工業互聯網產業聯盟：開放自動化系統參考架構（41頁）.pdf

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1、PublicPublicPublicPublicPublicPublic開放自動化系統參考架構開放自動化系統參考架構Universal Automation System ReferenceArchitecture工業互聯網產業聯盟（2024 年 9 月）工 業 互 聯 網 產 業 聯 盟 標 準AII/002-20241Public1Public聲聲明明本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數據、觀點、建議，不構成法律建議，也不應替代律師意見。本報告所有材料或內容的知識產權歸工業互聯網產業聯盟所有（注明是引自其他方的內容除外），并受法律保護。如需轉載，需聯系本聯盟并獲得授權許可。未

2、經授權許可，任何人不得將報告的全部或部分內容以發布、轉載、匯編、轉讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內容通過網絡方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內相關描述及相關數據圖表。違反上述聲明者，本聯盟將追究其相關法律責任。工業互聯網產業聯盟聯系電話：010-62305887郵箱：T11/AII 00220241目次編寫說明.11.范圍.32.規范性引用文件.33.縮略語.34.術語和定義.55.開放自動化系統功能架構.75.1.工業自動化系統概述.75.2.開放自動化系統架構.75.3.開放自動化系統設計開發原則.96.云部署的功能要求.96.1.一般要求.96.2.開放化要求.106.3

3、.智能化要求.106.4.協同化要求.107.邊緣部署的功能要求.117.1.一般要求.117.2.開放化要求.117.3.智能化要求.127.4.協同化要求.128.現場部署的功能要求.138.1.一般要求.138.2.開放化要求.138.3.智能化要求.138.4.協同化要求.149.網絡功能要求.149.1.開放自動化系統網絡化概述.149.2.網絡功能要求.1410.安全功能要求.16附錄 A.17T11/AII 00220242A.1 參考實現一:施耐德電氣工廠線體升級改造.17A.2 參考實現二:零點自動化系統有限公司分布式控制系統.20A.3 參考實現三:基于開放自動化的一種邊緣

4、和現場側部署的方案.23A.4 參考實現四:中國電信翼云控云邊協同開放自動化方案.25A.5 參考實現五:中移物聯網 OneOS 端云融合開放自動化架構.27A.6 參考實現六:中興通訊濱江工廠線體升級改造.30T11/AII 00220241編寫說明為適用我國工業互聯網新形勢需求，結合工業自動化發展趨勢，本文件制定了開放自動化系統參考架構，本文件是參考國內和國際的相關標準，并結合國內邊緣計算的實際情況制定。本文件按照 GB/T1.1-2009 給出的規則起草。隨著技術的發展，還將制定后續的相關文件。本文件起草單位：施耐德電氣（中國）有限公司、中國信息通信研究院、華中科技大學、中興通訊股份有限

5、公司、飛騰信息技術有限公司、華為技術有限公司、四川零點自動化系統有限公司、中國移動通信集團有限公司、中國電信股份有限公司研究院、青島道蒞智遠、深圳艾靈網絡有限公司、中國科學院沈陽自動化研究所、北京城建智控科技股份有限公司、聯誠科技集團股份有限公司、招商局重慶交通科研設計院有限公司本文件主要起草人：閻新華、王勇、王強軍、陳小淙、應天衛、匡云霞、王哲、胡鐘顥、黃穎、陳冰、束裕、趙孝武、王旭輝、申友志，王迥波，高翔、蔡圣明、張文遠、王元、廖亮、鄒翔、王德武、李蒙、李波、劉瑋哲、晏箐陽、張文安、張湘東、隋振利、史連明、楊凱、俞一帆、劉旸、夏長清、張華良、張輝、張利寬、李素芝、彭勃、陳鵬飛、駱中斌，葉青

6、，朱湧T11/AII 00220242T11/AII 00220243開放自動化系統參考架構1.范圍本文件規定了開放自動化系統的參考功能架構，提出了云部署、邊緣部署和現場部署的一般要求和開放、智能、協同的功能要求以及系統的網絡、安全要求。同時資料性附錄 A給出了有關架構的參考實現。本文件適用于指導工業自動化產品、系統和解決方案的設計和開發，以及系統選型、集成部署、維護和升級，也可作為其他行業、領域自動化應用的參考。2.規范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T

7、 15969.3-2017 可編程序控制器 第 3 部分：編程語言GB/T 19769.1-2022 功能塊 第 1 部分：結構GB/T 19769.2-2022 功能塊 第 2 部分：軟件工具要求GB/T 19769.4-2022 功能塊 第 4 部分：一致性行規的規則3.縮略語下列縮略語適用于本文件。AI:人工智能（Artificial Intelligence）AGV:自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle）API:應用程序接口（Application Programming Interface）APP:應用（Application）CAN：控制器域網絡（Con

8、trollerArea Network）CoAP：受限應用協議（Constrained Application Protocol）T11/AII 00220244HMI:人機接口（Human Machine Interface）HTTP：超文本傳輸協議（Hypertext Transfer Protocol）HTTPS：超文本傳輸安全協議（Hypertext Transfer Protocol Secure）ICT:信息通信技術（Information and Communications Technology）IDE:集成開發環境（Integrated Development Environ

9、ment）IDOS：智能數字化運維服務（Intelligence Digital Operational Service）I/O:輸入/輸出（Input/Output）IoT:物聯網（Internet of Things）ISA-95：國際自動化協會95標準（International Society ofAutomation 95）MES:制造執行系統（Manufacturing Execution System）MQTT：消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport）OS:操作系統（Operating System）PLC:可編程序邏輯控制器

