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 引言/導讀

隨著以信息技術為代表的第四次工業革命的到來，工業自動化系統將進一步提升全要素生產率，實現更高質量的產品、更低的成本和更高的效率。作為工業自動化系統核心組成部件的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）正經歷著巨大的變革，從現場離散化的PLC轉變為云端容器化的云化PLC。云化PLC的優點有：1、云化PLC通過軟硬件解耦，打破了傳統工業自動化系統多層的約束，使系統的架構更加簡單和扁平化。2、云化PLC通過軟件的方式實現硬件資源配置和定義，便于實現軟件復用和系統遷移，從而降低了成本。3、云化PLC將不依賴于設備硬件廠家的通信終端，可靈活地選擇供應商，具有很強的擴展性。4、云化PLC建立在工業互聯網平臺之上，能夠快速實現對異構數據（如圖像、視頻和音頻等）的分析、挖掘與共享。同時，控制、數據分析和AI功能可以直接在云端上運行，符合工業自動化系統未來的發展方向。5、云化PLC使用多核處理器，并采用容器化技術構建出多個虛擬PLC（vPLC），能夠快速實現多個設備的高效協同控制。6、云化PLC不僅原生支持IEC61131-3標準語言編程，還支持主流的高級編程語言(如C語言)，用戶可以自由地組合這些編程語言，從而加快應用開發的過程并快速穩定地實現在行業應用中的落地。綜上所述，基于云化PLC可構建出融合互通、協同開放、統一管控、智能高效的新一代工業自動化系統，契合工業自動化系統未來的發展方向。

一、關鍵詞

云化PLC、容器化、vPLC、IEC61131、工業AI智能體、確定性網絡、5G、TSN

二、測試床項目承接主體

1、發起公司和主要聯系人聯系方式

浙大城市學院

浙江至控科技有限公司

聯系人：劉泓，15988155567，郵箱liuhong@hzcu.edu.cn

2、合作公司

邊緣智能技術與裝備浙江省工程研究中心

浣江實驗室

華為技術有限公司

三、測試床項目目標

云化PLC采用國產云平臺軟硬件技術，將PLC運行時部署在云平臺的實時操作系統上，利用容器化技術實現工業控制系統中的軟硬件解耦。通過5G/TSN等確定性網絡技術，實現數據的高可靠實時傳輸，構建出新一代云邊端架構的工業控制系統。在此基礎上，依托大數據和人工智能技術，打造工業智能體，充分挖掘數據價值，提供設計、生產、物流、銷售和服務等全鏈式智能服務。本項目的研制將加速云化PLC的發展，對探索具有智能化、高可靠和開放性等功能的新一代工業控制系統具有重要意義。

本項目的具體目標有：

研制云化PLC控制器，采用國產云平臺軟硬件技術，實現vPLC運行時的多核RTE部署和冗余機制的實現，以及基于容器化的多RTE協同等功能；云端集成開發環境（Integrated Development Environment，IDE）

的開發，IDE具有IEC61131-3編程系統，C編程系統，AI系統，具有遠程編輯、協同開發、云端編譯、在線調試，模塊化控制、智能編排等功能；面向PLC云化部署的端到端確定性網絡的研究，包括確定性網絡TSN，免授權頻段超高可靠低時延5G通信等研究內容；工業智能體的搭建，結合大語言模型、多模態、人工智能等技術，搭建具有規劃、執行、反思、長短期記憶的工業智能體。

四、測試床方案架構

1、測試床應用場景

智慧化高端裝備（設備中包含機器人、機械臂、圖像視頻等）。使用各類傳感器（如攝像頭等）獲取環境、工況、加工等數據；利用人工智能技術對這些異構數據進行分析、挖掘與共享；通過自主學習和建模實現自主控制與執行，從而實現優質、高效、安全、可靠的運行。

