边缘计算在智能制造领域的应用

ECC 需求与架构组主席 史扬

软件定义一切（SDX）时代已来

软件定义消费电子 软件定义网络+增值业务 软件定义Machine+工业应用

不到20年，WIFI物理带宽 增长了1，000倍

过去35年，以太带宽增长了 10，000倍

网络 计算 存储 ICT 基 础 设 施

单硬盘容量：25年增长近 100，000倍

ICT基础设施走向技术平台化、标准化，技术可行性和经济可行性大幅提升

AppStore应用数量超过300万

NFV

IT+CT OICT

网络

SDN控制器 边缘网关

Machine Machine

平台OS

ipad计算能力1600MIPS。 在20世纪50年代，同样能力 需要花费100亿美金

工业呼唤开放平台

软件定义一切的启示：解耦与抽象， 信息流集成

ICT传统运营管理模式：物理设备为中心 新一代软件定义（SDX）：业务策略与物理设备解耦

传统应用开发模式：信息流割裂 集成开发模式：信息流集成

开发

• ICT设备缺乏开放，难以开发 新业务 • 业务策略与ICT设备配置耦合， 业务变更困难 • ICT设备上线周期长

ICT资源抽象

业务策略

开放接口 • ICT设备开放，快速开发新业务 • 业务策略与设备配置解耦， 业务部署与变更灵活 • 新设备快速上线

运营管理平台

ICT设备 ICT设备

验证

部署

• 各环节割裂，端到端周期长 • 难以应对各环节的变更

开发 验证 部署

集成开发平台

• 全流程无缝集成， 缩短应用开发周期 • 确保各环节一致性， 降低错误风险

智能制造基于策略模型实现业务快速部署和运营 • MES实施工程师：耗时2天

• 配置工步模型 • 配置设备端OPC 变量

工位

工位 工位

工位 工位

工位

虚拟设备 模型

虚拟设备 模型

虚拟设备模型

虚拟设备 模型

虚拟设备 模型

设备层

网络层

语义层

策略层

虚拟资源组合生成工艺过程

Modular I/O

HMI

24vdc

509 -BOD

Bridge or Linking Device

Block I/O

Micro

PLC

Drive

Server

Controller and Bridge

HMI

Linking Device

Sensor

工厂系统(ERP)

车间系统(MES)

现场系统(PLC)

Gateway

• 自动化工程师： 耗时5天 • 改写I/O变量，配置逻辑模块 • 重新设计Profinet网络连接 • 机器人重编程 • 车间主管：耗时2天

• 重排工位布局，编制新生产计划

模块化设备重组

模块化网络系统自配置

模块化工艺自动变更

模块化软件自动部署

网络边缘侧实时数据具有独特价值，面临CROSS挑战

机器 产品 传感

设计

物

外部数据 内部数据

制造 采购 营销 运营 物流 环境

决策

建模/分析

DIKW模型视角 边缘侧实时数据独特价值 CROSS挑战

• 资产优化 • 业务连续 • 资源可视 • 效率提升

Connection

Real-time

Data Optimization

Smart

Security

联接智能

业务实时

数据优化

业务智能

安全防护 实时数据

现场数据无需都上云，在工业现场需要分布式生产云

建立虚拟与物理映射

企业

工厂

车间

产线

装备

物理空间 数字空间

产品

实时数据采集

实时分布式总线

数字化映射

流式数据分析

基于微服务的应用

基于角色的多视图展示

批量分析

数字化车间C 数字化车间B

部署模型

车间云A

数字化车间A

公私有云

产线1

产线2

产线3

工厂云A

工业现场分布式生产云

S 应用

S 应用

S 应用

分布式部署，弹性扩展

智能装备/传感

水平解耦构建开放平台，改变垂直封闭

垂直封闭不利于产业链协作

物

数 字 化 世 界

OT Domain

ICT Domain

边缘计算开放平台

水平解耦，开放平台 成果复用

加速创新

简化集成

基础开放平台

行业开放平台

Why开放平台？（机器视觉在工业应用案例）

前端 NVR

平台供应商

开放平台促进产业协作

流式数据分析/编解码

视觉基础算法库

视觉应用算法库 深度学习框架

视觉二次开发接口

视觉算法扩展

硬件实现参考

传统模式缺乏产业协作

应用供应商

产品供应商 系统集成商

服务器 应用

应用供应商： 跨平台，跨产品挑战

产品供应商： 需要不断整合新技术（如AI）

系统集成商：集成复杂

高进度定位 质量检测 轮廓识别 高精度定位 质量检测 轮廓识别 物料检测

边缘计算面向智能制造的系统抽象，识别和定义关键的功能和技术

ECN

ECN

ECN

ECN ECN ECN ECN

ICT融合网关 边缘云(集群)