10、（Programmable Logic Controller）RISC-V：第五代精簡指令處理器（Reduced Instruction Set Computer-Version Five）SCADA:監控與數據采集（Supervisory Control And Data Acquisition）SMTP：簡單郵件傳輸協議（Simple Mail Transfer Protocol）TSN:時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking）vPLC:云化/虛擬化可編程序邏輯控制器（Virtual Programmable LogicController）T11/AII 002

11、202454.術語和定義下列術語和定義適用于本文件。4.1可移植 Portability不同廠家的庫或應用能夠被其它軟件工具接受和正確地解釋，可以重復使用的特征示例：在兩個軟件工具之間，如果一個軟件庫元素能夠被兩個軟件工具接受和解釋，那么這個軟件庫元素是可移植的。來源：GB/T 19769.4-2022，3.7 有修改4.2可配置性 Configurability能被配置的（一個功能單元的）能力?？捎刹煌痰牟煌浖ぞ吲渲迷O備示例：設備的可配置性可通過其符合一致性行規可配置性要求的程度來表示。來源：GB/T 19769.4-2022，3.3 有修改4.3互換性（功能單元）Intercha

12、ngeability(with a functional unit)能夠替換功能單元。示例：如果一個設備可以替換另一個設備，替換后之前的任何分布式應用照常繼續運行，包括涉及該設備的任何分布式應用具有同樣的動態響應，那么該設備與另一設備可視為是可互換的。來源：GB/T 19769.4-2022，3.6 有修改T11/AII 002202464.4互操作性 Interoperability能夠共同操作去執行一組規定的功能。示例：如果兩個設備能夠共同操作去執行系統配置所規定的功能，則他們可被視為是可互操作的。來源：GB/T 19769.4-2022，3.5 有修改4.5開放自動化系統 Univers

13、al Automation System符合可移植、可互換、可配置、可互操作等特征的自動化系統。通常由傳感、執行、控制、人機交互和網絡等功能單元組成，可融合先進 ICT 技術，對傳統的自動化系統的功能進行增強和擴充。4.6虛擬化控制 Virtual Control部署在云側或邊緣側，將工業控制系統通過資源池化或共享實現的控制功能。采用虛擬化控制的處理器、內存、存儲、網絡等資源一般可以動態分配和調整。4.7通用化控制 General Control部署在企業的邊緣側且資源固定的通用設備上（如PLC、邊緣控制器、工業計算機等）實現的控制功能。4.8嵌入式控制 Embedded ControlT11

14、/AII 00220247部署在企業的現場，在用于直接監視或控制工業過程的專用設備中實現的控制功能。5.開放自動化系統功能架構5.1.工業自動化系統概述工業自動化系統是將計算機、通信、控制等技術應用于工業生產領域，對生產設備和生產過程進行測量、控制、調節和保護的一種系統。通常由傳感器、控制器和執行器，以及 HMI 和網絡等幾個基本部分組成。傳統的 ISA-95 分層架構由于數據流動清晰，系統集成的工作界面明確，有助于理解生產制造環境中不同的控制層次以及它們之間的聯系而被業界廣泛接受和采用。但要適應現代工業變化需求，尤其是在 ICT 技術飛速發展的今天，傳統的工業自動化系統面臨著許多挑戰，主要體

15、現在以下幾個方面：a)軟硬件綁定及緊耦合的系統無法有效利用最新的數字化技術賦能生產過程;b)各軟硬件供應商的集成接口繁多、產品互相不兼容，導致用戶建設、維護總成本不斷攀升，同時對自動化系統供應商依賴程度越來越高；c)跨層級數據傳遞效率差，影響數據質量；d)業務流程對應的系統碎片化；生產過程數據分散，無法得到有效利用。隨著制造業數字化轉型的不斷深化，用戶急需新的工業自動化系統架構來滿足制造業不斷增長的復雜性的需求。傳統的工業自動化系統架構正在向具有智能化、網絡化、開放化、協同化等特征，基于云、邊、現場協同的、軟件定義的開放自動化系統架構演變。隨著 ICT 技術和裝備智能化的快速發展，還可能演變成

16、云、現場協同的全分布式的網狀架構。5.2.開放自動化系統架構開放自動化系統參考架構如圖 1所示，可依據控制系統數據的實時性、關聯性、安全性要求及規模，將控制、數據處理和分析等智能服務靈活部署云、邊、現場側的各個層級。T11/AII 00220248圖1 開放自動化系統參考功能架構圖a)云部署云部署主要包括為工業控制應用服務的模型訓練及決策分析等功能單元，同時也承載虛擬化控制功能。其中：1)模型訓練是基于云-邊-現場架構特征進行終身訓練和優化，如采用聯邦學習、大模型調優與蒸餾等；2)決策分析是利用云計算和數據分析技術，基于模型和數據作出的和控制有關的判斷，幫助現場人員根據變化快速做出調整、提高效