鋼鐵等工作環境惡劣的行業?？梢酝ㄟ^云端遠程集中控制來減少危險作業環境對人的依賴，從而降低人員傷亡并提升工作環境。

集團型企業。通過集團統一控制，實現各個公司的工藝水平拉齊，確保工藝的一致性。同時對于特殊關鍵產品的工藝參數集中管控，實現工藝保密。

柔性生產、多軸加工等協同產線。通過云化PLC快速實現各類復雜協同功能，以滿足現代柔性生產的需求。同時，云化PLC還可以增強系統的實時性和協同性，提升效率并降低成本。

各類工業智能體場景。如復雜質檢，涵蓋工業面陣/線掃相機、3D相機、多相機和機械臂等的協同工作，以實現對復雜異形件的高速高精度在線檢測。

其他場景，如高速傳輸、確定性計算等。

2、測試床架構

云化PLC系統架構如圖1所示。在云端構建云化PLC集成開發環境，包括云工業組態、AI組態、工業智能體組態、云編程、容器化配置、編譯器等核心組件，符合IEC61131-3自動化編程語言標準，具有高級編程語言編程能力。在云邊端，基于國產異構芯片，掛載高性能非易失性存儲器，在國產操作系統的基礎之上開展云化PLC軟硬件研究工作，實現vPLC運行時，包括多核RTE部署和冗余機制的、基于容器化的多RTE協同等。在邊側，提供邊側云化PLC，滿足廠區云化PLC系統的私有化部署的需求。在端側，提供端側云化I/O控制器。端側云化I/O控制器可以被云化PLC集成開發環境和邊側云化PLC直接控制，用于執行相關操作。

面向云化PLC的確定型網絡以5G無線和時間敏感網絡TSN為主要研究對象。有線TSN主要在時間同步、流量調度以及互操作三個方面對以太網技術協議進行了優化升級，包括利用gPTP技術提升時間同步機制的性能，利用時間分片、搶占、流過濾等技術擴展流量調度手段，以及利用路徑控制、冗余備份以及YANG模型等技術增強網絡的互操作功能。時間敏感網絡（TSN）技術為以太網協議的MAC層提供一套通用的時間敏感機制，在確保以太網數據通訊的時間確定性的同時，為不同協議網絡之間的互操作提供了可能。IEEE 802.1TSN工作組目前已經完成基礎共性協議的制定和發布，主要特性集中在時間同步、流量調度、網絡管理以及安全可靠三大類。無線5G是一種主要應用低時延、高可靠和大帶寬性能的新一代無線通信技術。為了進一步適配工業場景，可以將5G無線通信技術應用于免授權頻段，以降低運營成本。本項目將提供TSN網關、端側智能網關、免授權頻段5G網關及相關的TSN模塊和5G模塊。

3、測試床方案

本項目將研制一套基于云化PLC的柔性生產線測試床（下簡寫為測試床）。測試床包含若干個柔性生產過程，部分柔性生產過程包含視覺感知系統和機器控制系統。測試床使用端側云化I/O控制器進行控制，通過確定性網絡與云端服務器通信，云端服務器運行PLC集成開發環境，實現IEC61131-3編程、AI編程，遠程編輯、協同開發、云端編譯、在線調試，模塊化控制、智能編排等功能。測試床內部情況如圖4所示。

4、方案重點技術

云化PLC集成開發環境

云化PLC集成開發環境以核心功能模塊為單元進行圖形界面和業務數據的模塊化組件設計開發，高內聚低耦合功能模塊單元構建了可靠性高、拓展性強的云化PLC集成開發環境。

核心編程：符合IEC61131-3標準，提供人機界面友好的文本語言(IL、ST)和圖形語言（LD、FBD、SFC）編輯器，編程輔助組件提供變量的交叉引用查看、全局搜索替換等功能，為編程人員設計開發邏輯控制程序提供高效支撐；工程管理組件：提供全局變量申明管理功能，數據類型定義功能以及POU管理功能，方便用戶快速工程組態。

