基于5g软件定义的钢铁工业控制系统研发与应用
来源： 中国金属学会 发布时间：2022-11-15
一、研究的背景与问题
在当前严峻的“缺芯”背景以及紧张的国际形势环境下，控制系统供货周期长、信息安全风险等问题尤为突出，工业控制系统作为钢厂的控制核心，也正面临着前所未有的挑战。在新一代的网络技术和it技术的支持下，随着工业互联网、软件产品和开放架构的实施，正在重新定义流程工业和离散制造业的自动化架构。工业控制系统架构会朝着更具备可互操作性、更开放、网络化、国产替代、高可靠性、多功能的方向发展，因此利用虚拟化技术实现控制能力的扩展的“软件定义控制模式”应运而生，结合工业自动化的要求和特点，各种技术相互借鉴与融合，软件定义控制正朝着更开放的方向阔步前进。
目前局部生产环节的连接设备数据和供应链上的各种资源已经被接入这样的大数据平台，但作为生产制造的核心技术“工业自动化控制系统”如果不能灵活、可扩展的接入平台，就会仍然存在大量单体设备、plc分散部署的现象，这样的工业服务体系严重制约未来全产业价值链发展。并且众所周知，在工业控制系统方面，德国、美国等西方国家企业在大中型可编程逻辑控制器（plc）方面独具优势，我国已部分实现国产化产品替代，小型plc方面占有一定的份额，但核心市场与技术的掌控力不强。在工业网络方面，国外自动化企业掌控了主要市场以及网络核心标准，我国企业仍然处于产业边缘环节。所以“控制系统独立分散”和“控制设备垄断”两大制约因素，也促进我国工业发展想要打破这种依靠底层硬件和私有协议的专属plc控制模式，形成新的标准化软件定义plc系统和组态软件一体化架构，构建开放式plc新生态。
低时延高可靠的网络通信是软件定义plc系统的重要组成部分。随着5g标准及产业链的逐渐完善，5g的设计引入mbb、urllc、mmtc三大应用场景，3gpp面向5g发布的r16版本标准则重点完成urllc技术特性，提供低时延高可靠性的能力，为保障5g技术在工业控制领域的规模化应用提供了技术可行路径。国家工信部陆续出台政策，指导各地区积极开展5g全连接工厂建设，加快“5g 工业互联网”向工业生产各领域各环节深度拓展，加快5g与软件定义plc系统、分布式控制系统（dcs）等工控系统融合。
基于5g软件定义的钢铁工业控制系统研发与应用项目工作主要解决问题有：
（1）建设无线网络切片和异频双网冗余覆盖的跨市区域5g专网
（2）突破5g通讯与工业控制协议融合的智能传输技术
（3）自主研发工业级云架构软件定义控制系统
（4）完成国内首次5g 云化工业控制系统在鞍钢两地炼钢厂远程协同控制的工业应用
二、解决问题的思路与技术方案
图1.方案设计图
云化控制系统硬件组成主要有：精钢云基础服务设施、现场操作台、5g智能网关、5g cpe、摄像头、 plc i/o模块、通讯单元等部分。
首先，保证应用场景的5g信号全覆盖，私有云平台内网与鞍钢两地炼钢厂5g工业融合网络保持连通状态；其次，现场原有的传统plc设备i/o模块采集现场各类传感器检测设备和操作台信号，摄像头采集设备画面，连接5g智能网关和5g cpe，通讯以总线协议和modbus协议转换的方式，利用5g将信号上传至云端；再次，部署在云端的云控制器通过虚拟通讯端口接收并读取信号，运行软件编译控制程序；最后，云控制器输出控制指令通过5g无线网络下达至现场i/o模块，集中控制画面中显示设备执行动作，实现对现场设备的远程控制。
一套云化控制系统对鞍钢两地炼钢厂中包整备系统集中控制，实现项目任务集中化，程序设计集中化，scada界面集中化。当云-端通讯失效时，自动切换到本地plc控制，程序冗余备份，保护现场安全。实现了工控网络全5g无线化、数据采集的云化和海量数据的接入与快速处理，快速搭建整套面向工业的数据采集、监视控制、组态、数据存储处理、可视化和工业app等一站式服务与应用。
三、主要创新性成果