17、率；3)虛擬化控制是將控制系統通過資源池化或共享實現的控制功能。b)邊緣部署邊緣部署主要包括虛擬化控制、模型訓練、決策分析、人機接口和通用控制等功能單元。其中：1)虛擬化控制,如對確定性、安全性有一定要求的應用；2)模型訓練是指在邊緣側就近提供小規模模型訓練功能；3)決策分析是基于模型和數據作出的和控制有關的判斷，可以用于幫助現場人員根據變化快速做出調整；4)人機接口是指用戶與邊緣設備或系統進行交互的方式（如圖形用戶界面、語音識別、手勢識別等）；5)通用控制，如適應工業現場惡劣環境的邊緣控制器。c)現場部署現場部署主要包括傳感功能、執行功能以及嵌入式控制等功能單元。其中：T11/AII 002

18、202491)傳感功能是指通過各種傳感器來感知環境和收集數據，可以實時監測環境變化，采集數據并傳輸給其他功能單元進行處理和分析；2)執行功能是指接收控制指令，對生產過程進行操作的能力，可以根據預設的條件執行特定的任務；3)嵌入式控制能夠獨立地對環境進行感知、分析和控制，并根據預設的算法和邏輯進行自主決策和執行。d)網絡功能網絡功能單元負責處理系統中的通信，并支持不同網絡協議設備間的互聯、互通、互操作；e)安全功能安全功能單元負責保障系統的安全性和數據的機密性，防止未經授權的訪問和惡意攻擊，以確保系統的穩定運行和數據的安全傳輸。5.3.開放自動化系統設計開發原則開放自動化系統設計與開發時應遵循以

19、下原則：a)通用化原則：可以靈活地部署在不同的系統和設備上，滿足不同用戶的需求；b)模型化原則：將自動化系統的控制邏輯、數據處理、通信協議等關鍵要素抽象化為可操作的模型。根據需求可靈活部署系統；c)軟硬件解耦原則：軟件可以在不同的硬件平臺上運行，軟件可以在不同的硬件上重用、升級、擴展，不受特定硬件平臺的限制；d)模塊化原則：將應用功能劃分為多個獨立的模塊，每個模塊負責特定的功能，模塊可以獨立運行、升級和維護；6.云部署的功能要求6.1.一般要求開放自動化系統用于云部署，一般要求如下：a)應支持云原生的虛擬化、容器、微服務架構等部署方式；b)宜支持冗余、備份等高可用性設計，確保服務的連續性與穩定

20、性；c)支持如下虛擬化控制功能：T11/AII 0022024101)應支持開放控制運行時，并支持與其他工業應用及非實時模塊交互；2)應支持控制編排；3)應支持IEC 61131-3或IEC 61499標準控制編程語言；4)宜支持設備管理；5)宜支持數據處理；6)宜支持任務實時性優化處理；7)宜支持被云資源管理系統納管，提供按需靈活的資源分配；8)可支持集成開發環境；9)可支持數據采集監控（SCADA)模塊。6.2.開放化要求開放自動化系統提供環境、服務和接口滿足開放性要求，開放化要求如下：a)應支持應用程序的新增、更改、隔離、刪除,不影響系統運行；b)應支持多種通信協議及其轉換功能；c)宜支

21、持其他的編程語言，如Python、C/C+、C#、Java等；d)宜支持開發環境提供接口集成第三方API；e)宜支持ARM和X86等多種算力平臺;f)宜支持跨平臺運行。6.3.智能化要求開放自動化系統提供云側智能化功能，實現機器感知、模型訓練、決策分析等智能化功能。要求如下：a)可支持多種模型訓練、微調和推理功能；b)可支持機器視覺、機器聽覺、機器觸覺等感知應用；c)可支持預測性維護功能、故障診斷與隔離功能；d)可支持運營、供應鏈決策分析功能；e)可支持數據挖掘、清洗、分析等工業大數據功能；f)可支持系統運行狀態可視化功能。6.4.協同化要求T11/AII 002202411開放自動化系統提供

22、硬件納管、應用托管、監控運維、數據采集、指令下發等能力，通過與運行于邊緣側的應用交互滿足端到端的系統協同化要求。協同化要求如下：a)宜支持資源協同，如云側對邊緣側的設備的配置、管理功能；b)宜支持數據協同，如數據可以按需在云側或邊緣側協同處理；c)宜支持應用協同，如對邊緣側或現場設備的指令下發，應用程序的版本管理、下裝、升級、編排和配置；d)宜支持智能協同，在云側和邊緣側依據需求和資源情況，協同完成訓練和推理。7.邊緣部署的功能要求7.1.一般要求邊緣部署的功能單元，應滿足如下要求：a)采用通用的硬件和軟件架構，不限制硬件平臺和軟件平臺，并支持未來擴展。例如：硬件平臺支持 X86、ARM、RI

23、SC-V 平臺架構，軟件平臺支持 Windows、Linux 操作系統及其他 VxWorks 等實時操作系統；b)不限制程序開發環境和編程語言。例如：C/C+、Python、GB/T19769、GB/T15969-3 所規定的編程語言；c)支持系統級建模及部署，如采用 GB/T 19769 的運行時；d)提供控制或編排服務，并根據功能單元的資源及算力調整部署；e)提供人機交互服務；f)支持資源池化和共享，如采用容器或虛擬化技術，提高應用的部署效率和運行的靈活性；g)在可靠性要求高的應用場合，采用冗余高可用性設計；h)滿足現場設備控制的實時性要求；i)采用模塊化設計，實現各個模塊的集成、替換和升

