小盟科普丨新型工業控制架構
當前，工業控制系統正處于從封閉走向開放、從單一走向融合的關鍵變革期。新型工業控制架構正逐步成型，以軟硬解耦、開放互聯、融合智能為核心特征，為工業生產帶來了前所未有的智能化、網絡化、協同化能力，成為推動新型工業化目標實現的關鍵力量。工業互聯網產業聯盟系統梳理了新型工業控制相關內容，展開系列科普活動。
新型工業控制架構
隨著ICT技術在工業領域的深度融合與廣泛應用，傳統工廠ISA-95生產體系架構正經歷著前所未有的深刻變革。隨著智能機器的發展和智能分析的集中，工業生產體系架構進一步扁平化，通過功能疊加和收編改造，傳統的垂直體系將會變成水平架構，從傳統的ISA95的五層金字塔架構演變成為“以控制+計算+網絡為中心”的云-邊-端三層體系架構。L3和L4層的企業生產和管理系統如ERP、MES等，正逐步從傳統的單機系統架構向云化架構轉型，不僅實現了ERP、MES等關鍵應用的中心云端部署，更依托AI大模型與數據治理技術的強大支撐，催生出統一管理和運維的工業互聯網云平臺。同時L2（監測層）系統也展現出新的發展趨勢，部分功能融合數字孿生、人工智能等技術，部署至中心云端，實現生產過程的直觀呈現與深度洞察；另一部分則向邊緣側延伸，融合物聯、邊緣智能推理等能力，強化數據采集、分析推理等核心能力，逐漸以虛擬化、分布式部署于邊緣側。L1（控制層）功能同時也逐漸向邊側遷移，隨著軟硬件解耦合逐步發展及智能化邊緣控制成為主流方向，控制資源池化并靈活部署于通用計算架構之上。這一變革不僅提升了系統的靈活性與可擴展性，更在多個工業場景中展現出現場應用價值。L0（工業裝備層）裝備的數字化與終端的智能化進程加速推進，向終端側遷移，形成智能終端。多模態傳感器、智能儀表、智能裝備、具身機器人等關鍵技術的研發取得顯著進展，使得數據收集、處理與存儲的門檻顯著降低。同時，小型化、輕量級的實時操作系統與IP協議棧應運而生，以極低的資源占用率與能耗，實現了對工業終端的高效管理與控制，為工業互聯網的廣泛部署奠定了堅實基礎。
總體上看，新型工業控制架構將實現從設備硬件、操作系統、運行態組件、控制應用、網絡、協議等分層次的解耦合，這種水平解耦將有助于企業將精力放在自身核心工藝、算法等構建上，以提升產品競爭力，而對于底層的軟硬件基礎設施實現無感。新型工業控制體系架構是以“控制+計算”為核心的，本質上為“數據”為“控制”服務，從工業現場的海量數據的采集，到工業邊緣層的數據預處理，多維數據信息的融合，到云端數據的智能化應用。從傳統的垂直系統，向水平解耦的數據流轉系統。
生產體系架構演進示意圖
新型工業控制功能架構總體上具備智能化、開放化、網絡化和協同化的特征。本報告提出新型工業控制總體功能架構如下圖所示：
新型工業控制總體架構
現場層作為新型工業控制系統的感知與執行層，集成了智能閥門、伺服系統、機床CNC等執行設備以及多模態傳感器等感知設備。這些設備通過IO接口實現數據采集和執行控制，為上層系統提供高精度、實時的生產過程信息，并執行來自上層的精確控制指令。感知與執行層的智能化設計有效解決了傳統工業控制系統中數據獲取滯后、控制精度低、設備互聯互通差等問題。
邊緣層承擔著現場級的實時控制、數據處理和人機交互任務。該層采用虛擬化架構，部署非實時虛擬機執行數據處理、智能推理和人機交互任務，同時利用實時虛擬機進行關鍵邏輯控制和高精度運動控制。虛擬化層與硬件層協同實現靈活的資源管理和計算能力分配，交互界面系統為操作人員提供直觀的操作界面、數據可視化工具和設備管理功能。邊緣計算層的引入有效解決了傳統工業控制系統數據傳輸延遲高、響應速度慢、數據處理能力不足等問題，顯著提升了系統的實時性和靈活性，并降低了對云端服務的依賴程度。
云層負責整體的集中管理和決策優化，并提供遠程監控和控制功能。部署了集中控制系統，包含非實時容器和實時容器，分別負責控制編排、控制優化、物聯、智能訓練以及邏輯控制、高精度運動控制等功能。容器層和實時操作系統為上層應用提供高效的資源管理和實時支持，而IEC 61499和IEC 61131編程環境則為開發和部署控制邏輯提供標準化平臺。云計算層層的云端部署能夠有效解決傳統工業控制系統中數據存儲和分析能力不足、決策支持缺乏的問題，為工廠提供更智能、更全面的決策支持，實現生產過程的優化和提升。
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