編譯鏈接：通過對編程開發的POU文件進行詞法分析、語法分析、語義分析、鏈接等操作，生成目標程序，下裝至控制器運行。

網絡通訊：提供變量監視、聯機調試、斷點調試等功能，方便用戶通過集成開發環境連接仿真器或者邊緣控制器對控制邏輯程序進行調測。

云化集成：面向云函數的庫管理功能通過在云端開發部署行業常用的云函數算法庫，提供云函數庫的解析和邊緣側協同部署能力。

AI算法組態功能通過智能調度算法，將應用于模型訓練或推理等的深度學習算法根據云邊的資源情況分配部署至云端服務器或者邊緣側設備，為算法的開發測試和高效的落地于工業現場提供支撐。

編譯鏈接組件通過對編程開發的POU文件進行詞法分析、語法分析、語義分析、鏈接等操作，生成目標程序，下裝至控制器運行。同時網絡通訊組件提供變量監視、聯機調試、斷點調試等功能，方便用戶通過集成開發環境連接仿真器或者邊緣控制器對控制邏輯程序進行調測。

云化PLC控制器

基于混合部署框架，單個或者多個云化PLC控制器部署在同一邊緣服務器，其關鍵技術包括POU實時任務調度、多協議通信管理和熱備冗余。

（1）POU實時任務調度：IEC 61131-3程序的加載、編譯/解釋執行、多任務實時調度以及斷點調試。

（2）多協議通信管理：基于私有通信協議ZC-ISCP的IDE-RTE交互技術；OPC UA/DA和Modbus TCP/RTU等數采通信協議；EtherCAT、EtherNet/IP、Profinet等工業以太網總線協議；vPLC間的網絡變量NetVar通信協議。

（3）熱備冗余：基于上電順序檢測、通信總線檢測、冗余互斥線檢測和網線檢測的低時延冗余狀態切換；任務、變量、時鐘、IO數據和POU的實時同步。

面向PLC云化部署的端到端確定性網絡

時間敏感網絡（Time Sensitive Networking,TSN）技術為以太網協議的MAC層提供了一套通用的時間敏感機制，在確保以太網數據通訊的時間確定性的同時，為不同協議網絡之間的互操作提供了可能。IEEE 802.1TSN工作組目前已經完成基礎共性協議的制定和發布，主要特性集中在時間同步、流量調度、網絡管理以及安全可靠三大類。本項目將研究TSN中時間同步、流量調度、網絡管理以及安全可靠關鍵技術。具體的核心技術有：

TSN跨網絡高精度時間同步關鍵技術：時鐘同步與流量整形和調度技術是網絡保證實時應用端到端確定性時延的關鍵。TAS機制作為一種流量整形和調度技術，目標是允許時間觸發（TT）流量和標準盡力而為（BE）流量在同一網絡中共存，并且能夠滿足TT流的確定性通信需求，同時為BE流提供盡力而為的服務。

為實現確定延遲，TSN利用幀搶占和流量整形機制在以太網鏈路中實現確定的傳輸路徑，流量整形機制通過為高優先級流量提供確定的傳輸時隙來提供確定的傳輸時延，避免突發流量造成的重傳和丟包的影響。

針對PLC終端獨立參與任務導致的資源分配不均勻的問題，將任務分配問題表述為重疊聯盟形成博弈。該方法將重疊聯盟問題轉化為非重疊的聯盟形成問題，以簡化聯盟形成的復雜性。在該方法中，虛擬終端可以通過選擇不同的聯盟來加入并分配感知資源，從而最大化系統的效用。

工業網絡協議與TSN協議適配：分析將現有工業通信設備升級為TSN網絡設備的融合方案，在時間同步、流量調度、網絡管理以及安全可靠三大類上完善IEEE 802.1 TSN工作組的基礎共性項目研究；將現有工業通信設備升級為TSN網絡設備的融合方案，設計相應的軟硬件架構。