24、級。7.2.開放化要求邊緣部署的功能單元，除一般要求外，滿足如下開放化要求：T11/AII 002202412a)應支持用戶應用或程序在不同廠家設備之間移植和復用；b)應采用標準化的數據格式、業務模型、通信協議和接口，以確保不同廠商的設備和組件能夠無縫集成；c)應具有可擴展性以適應不同規模的工業應用；d)開放控制運行時宜采用公開或共享的經過工業驗證的代碼實現；組件發布和使用宜標準化；e)虛擬化控制功能單元，可提供標準的開放接口供外部調用，同時具備調用外部接口的能力。7.3.智能化要求邊緣部署的功能單元，除一般要求外，滿足如下智能化要求：a)宜具備對控制應用自動部署功能。b)宜支持控制功能模塊依

25、資源情況進行自動重構；c)宜具備預測性維護、故障檢測、生產流程優化、能效分析等功能；d)宜支持故障的自我診斷及報告，關鍵報警識別；e)可支持輕量化模型訓練、微調和推理功能；f)可支持算法模型在線更新及版本回退，并可通過定期更新來同步邊緣智能。7.4.協同化要求邊緣側部署的虛擬控制和通用控制等控制單元，除一般要求外，滿足如下協同化要求：a)宜支持資源協同，如邊側對現場的設備的配置、管理功能；b)宜支持數據協同，如數據可以按需在云側、邊緣側或現場側協同處理；c)宜支持應用協同，如對現場設備的指令下發，應用程序的版本管理、下裝、升級、編排和配置；d)宜支持智能協同，在云側和邊緣側依據需求和資源情況，

26、協同完成訓練和推理。T11/AII 0022024138.現場部署的功能要求8.1.一般要求現場部署的設備分為兩類：A類設備作為邊緣側或云側的連接節點，如傳感和執行裝備；B 類設備在具備 A類設備功能基礎上還支持開放控制運行時的部署，如嵌入式智能裝備。用于現場部署的功能要求如下：a)A 類設備應滿足：1)具備北向連接能力，能與其它部署有開放控制運行時的控制單元組成系統配合使用；2)基于設備信息模型的數據傳輸，支持資產管理；3)具有必要的自診斷功能；4)滿足現場惡劣環境的物理和電氣要求。b)B 類設備在滿足 A類要求的基礎上，應進一步滿足如下要求：1)7.1節的 a）、b）、c)、d）、i）條款

27、；2)滿足高實時性控制、安全性要求；3)能實現開放控制運行時與本地及遠程 I/O的可配置連接；4)支持開放控制運行時的輕量化部署。8.2.開放化要求當開放控制運行時部署在現場設備中，除一般要求外，滿足如下開放化要求：a)應支持用戶應用或程序在云側、邊緣側和現場側部署的一致性；b)應支持不同廠商的工程工具對開放控制運行時進行配置；c)應通過標準協議，支持不同設備之間的語義互操作性；d)可支持 I/O硬件組態的語義級的配置，實現即插即用。8.3.智能化要求除一般要求外，現場設備的智能化要求如下：T11/AII 002202414a)應具備用戶可配置的、高采樣頻率的多通道現場信號實時采集和預處理能力

28、，以支持邊緣側和云側的 AI模型訓練對數據采集的動態需求；b)B 類設備宜具備時序數據存儲和匯聚功能，并能與設備信息模型融合形成語義級數據源，支持邊緣側和云側的異構數據融合和模型訓練中的數據自動標定/標注；c)B 類設備可具備輕量級 AI算力資源。8.4.協同化要求現場部署的協同化要求同 7.5對現場設備的要求。9.網絡功能要求9.1.開放自動化系統網絡概述開放自動化系統，特別是工業控制，隨著用戶需求的多樣化及信息技術產業化的普及，尤其是網絡、通信、操作系統的發展，推動自動化系統越來越走向開放化。網絡化成為自動化系統開放的重要標志。開放自動化系統架構中的網絡功能單元負責處理系統中的通信，承載著

29、云、邊、現場三層部署架構及其協同的基礎設施功能，支持不同網絡協議設備間的互聯、互通、互操作等。網絡云層負責云計算系統（如公有云、私有云、用戶自建云等）間通信的云數據中心網絡；邊緣層承載邊緣業務，包括控制應用等的網絡；現場層是工業現場連接 I/O卡件與控制器的底層網絡，也可以用于連接控制器、服務器等。隨著開放自動化系統業務的發展，一張融合網絡可混合承載各類生產 IT 和 OT業務，支持不同工業控制業務對網絡低時延、大帶寬、高精度同步等性能差異化要求。9.2.網絡功能要求開放自動化系統網絡功能要求如下a)支持主流的開放自動化控制通信協議：T11/AII 0022024151)應支持至少一種通用應用

30、層數據傳輸協議，如 MQTT、HTTP、HTTPS、OPC UA 等；2)應支持至少一種主要工業協議，不限于：現場總線協議，如 Modbus、Profibus、DeviceNet、Foundation FieldBus、HART、IO-link、CAN/CANopen、CC-Link、AUTBUS 等；工業以太網協議，如 PROFINET、EtherCAT、EtherNet/IP、Powerlink、Modubus-TCP、CC-Link IE 等。3)可支持 WebSocket、CoAP、GraphQL、gRPC、SMTP 等網絡通信協議，滿足不同的應用場景需求。b)應支持星型、環形、鏈形、