1、以高实时、虚拟化方式将传统plc硬件实体软件化，集成5g通讯技术、云平台算力，建立面向新一代网络的云化工业控制体系，实现异地、多个plc云化集中部署，有效扩展云控制器算力、提升部署效率、降低部署成本。
2、建立it/ot深度融合的新型工业融合网络，实现不同传输介质、不同协议类型的工业异构网络开放互联，行业首创5g双频（4.9 2.6ghz）主备链路毫秒级无感切换，具有灵活网络接入、高效可扩展性、极高网络安全性和超高传输速率的优势。
3、将工业控制软件与5g通讯技术结合，是国内首次云化控制系统在钢铁流程工业应用，适应多种服务器形态，具备多样化部署能力，支持多种类型数据库存储需求，实现自主知识产权的工业协议和工业控制软件的国产化替代。
四、应用情况与效果
本项目以鞍钢两地炼钢厂连铸中间包翻包设备控制应用为背景，设计并应用云架构软件定义控制系统以远程控制方式完成两地的中间包翻包作业。连铸中间包用于承装钢水浇注作业，内砌耐火砖，钢水从底部流出进行浇铸。中间包是钢包与结晶器之间关键的过渡容器，不仅具有分配钢水、稳定注流压力、保证连浇换包过程钢水供给的作用，还具有防止钢水卷渣、去除钢液中非金属夹杂物、均匀钢水温度和成分等作用。钢水浇铸后，钢包内会剩余钢水，冷却固化后难以从钢包中清除，一般是采取外力砸松动的手段脱出凝结的钢渣。具体控制流程流程为夹持吊车把钢包移动到翻包机构位置并锁紧钢包，控制废料车进入翻包设备正下端位置停靠，驱动翻包机旋转180°，液压泵驱动翻包机上方顶缸，顶杆伸缩运动把钢包里的钢渣从浇铸口顶出掉落在下方废料车内，清除完毕后控制承载钢渣的废料车平移到下一工序进行后续处理，其中废料车停靠位置和翻包机旋转位置都由极限传感器控制。
改造前，翻包机的翻包作业、废料车的运料作业、液压泵的启停、顶针的垂直往返作业全部由西门子plc控制器完成，设备旁设置操作台，进行翻包作业时，操作工人站在操作台旁，一边观察翻包机和废料车的运行状态，一边点选操作按钮完成作业。在吊车把盛装钢水的钢包移动到翻包机的过程中，作业现场环境温度高，工作条件相对恶劣，操作工人在附近进行作业时，需要忍受高温，尤其在盛夏高温季节，易出现过度疲劳、中暑现象，尤其要注意现场作业安全。改造后，采用远程控制的方式，操作人员可以在更安全、更舒适的集中控制室完成生产任务，也让企业在更大范围内实现多基地之间的生产要素调度和优化。
图2.鞍钢炼钢厂连铸中包整备
具体应用效果：
1、终端入网前性能评估
对cpe终端进行入网前压力测试和稳定性测试，检测终端性能是否具备入网条件。将cpe探针和5g探针部署于炼钢厂车间，测试服务器、智测平台部署鞍钢数据中心私有云，5g探针直接接入5g专网，cpe探针通过有线连接cpe接入5g专网。
终端负载压力测试方法：由cpe探针进行tcp/udp协议灌包压测，要求终端在满负荷状态下，能保持7*24小时稳定运行，性能不下降，业务不中断。
结果：通过对cpe终端进行tcp/udp协议上行灌包压测，总共进行1848次5分钟时长的业务测试，业务完成率100%，上行平均速率在386mbps，大于300mbps速率占比达99.1%，大于100mbps速率占比达99.6%，满负荷状态下，cpe终端运行稳定，性能未出现下降，业务未发生中断。
图3. 终端测试方案图
表1 终端负载压力测试结果
终端轻载时延测试方法：由cpe探针进行ping网络时延可靠性测试，要求终端在轻载状态下，其网络时延稳定性和可靠性满足实际业务需求。
结果：通过对cpe终端进行ping时延测试，平均时延25.47ms，时延抖动5.12ms，丢包率0.005%，网络时延的可靠性和稳定性满足实际业务需求。
表2. 终端轻载时延测试结果
2、5g专网常态化监测与评估
采用5g探针进行持续性时延测试和无线信号监测，对网络稳定性和可靠性做实时监控，确保在第一时间发现网络异常和分析原因。cpe探针进行ping时延测试，监测实际生产链路和节点状态情况。监测5g专网链路时延和链路状态、5g终端状态、无线网络信号质量以及业务流量情况，及时发现异常，保障专网正常运营。