面向PLC云化部署的TSN交換機開發：在工業互聯網領域中，業務流量模型相比傳統工業控制網絡的流量更為復雜，即從單一的產線內部的控制流量，轉變為產線內部、產線之間、控制網絡與信息網絡之間的多種業務流量類型并存。有線無線融合傳輸節點需要完成不同鏈路類型之間的數據轉換，模塊中的數據流向與子模塊功能如下圖所示。數據需要通過有線無線融合鏈路進行傳輸，數據在有線鏈路傳輸至無線輸出端口時，各節點的無線數據發送時刻由時隙分配算法的計算結果所決定。在每個有線無線融合傳輸節點中的重要模塊有：數據轉發分析模塊、門控列表計算模塊。通過通用硬件平臺和

TSN芯片實現設計架構，并搭建相應測試環境測試相關性能指標。

免授權頻段超高可靠低時延通信：應用免授權頻段可以解決授權頻段資源不足以及成本高的缺點，但同時帶來信道干擾以及安全性的問題。本項目將從信道介入、安全性機制設計、數據增強傳輸等方面，進一步提高免授權頻段通信系統的性能，滿足工業互聯網異構業務的需求。

工業智能體

針對高精度模具、汽車零配件等異形件的視覺檢測需求，開展工業智能體關鍵技術研究，主要包括：

圖 7 工業AI智能體框圖

工業大模型開發與小型化技術。主要包括兩個方面，一是云端工業大模型的構建，包括采用大語言模型作為通用底座，提煉行業知識圖譜，采集場景樣本，在云端大算力平臺進行微調訓練，得到行業大模型。二是行業大模型小型化，通過壓縮、蒸餾、量化、優化等手段形成邊端模型，將其移植到邊端嵌入式系統，作為邊端核心AI引擎。

多源異構智能感知技術。本項目開發的工業智能體的感知來源涵蓋工業面陣/線掃相機、3D相機、激光輪廓儀、多相機陣列等，通過感知單元在云邊端平臺系統里面的模塊化，實現產線開發過程中的快速智能編排。同時，機械臂也作為一個模塊輔助配合視覺傳感器，實現復雜異形件的全方位圖像采集。此外，多源數據融合算法的開發，包括早期融合、晚期融合、中期融合等三種思路。

外觀缺陷檢測算法技術。以融合傳統機器視覺算法和深度學習算法為主，既保持了深度學習的開放性，特別是缺陷種類多或不可預測的場景，又保持了傳統視覺算法的靈活性，在產線上可以快速進行算子的智能編排以滿足新出現的瑕疵識別需求。逐步構建多種常用算法模型與算子庫，方便第三方進行模塊化的開發、編排、測試與部署，快速靈活地搭建特定產線的復雜質檢軟件系統。

5、項目自主研發性、創新性及先進性

本項目基于昇騰、瑞星微等國產生態圈，研制具有自主知識產權的云化PLC軟硬件技術，研發符合工業控制系統的確定性網絡，結合大數據技術和人工智能技術，構建工業智能體，具備自主性、創新性，引領新一代工業控制系統的發展和升級。項目所涉及的核心技術在全球范圍內具備相同的起點和基礎，有望通過核心技術攻堅和產品研制實現彎道超車，在工業控制領域打造具有中國特色的完善解決方案。

6、方案安全風險控制

本項目基于國產軟硬件方案，硬件系統使用國產高性能多核芯片滿足自主可靠要求，軟件系統依賴于自主研發的國產軟件系統，確定性網絡系統中使用AI安全芯片來實現數據加密與安全傳輸技術。上述工作，確保了云化PLC的安全性、穩定性和實時性。

五、測試床實施部署

1、測試床實施規劃

2、測試床實施的技術支撐及保障措施

使用產學研多方合作模式開展工作，依托浙大城市學院成立開放合作實驗室，聯合浙江至控科技有限公司、浣江實驗室和邊緣智能技術與裝備浙江省工程研究中心為整體方案的部署實施提供技術支撐，由華為技術有限公司為整體方案提供完備自主產權的軟硬件支撐。在研究內容滿足部署的情況下，通過行業客戶提供的應用場景去進行試點應用和落地，并最終為AII聯盟提供案例反饋，形成完整閉環機制。