31、總線型等網絡拓撲，靈活適配工業自動化連接；c)應支持邊緣對現場設備的連接和控制的確定性服務要求：1)滿足確定性服務要求的網絡，如 5G 等蜂窩網絡、全光網、WiFi、工業現場網，TSN等，應具備為支撐業務確定性的網絡時間同步功能；2)不同網絡在業務負荷和網絡共享環境下，具備業務所要求的實時性和確定性。d)支持邊緣對現場設備控制的高可靠性要求：1)應設置備用網絡設備，當主用設備故障時能夠自動切換到備用設備，確保網絡的持續性和可靠性，包括有線無線互備、無線不同制式、無線不同頻段等異構網絡互備、鏈路故障快速倒換和雙發選收等功能；2)應具備滿足多節點災備的網絡路由靈活切換。e)支持邊緣對現場設備控制的

32、開放性要求：1)宜提供云-邊-現場協同編排等網絡自動化能力；2)可提供開放的接口，允許第三方系統和應用程序進行集成和數據交換；3)可具備網絡業務服務化能力，支持用戶管理的融合，例如統一 AD域認證、配置和操作的可追溯。f)網絡設備性能滿足開放自動化系統部署要求：1)網絡設備（交換機、路由器、防火墻等）應具備高性能和穩定性，以滿足實時數據交換和遠程控制的要求；2)網絡設備應能夠方便升級和擴展，以適應開放自動化業務發展需要；T11/AII 0022024163)網絡設備應具備良好的互聯互通性，與現有的自動化設備和上位機進行無縫連接，確保系統的整體協調性和一致性；4)網絡設備應適應工業環境要求。g)

33、網絡管理、監控和運維要求：1)應使用自動化系統的網絡管理軟件，實現對網絡設備的集中管理和監控；2)應對網絡中的設備和連接進行實時監控，及時發現和解決故障，確保系統的穩定運行；3)設備日志管理應提供記錄日志，包括系統日志、訪問日志、防火墻日志、告警日志等配置，能夠記錄網絡設備的登錄記錄、管理配置操作等，并提供查詢、清空日志記錄功能；4)宜支持遠程配置和更新設備參數，減少現場操作；5)宜通過網絡分析工具等對網絡進行性能優化，提高數據傳輸的效率和實時性；6)宜提供可視化網絡狀態及診斷能力。10.安全功能要求開放自動化系統，應該符合有關法律和標準對網絡安全和數據安全的要求。T11/AII 002202

34、417附錄 A（資料性附錄）參考實現A.1參考實現一:施耐德電氣工廠線體升級改造A.1.1項目背景施耐德電氣某工廠的自動化設備使用傳統PLC控制器已有十幾年，目前該型號的PLC控制器已停產且沒有備件。老式PLC功能單一，每臺生產設備對應于一個PLC控制器來實現就地控制。PLC與上層控制器系統通過網線連接,布線復雜，變更費用高。同時工廠組建了一條全自動化柔性裝配線，包含了柔性軌道，協作機器人，邊緣控制器等智能設備。為了兼容原有的硬件和軟件資產，降低升級成本，同時引進AI視覺等技術用于柔性生產線的產品質量檢測。該工廠決定基于開放自動系統架構對其生產線上現有的PLC控制系統進行升級改造。A.1.2

35、技術方案選擇和架構為了能夠在控制系統經常迭代變化、多種新型技術不斷融入控制應用的情況下，減少或避免控制器的硬件更新以及重新編程與設計，采用了開放自動化系統的解決方案。改造后的控制架構圖，見圖A.1.1T11/AII 002202418圖A.1.1 基于開放自動化系統的控制架構a)在云側，私有云平臺上部署的 AI 引擎對已標定好的大量產品圖片樣本數據進行模型學習訓練，獲得所期望的高精度、強魯棒性的 AI 模型。將訓練好的 AI 模型下發至工廠的 IoT應用；b)在邊緣側，超融合服務器調用 IoT 應用中的 AI 模型對工業相機拍攝的圖片進行預測分析，同時將判定結果傳送到現場的人機接口 HMI 及

36、制造執行系統（MES）進行監控顯示、分析與歸檔；超融合服務器中虛擬化控制，實現對鉚銀機和柔性生產線的過程控制；c)在現場端，工業相機觸發快門生成待預測的產線產品圖片，通過 5G 網絡發送至超融合服務器；鉚銀機和柔性生產線接收來自超融合服務器的控制命令，伺服驅動控制器完成相應的動作實現有序生產；d)在網絡方面，鉚銀機、工業相機、柔性生產線等現場生產設備通過 5G 無線網絡與超融合服務器通信，取代原來的有線通信,降低升級布線成本。A.1.3 實現的功能改造后的開放自動化系統去掉了現場每臺生產設備就地控制的 PLC 控制器，使用虛擬化控制技術將 IEC61499 Eco-RT 運行時部署在超融合服務

37、器。a)兩臺互為冗余的超融合服務器，通過 5G網絡和虛擬化控制實現了對多臺鉚銀機的集中控制，監控和管理，并且采用主備集群模式實現了應用的雙層保護和高可用性；b)AI和機器視覺技術可根據產品類型和生產需求，自動學習并更新 AI模型，讓生產線更柔性化，智能化。通過缺陷檢測，使生產過程形成數據閉環，實現對整個工藝的反饋和優化；c)采用通用硬件超融合服務器代替原有 PLC 控制功能，同時整合視覺、機器人控制、I/O以及文件管理功能，實現跨層訪問數據；d)以資產為中心系統級建模的編程方式，對自動化對象包裝重用，方便實現了分布式系統的擴展和調整；e)使用 IEC61499 編程語言實現了鉚銀機和柔性生產線

