組裝通過在工業(yè)網(wǎng)關(guān)內(nèi)部署先進(jìn)的虛擬化工控系統(tǒng)，實現(xiàn)了“5G連接+邊緣計算+PLCPLC層級冗余復(fù)雜及部署靈活性不足等問題，應(yīng)用效果明顯。AGVProfinetModbusHMI（人機界面）HMIDI/DO雷達(dá)、急停按鈕等現(xiàn)場外設(shè)，確保生產(chǎn)安全與效率。圖3.11基于虛擬化工控的電池模組自動化組裝架構(gòu)5G與智能