3、測試床實施的自主可控性

基于國產昇騰、瑞星微生態圈和浙江至控科技有限公司在PLC多年的技術積累，依托浙大城市學院，開展云化PLC軟硬件系統研制。基于浣江實驗室和邊緣智能技術與裝備浙江省工程研究中心自研的圖博云，開展工業AI智能體的研發。因此本測試床具有完備的自主可控性。

六、測試床預期成果

1、測試床的預期可量化實施結果

TSN網絡和無線通信網絡的時延滿足工業控制的實時性；基于國產化操作系統的云化PLC RTE；國產自主可控的云化PLC集成開發環境，支持IEC-61131-3標準自動化編程語言編程、調試和下載，支持輕量化容器和云函數管理，支持云組態和AI組態；

2、測試床的商業價值、經濟效益

基于云化PLC控制器、云化PLC集成開發環境、確定性網絡和工業AI智能體，加速國產替代，大幅度增強國家工控領域的安全性和可靠性。運用云化PLC控制器進一步改善工廠生產條件、降低危險作業；使用云化PLC集成開發環境，實現遠程云端開發、編程、組態、調試、任務編排和AI等功能；通過AI技術的引入，進一步降低人力成本；結合工業AI智能體，自動適配各類復雜工業質檢場景的需求。

3、測試床的社會價值

我國作為世界上制造業規模最大的國家，產業門類齊全、產業鏈完整、發展層次多樣，產業數字化發展具有廣闊的市場空間和豐富的應用場景。數字經濟加快推進實體企業價值鏈、供應鏈各環節的數字化改造，加快企業“上云用數賦智”，打通各部門、各環節的數據連接。促使云化PLC的應用將趨于無邊界化，市場規模龐大。基于本項目的成果，在示范應用領域進行推廣。

七、測試床成果驗證

1、測試床成果驗證計劃

測試床成果驗證計劃包括對云化PLC控制器、云化PLC集成開發環境、確定性網絡和工業AI智能體進行驗證。具體計劃如下，使用端側云化I/O控制器、邊側云化PLC和云服務器，通過確定性網絡連接，構建出符合柔性制造和AI質檢特性的工業測試床。使用云化PLC集成開發環境，實現云化PLC的編程、調試、下載和執行；應用容器化技術在云端/邊端構建出vPLC；使用vPLC實現對端側云化I/O控制器進行直接控制；數據通信依賴與確定性網絡；工業AI智能體完成負責工業質檢任務。

2、測試床成果驗證方案

測試床成果驗證計劃主要針對云化PLC控制系統整體功能進行測試。

八、測試床成果交付

測試床成果交付件

云化PLC控制器；云化PLC集成開發環境；確定性網絡設備；相關技術文檔；

測試床可復制性

本測試床提供標準化的云化PLC控制器、云化PLC集成開發環境、確定性網絡設備和工業AI智能體，基于此可以快速復制出其他功能的工業控制系統。

測試床開放性

本測試床基于國產軟硬件解耦的開放式框架，具備良好的開發和兼容性能。它可以與相關企業的軟件系統進行平滑對接，方便地擴展到相關場景中。部分核心軟硬件功能將在后期通過開源接口向客戶開放。

九、其他信息

測試床使用者

歡迎第三公司參與本測試床建設。

測試床知識產權說明

參與方各自負責不同部分的研發工作。對于獨立研發的知識產權，歸研發方所有；對于合作研發的知識產權，由合作各方自行協商決定歸屬。

測試床運營及訪問使用

建設初期，浙大城市學院和浙江至控科技有限公司牽頭，聯合浣江實驗室、邊緣智能技術與裝備浙江省工程研究中心和華為華為技術有限公司，開展云化PLC系統的建設、測試和驗證。建設后期，行業客戶可基于測試床搭建自有系統，相關技術難點及攻關由浙大城市學院和浙江至控科技有限公司進行跟蹤支撐及解決。

測試床資金

單位：萬元（人民幣）

測試床時間軸