38、的過程控制，使用 C+、Python、C#等高級語言編寫的 AI算法實現缺陷檢測。T11/AII 002202419A.1.4 實施成效開放自動化系統的可復制和高可用性使鉚銀機的升級周期從 7天縮短到 2天。虛擬化控制技術的應用降低了產線對 PLC 數量的依賴，節約了固定資產投資和運維成本，綜合預計每臺鉚銀機可節約的升級成本達 7.5萬。開放自動化系統中 AI機器視覺系統使柔性生產線更高效，精準，靈活。T11/AII 002202420A.2參考實現二:零點自動化系統有限公司分布式控制系統A2.1 架構架構四川零點自動化系統有限公司基于目前自動化行業現狀，提出基于上層應用+底層設備的方案，上層

39、應用可以是上位機應用也可以是云服務等軟件，底層設備就是物理硬件，當儀表、傳感器等設備的計算資源足夠時，自己本身可作為邊緣控制單元，上層應用之間、上層應用與底層設備之間、底層設備之間的作用通過網絡進行交互。圖A.2.1 基于開放自動化的分布式控制系統架構A2.2 上層應用上層應用上層應用核心功能包含 IDE（集成開發環境），可支持如可視化、大模型等功能，詳細功能如下：a)核心功能具備傳統 IDE 所有功能，如設備描述文件、編程、配置、設備組態、HMI等等;b)統一的設備描述文件，即使不同 IDE 也互相導入同一份設備描述文件作為設備庫;T11/AII 002202421c)統一的工程配置，即使不

40、同 IDE 也可互相導入工程文件;d)統一的功能塊封裝，即使不同 IDE 也可互相導入功能塊;e)開放式接口及可拓展功能：其他系統可以調用 IDE 接口實現一些其他功能或者 IDE 可以裝入自定義插件以實現一些特殊功能;f)IDE 甚至本身也可以分布式微服務架構搭建，以實現 IDE 本身的分布式計算，如工程特別大又需要集中管理情況，IDE 本身也可是物聯網平臺;g)IDE 可基于 WEB 實現。A2.3 底層設備底層設備自動化系統需要用的真實物理設備，只需要安裝基于 IEC 61499的運行時即可形成基于開放自動化的分布式控制系統架構的底座，詳細要求如下：a)設備本身需要支持基于 IEC 61

41、499的運行時（Runtime），無關設備類型，設備功能由廠家定制或芯片算力決定，甚至一個傳感器也可以進行邏輯控制和直接上云操作，只要這個傳感器具備硬件條件；b)根據性能要求可支持運動控制、視覺控制等算法；c)根據性能要求可支持 AI調度；d)根據性能要求可支持各種工業通訊協議。A2.4 網絡網絡對于工業自動化網絡來說，實時、穩定、安全是必要條件，如今基于開放自動化的分布式控制網絡，還需加上分布式與開放性，詳細要求如下：a)統一的網絡傳輸：即使不同 IEC 61499的運行時（Runtime），但分布式網絡協議一致，類似 TSN等僅作為傳輸介質；b)通過統一接口封裝，可支持各種工業通訊協議。c

42、)網絡要求低延遲、抗干擾能力強同時滿足網絡安全要求A2.5 安全安全工業自動化安全要求是確保自動化系統在運行過程中能有效防止和應對各種潛在的安全風險，保護企業、人員、設備和環境的安全。詳細功能如下：T11/AII 002202422a)普通安全：可加入用戶管理、角色管理等等；b)網絡安全：傳輸可加密等；c)控制安全：網絡冗余、系統冗余、設備冗余、設備自檢等符合功能安全要求。T11/AII 002202423A.3參考實現三:基于開放自動化的一種邊緣和現場側部署的方案圖A.3.1 基于開放自動化的一種邊緣和現場側部署的方案圖 A.3.1 基于開放自動化的一種邊緣和現場部署的方案A.3.1 項目背

43、景隨著物聯網技術的快速發展和智能化需求的不斷增加，邊緣計算和現場部署成為實現開放自動化的核心要素。邊緣計算通過在靠近數據源的位置處理和分析數據，減少了對中央數據中心的依賴，并提升了系統的響應速度和效率?，F場部署則通過集成各種傳感器和設備，實時采集和傳輸數據，構建了一個動態和敏捷的工業物聯網（IIoT）環境。A.3.2 架構設計在邊緣計算和現場部署的開放自動化架構中，系統的設計主要由四個關鍵組成部分構成，分別是邊緣計算節點、現場部署節點、通信網絡和開放自動化平臺。這些組件共同協作，以實現高效、可靠的實時數據處理、傳輸和管理。a)邊緣計算節點邊緣計算節點：處理實時數據和應用程序，支持復雜數據處理和

44、分析。b)現場部署節點現場部署節點：采集和傳輸實時數據，支持多種接口和協議，適應不同設備和傳感器。c)通信網絡通信網絡：連接各節點和平臺，確保高可靠性和低延遲的數據傳輸。d)開放自動化平臺開放自動化平臺：統一管理和控制節點，實現應用的部署、監控和調度。T11/AII 002202424A.3.3 實現方法為實現開放自動化架構中的各項功能，系統需要從邊緣節點部署、現場節點接入、通信網絡優化和開放自動化平臺集成四個方面進行設計和實施。這些措施旨在確保系統的高效性、可靠性和可擴展性。a)現場節點接入現場節點接入：考慮設備類型和通信協議，確保數據準確采集和傳輸。b)通信網絡優化通信網絡優化：優化網絡，