传感

工业控制器

智能装备

控制对象

工业装备

传感

机床

运动控制器

机械手

无人驾驶 汽车

电网

网格控制器

温度

速度

震动

Edge Computing Node （ECN）是网络，计算，存储，控制，安全，应用能力融合的逻辑节点；

具有五种产品形态，包括ICT融合网关，边缘云（集群），工业控制器，融合到智能装备和嵌入到传感器；

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Data Lake

MES，预测分析等

工业联接技术现状，智能制造需要解决联接基础问题

工业现场总线

上世纪80年代末、90年代初，ICT技术 向自动控制领域延伸，催生了工业现场 联接数字化。 多种技术并存的格局，包括Profibus， CANopen、Modbus等大概有40多种

工业联接无线化 工业实时联接以太化

按照物理层技术，可以分为两类：分别 基于IEEE802.15.4和802.11。 基于802.15.4物理层标准的无线技术 包括WirelessHART（IEC 62591）、 ISA SP100（IEC 62734）和中国 自主研发的WIA-PA（IEC 62601）

以太网是一个已经发展了有40年的技术， 在IT系统、互联网应用互联已经规模应用。IT和OT网络的融合必然带来CapEx和 OpEx的降低。 现实是多种并存，包括PROFINET, SECOSI EtherCAT, EtherNet/IP, POWERLINK等

优点：成本有效 缺点：集成复杂，速率低

优点：适应移动应用，施工成本高等场景 缺点：可靠性不及有线

优点：较高带宽 缺点：互不兼容

TSN实现统一的实时以太网（离散制造为例）

Site Level

Process Level

Control level 实时性提高

挑战 为了兼顾业务实时和成本的均衡需求， 同时工业网络与工业设备的紧密耦合性， 导致在一张网络采用了多种网络技术， 显然存在高CapEx和OpEx。

SERCOS|||

Powerlink EthernetIP

高OpEx和集成成本

ProfinetV1

ProfinetV2

EtherCAT

物理层（Layer1）

MAC层（Layer2）

资源调度

IP（Layer3） 控制数据

会话、状态、应用 （Layers5-7）

TCP/UDP（Layer4） 定制化软硬件

标准软硬件

解决方案 • 基于IEEE802.1定义的TSN标准，为多厂商互通奠定了基础 • 统一和标准化的MAC层和物理层，提供实时业务需要的时钟同步，资源调度等核心服务 • 提供FPGA（适合早期推广和多网络兼容）和AISC（适合规模商用）支持；

安全 时钟 同步 Qos

FPGA/AISC

兼容多种实时以太网，实现平滑演进

驱动器

工业网关

PLC @EtherCAT

EtherCAT

驱动器

PLC @PowerLink

Profinet

驱动器

工业网关

PLC @FPGA

驱动器

PLC @FPGA

驱动器

PLC EtherCAT

驱动器

PLC PowerLink

新型物联网关 FPGA

EtherCAT Profinet

驱动器

PLC @TSN

TSN

驱动器

PLC @TSN

TSN

新型物联网关 FPGA

TSN TSN

EtherCAT Profinet EtherCAT Profinet

当前方案 过渡方案 目标方案

垂直封闭 无法适应设备变化

PLC或物联网关集成FPGA，支持多种实时网络 协议并灵活选择，无需更换硬件

全TSN组网、互联互通（FPAG过渡，AISC终极）

基于深度学习开辟新的数据价值挖掘方式 （产品质量检测案例）

传统白色家电的出厂检测 采用人工试听产品噪声为主。

• 效率低下 • 伤害人体健康 • 误识别率高，个体差异大

传统人工检测 基于机器学习的质量建模

• 基于深度学习建模，解决了 行业缺少产品质量机理模型的 难题 • 降低人力成本 • 准确率高 • 有效避免了对身体伤害

异构计算满足业务实时和多样性（机器人案例）

机器人开发面临的挑战 异构计算系统

任务调度 轨迹规划

目标识别 智能决策

CPU资源 业务多样，离线或在线完成

高强度计算，周期<1s GPU硬件加速

运动控制 数据采集

FPGA 硬件加速 强实时性，周期<1ms

异构解耦

机器人应用

FPGA加速

Docker

PCIe Root Port

任务调度

轨迹规划

运动控制

数据采集

目标识别

智能决策

Hypervisor

硬件加速

PCIe HIP

通讯管理

DMA Engine DDR

内存管理

QDR

GPU加速 ASIC加速

机器人智能算

法

视觉处理

深度学习 ……

机器人环境感知

异构解耦 负载分配，机器人实时响应，信息分类处理

硬件加速 提高算法运行速度

与效率

智能决策 支持机器学习，深度学

习，提升机器人智能水平

FPGA加速

基于行业平台快速开发应用（工业机器人开发案例）

码垛 喷涂

B厂机器人

C厂机器人

测试仿真 分发共享 在线升级

A厂工艺包

B厂工艺包

C厂工艺包 应用开放API

A厂机器人

B厂机器人

C厂机器人

A厂机器人

驱动接口适配

设备抽象

喷涂

焊接

喷涂

焊接 码垛

焊接 码垛

• 各家提供专用的工艺包

• 应用不得不重复开发，而且缺乏在线

升级，系统验证等核心基础功能；

焊接 喷涂

码垛

• 一次开发，适应多家

• 提供安全，升级等

基础服务，让开发者

专注于业务本身

• 加速生态构建

THANKS！