（1）5g专网链路时延和链路状态监测，期间未出现连续丢包(>=5次)和持续高时延(>=500ms且>=5次)情况，本次监测网络链路时延无异常。
表3. 链路时延和状态监测结果
（2）5g专网无线信号质量监测，期间未出现信号异常波动，和无线信号中断，本次监测无线信号质量良好。
表4. 无线信号监测结果
（3）5g专网终端状态监测，可以用客观数据来快速排查处理终端类异常，同时终端入网的评估和检测标准，提升专网运行质量。
表5. 终端状态监测结果
3、车间级5g终端入网监测与评估
模拟实际cpe终端应用负载情况评测网络性能，通过估算业务总流量和最大并发流量需求，计算单终端cpe流量负荷(40mbps)，确定模拟测试加载的负载值。根据实际业务特性(时间周期性、传输协议、业务串并发)，评测网络性能是否满足需求。评测指标包含网络速率性能、网络时延和可靠性和无线网络信号质量。
结合实际应用场景，从端到端网络时延稳定性和可靠性、无线网络信号质量、网络速率性能方面对专网网络性能指标进行全面评测，实测网络时延、抖动、丢包率、无线信号覆盖和质量、信号稳定性、上下行网络速率、速率稳定性均满足实际应用场景需求。
4、底层系统实时性
目前，linux内核的调度延时为10毫秒级，在云控制器执行数据采集或执行逻辑控制任务时情况下将成为性能的瓶颈。影响linux内核实时性因素主要有时钟精度、系统中断、进程调度算法和内核可抢占性等。
时钟精度：目前linux内核支持几种不同的系统节拍，可以在用户编译内核时配置。通过分析云控制器的执行任务和应用场景，并结合测试情况，将系统节拍定为500hz，即时钟粒度为2ms，保证最繁忙情况下系统仍以2ms的周期进行一次调度。
系统中断：云控制器坚守中断处理函数“快进快出”的原则,尽量在中断处理函数中不做复杂的操作。当云控制器部署在多核cpu上，还可根据实际的中断情况把不同类型的中断迁移绑定到不同的cpu上，避免不同中断之间的干扰。
进程调度算法：linux系统目前默认采用的是完全公平调度算法(cfs)，它按照各个进程的权重来分配运行时间，在默认使用cfs的情况下，给有实时性需求的进程分配更高的优先级和权重，可以看做是通过赋予更高的优先级来获得更好的实时性。
经过上述的优化并经过测试，云化控制系统运行100万次1ms周期循环任务调度，系统空载时，最大偏差为8us，最小为3us，平均3us；系统过载时，最大为20us，最小为3us，平均6us。综上测试结果，调度实时性可以应用要求。
5、云化控制系统性能评估
云控制器联锁控制速度实测小于5ms，单指令运算时间小于1ns，运行10k条布尔/整数/浮点运算平均耗时0.10ms，在数据容量，任务规模数倍于传统控制器的情况下，云控制器的运算性能仍有6-12倍的提升。
图4. 云plc性能测试结果
6、异地控制结果分析
5g 云化控制系统部署方案，保障数据不出园区，多重验证方式安全保密，有丰富的物联网、工业现场协议支持，改变了炼钢厂原来plc手动控制模式。创新采用5g智能前端和云控技术，siemens plc i/o模块和5g智能网关接入现场信号和电机总线型设备，设备信号通过具备数模转换、模数转换、无线传输功能的5g智能网关与云平台进行双向数据传输，所有设备组态、控制策略、先进算法由云平台实现。
经实测，网络延时小于20ms，网络丢包率小于十万分之一，实现云控制器到现场控制终端的单体设备启停控制，在云边通讯失效时保证现场不失控，在工程运维、设备成本、可扩展性方面较传统控制系统有较强成本优势。
信息来源：鞍钢集团北京研究院有限公司、鞍钢集团自动化有限公司
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