45、提高傳輸效率和穩定性，采用負載均衡和數據壓縮技術。c)開放自動化平臺集成開放自動化平臺集成:實現統一管理和控制，提供友好的界面和豐富的功能。A.3.4 優勢與應用開放自動化架構在實際應用中帶來了多重優勢，包括降低成本、提高效率、增強安全性和支持智能化應用。這些優勢共同提升了系統的整體性能和可操作性a)降低成本降低成本：減少數據傳輸和存儲成本，提高資源利用效率。b)提高效率提高效率：實時數據處理和應用部署提高生產效率和響應速度。c)增強安全增強安全：本地數據處理減少傳輸，提高數據安全性。d)智能化應用智能化應用：實現智能化應用部署和管理，提高系統自動化和智能化程度。A.3.5 結語結合物聯網、邊

46、緣計算和自動化控制技術，邊緣與現場部署的開放自動化架構為工業和企業管理提供了全新的解決方案和發展機遇。這種架構不僅推動了智能化和自動化的進步，還為企業帶來了顯著的效率提升和成本節約，是未來工業發展的重要方向。T11/AII 002202425A.4參考實現四:中國電信翼云控云邊協同開放自動化方案A.4.1 方案實現中國電信翼云控云邊協同工業云控系統結合生產設備、協作機器人、AGV、視覺傳感器、AI等新興技術提出智能、協同、易部署、可復制推廣的開放自動化方案?；谝碓瓶卦七厖f同開放自動化方案部署如下圖所示：圖 A.4.1 翼云控云邊協同開放自動化方案部署架構a)端側部署:支持多種企業標準化工位及

47、產線生產設備，如產線傳送帶、機器人、工業相機、數控機床等，兼容多種接口和協議適應不同設備和傳感器，通過遠程 IO 設備與邊緣側進行通信，實現數據采集上傳及控制指令的下發；b)邊緣側部署：虛擬化控制系統基于 KVM 虛擬化控制技術通過VCPU PIN 配置、VCPU隔離、應用級 ksoftirqd 內核線程管理等內核管理技術，通過邊緣節點進行部署，兼容 5G、工業 PON、工業 Wi-Fi 及以太網等多種網絡與協議基于協同化要求與端側及云側進行互操作，并支持與企業信息系統、數字孿生、看板展示、物聯采集等系統對接；c)云側部署：集中管理平臺可基于企業需求部署于公有云、私有云或混合云平臺上，對工業控

48、制及 AI 相關應用進行編排管理，基于智能化要求和協同化要求與邊緣側進行互操作。T11/AII 002202426A.4.2.方案應用翼云控云邊協同開放自動化方案基于“云側模型更新-邊緣側計算-端側快速響應”實施策略，可面向工業場景搭建智能數據采集與故障診斷、基于視覺AI智能檢測、風機節能控制、智能上料等解決方案。A.4.3.方案優勢翼云控云邊協同開放自動化方案優勢如下:a)開放化原生 AI 集成：引入邊緣側及云側算力，將虛擬化控制與 AI原生融合，解決智能生產制造的場景中 AI 能力在開放自動化平臺的復制與調用，同時形成工業 AI能力開放化的開發與供應的生態。b)高實時性：基于實時嵌入式/L

49、inux 底座及 KVM 虛擬化控制技術實現邊緣側實時工業控制應用部署，基于事件觸發功能塊的可執行系統級建模技術支持 IEC61131 及 IEC61499 標準，保證翼云控云邊協同開放自動化方案的實時性。c)高準確性：利用 5G 高精度時間同步及動態庫調用解耦技術優化虛擬控制掃描周期，保證了云邊協同方案控制信令的聯鎖精度與準確性。T11/AII 002202427A.5參考實現五:中移物聯網 OneOS 端云融合開放自動化架構A.5.1架構實現中移物聯網基于OneOS的云邊端開放式自動化架構如下：圖A.5.1：中移物聯網基于OneOS的工業開放架構a)端側/邊緣部署由于工業控制實時性、可靠性

50、要求高，所以在端側部署是最為常見的。隨著確定性網絡的發展，由于邊緣設備的性能更加強大，系統的功能擴展和控制器實例化能力更好，在近實時的邊緣側部署也逐漸成為目前工業自動化系統的主流部署方式。按操作系統底座的形態，可以分為兩種具體的部署形式：1)單操作系統模式:只有一個操作系統，適用于中小型嵌入式控制器2)混合操作系統模式：有實時和非實時的操作系統進行業務協同，適用于計算資源充足的端側控制器或邊緣控制器。T11/AII 002202428-AMP架構：實時和非實時分別部署在處理器的不同核上，通過核間通信進行協同；-虛擬化架構，又可以分為Type1和Type2虛擬化，其中Type1基于hypervi

51、sor，直接部署在硬件上，實時性較好，可用于高速實時運動控制控制；Type2基于容器技術（如Docker），部署在操作系統之上，實時性受操作系統和容器影響，一般只用于邏輯控制。b)云部署基于移動的PaaS平臺（移動云、OneNet等），可在云側部署業務模塊，通過實時網絡與端邊進行協同c)網絡中移物聯網工業開放架構支持開放式網絡，包括有線網絡和無線網絡，可應用于現場網絡或工業互聯網。網絡類型支持：4G/5G、WiFi、TSN、星閃等A.5.2架構要求a)開放化操作系統和運行時都采用模塊化設計，功能可根據業務場景需求進行裁剪。操作系統模塊包括：內核、文件系統、驅動、網絡協議棧、OTA組件、定位組件

52、等。運行時模塊包括：運行時框架、分布式任務編排、工業總線、運動控制、端云連接、可視化等。云邊端架構根據業務場景可以搭配組合成云邊端、云邊、云側、邊端等子架構。b)智能化開放架構端側支持嵌入式AI框架、數據庫、網絡服務器等，可實現智能化業務擴展。c)協同化中移OneOS工業開放架構支持端側原生IOT組件，支持HTTP、MQTT、OPCUA等主流云連接協議，可實現開放自動化系統的云邊端協同。T11/AII 002202429A.5.3方案優勢a)高實時：基于實時嵌入式/Linux底座，打通優化OS與運行時系統，兼容實時性高的工業以太網、5G、TSN等網絡技術，實現端到端的實時性；b)高可靠：操作系

53、統通過IEC61508 SIL3認證，搭配生態的功能安全運行時和總線，構建功能安全整體方案；c)靈活擴展：架構中的云邊端層級可以按需組合，業務模塊可裁剪；d)端云一體：中移提供全棧的云邊端和網絡基礎設施，為行業應用提供一站式解決方案。T11/AII 002202430A.6參考實現六:中興通訊濱江工廠線體升級改造A.6.1 項目背景中興通訊濱江工廠主要生產5G網絡設備。為提高產線生產效率、滿足柔性生產的需求以及新品的快速導入量產，中興通訊對部分產線進行自動化和數智化相結合的升級改造。5G設備QCELL生產自動化測試線實現了基于云化PLC的數字孿生改造，并逐步擴展到相關協作工序，針對智能電批鎖付

54、、機器人控制以及機器視覺等操作進行數智化改造，將傳統PLC從現場側轉移至邊側。A.6.2 項目架構和實現功能為了能夠利舊已有產線、不同生產工藝和制造部門協同開發和調試、運維支撐，項目結合開放自動化系統和數字孿生相結合的架構，如圖A.6.1所示，包括：圖A.6.1 基于開放自動化系統的控制架構a)針對產線線邊工業環境部署算網一體機設備，可提供高集成度 5G 專網能力、基于 TSN 的內生確定性網絡能力等。其中對算力集成進行T11/AII 002202431特殊設計，包括滿足開發自動化運行的實時 OS，其他非實時 OS 的云底座 TCF 平臺，在平臺上可集成多種產線線邊必備工業應用；b)聯合專業

55、OT 自動化廠家部署的 vPLC 虛擬化控制；c)中興數字星云 inOne功能優化現場 IoT 數據采集；d)面向現場生產制造部門運管的企業自服務平臺 IDOS；e)基于工業產線 3D可視、工業模型化的產線數字孿生系統；f)其他可擴展的 AI 平臺和預測性維護應用等。在車間現場部署的極簡 5G 現場網算網一體機，將原先產線的 PLC 控制進行集中云化（vPLC）改造。這是利用虛擬化控制，部署多個 vPLC 實例，實例之間實現資源隔離，可對多個螺釘機機臺的控制。通過專建 10ms99.99%量級確定性網絡 5G 核心網，完成高實時性要求的運動控制以及快速產線鎖付，滿足當前開放式自動化系統的柔性化

56、改造以及云化 PLC 改造的預期。此外，通過在車間現場部署的極簡 5G 現場網算網一體機，結合數據采集IOT 平臺前置機應用，統一數據和控制流。5G 現場網數據統一獲取、聯合制造部門統一工藝模型作可組裝的 3D可視化數字孿生模擬實際物理環境。對現場的開放自動化+數字孿生，輔構虛擬孿生環境，在虛擬孿生環境中可提供新品導入前進行模擬排程、虛擬調試等功能。模擬驗證通過后，再同步部署 vPLC 開放自動化控制到實際物理孿生環境。圖 A.6.2是云化 PLC 整機測試線。A.6.2 云化 PLC 整機測試線A.1.3 實施效果T11/AII 002202432結合開放式自動化系統實現了螺釘機產線柔性產線

57、改造，解決了在柔性改造過程中硬件設備交付、接線、調試、運維等一系列問題。通過虛擬化控制以及云化 PLC 改造的方式，使得柔性產線調整時間相比于傳統方式縮短 50%、減少現場運維工程師工作量 40%、柔性產線建設成本降低30%，從而可以減少停產時間以及降低實施成本。同時，開放自動化系統結合數字孿生的應用，有效地解決了原先新品導入時，相關產品、工藝、制造部門必須現場人員長期駐守而引發的效率低下等問題。通過提前并行安排虛擬現實環境的試產驗證，使產品導入時間直接縮短三個月。此外，項目更為充分地利用原有量產產線，減少量產產線停產時間。此實例可以作為開放式自動化系統以及虛擬化控制的典型案例。T11/AII 002202433參考文獻1 文獻一名稱3 文獻一名稱4 文獻一名稱5 文獻一名稱6 文獻一名稱