GB/T 48195-2026 工业过程测量、控制和自动化 开放自动化系统通用要求

前言

本文件按照 GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国机械工业联合会提出。

本文件由全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会(SAC/TC 124)归口。

本文件起草单位:机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、施耐德电气(中国)有限公司、成都数自创新科技有限公司、北京印刷学院、四川零点自动化系统有限公司、联诚科技集团股份有限公司、菲尼克斯(中国)投资有限公司、武汉拓优智能股份有限公司、华为技术有限公司、北京东土科技股份有限公司华中科技大学、深圳艾灵网络有限公司、国能智深控制技术有限公司、上海自动化仪表有限公司、重庆邮电大学、武汉华易科技有限公司、大唐可再生能源试验研究院有限公司、珠海精实测控技术股份有限公司、沈阳工业大学、武汉东研智慧设计研究院有限公司、成都爱乐达航空制造股份有限公司、四川全通泰电力工程有限公司、中国信息通信研究院、中兴通讯股份有限公司、潍坊市平安消防工程有限公司、湖北三宁矿业有限公司、北京和协导航科技有限公司、烟台新瑞环保科技有限公司、深圳明锐理想科技股份有限公司、中国汽车工程研究院股份有限公司、广东智子智能技术有限公司、上海电力大学、杭州美仪自动化技术股份有限公司、成都市技师学院(成都工贸职业技术学院、成都市高级技工学校、成都铁路工程学校)、南方电网数字电网集团有限公司、云南电网有限责任公司、福建顺昌虹润精密仪器有限公司、上海市计量测试技术研究院有限公司、罗克韦尔自动化(中国)有限公司

本文件主要起草人:卢铁林、阎新华、王春喜、王德武、邹翔、柳晓菁、邵宗凯、柳曦、赵振国、陈小淙潘学龙、黄易、陈冰、潘自全、陈峰、赵勇、黄庆卿、应天卫、陈刚、周利朝、高伟、王磊、张晓玲、游和平刘晓芬、刘豪、高源、张文远、王强军、束裕、邹光武、褚楠楠、周颖、文晓东、陈抒晗、李林波、郑楷洪曾璐琨、张益鸣、张海云、胥博、余标、李杰、朱镜灵、刘洋广、岳磊、包伟华、陈志扬、张毅、戈剑、高镜媚

1 范围

本文件提出了开放自动化系统的架构,规定了开放自动化系统的硬件设备、运行环境、开放应用、工业网络和工业安全的相关要求。

本文件适用于开放自动化系统的设计、开发、部署、管理及应用。

2 规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 15969.3 可编程序控制器 第3部分:编程语言

GB/T 19769(所有部分) 功能块

3 术语、定义和缩略语

3.1 术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

融合ICT 技术,由传感、执行、控制、人机交互和网络等功能单元组成,具有可移植性、可配置性、互换性、互操作性等特征的自动化系统。

不同厂家的库或应用能被其他软件工具接受和正确地解释,可重复使用的特征

示例:在两个软件工具之间,如果一个软件库元素能够被两个软件工具接受和解释,那么这个软件库元素是可移植的。

[来源:GB/T 19769.4—2022,3.7,有修改]

能被配置的(一个功能单元的)能力,能由不同供应商的不同软件工具配置设备

示例:设备的可配置性可通过其符合一致性行规可配置性要求的程度来表示

[来源:GB/T 19769.4—2022,3.3,有修改]

能替换功能单元的特性。

示例:如果一个设备能替换另一个设备,替换后之前的任何分布式应用照常继续运行,包括涉及该设备的任何分布式应用具有同样的动态响应,那么该设备与另一设备可视为是可互换的。

[来源:GB/T 19769.4—2022,3.6,有修改]

能够共同操作去执行一组规定的功能。

示例:如果两个设备能够共同操作去执行系统配置所规定的功能,则他们被视为是可互操作的。

[来源:GB/T 19769.4—2022,3.5,有修改]

一种工业控制系统的运行环境,为基于标准的控制模型语言编制的应用程序提供运行支撑,作为应用控制与各类服务间的桥梁,提供标准化、对象化的模型接口,同时具备事件驱动机制

注:符合开放控制运行时的应用程序,能部署在不同供应商的运行时环境中执行,并能运行于现场设备、边缘设备或云基础设施等硬件设备,具有跨平台兼容性,能灵活适配不同处理器架构和操作系统环境。

3.2 缩略语

下列缩略语适用于本文件。

AI:人工智能(Artificial Intelligence)

API:应用程序接口(Application Programming Interface)

APP:应用(Application)

CPU:中央处理器(Central Processing Unit)

FPGA:现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)

GPU:图形处理器(Graphics Processing Unit)

HMI:人机接口 (Human-Machine Interface)

HTTP:超文本传输协议 (Hypertext Transfer Protocol)

HTTPS:安全超文本传输协议 (Hypertext Transfer Protocol Secure)

ICT:信息与通信技术(Information and Communications Technology)

I/O:输入/输出(Input/Output)

IT:信息技术 (Information Technology)

MES:制造执行系统 (Manufacturing Execution System)

MQTT:消息队列遥测传输协议(Message Queuing Telemetry Transport)

NAT:网络地址转换(Network Address Translation)

NPU:神经网络处理器(Neural Processing Unit)

OPC UA:开放平台通信统一架构(Open Platform Communications Unified Architecture)

OT:运营技术 (Operation Technology)

PCIe:高速串行计算机扩展总线(Peripheral Component Interconnect Express)

PLC:可编程序控制器 (Programmable Logic Controller)

SCADA:数据采集与监视控制系统(Supervisory Control And Data Acquisition)

4 开放自动化系统架构

4.1 概述

开放自动化系统的架构见图1,主要包括硬件设备、运行环境、开放应用、工业网络以及工业安全。具体实施架构的实例见附录 A,管控系统的实施用例见附录 B。

图 1 开放自动化系统架构图

4.2 硬件设备

开放自动化系统的硬件设备包括部署开放控制运行时的现场设备、边缘设备和云基础设施

4.3 运行环境

开放自动化系统的运行环境包括开放控制运行时、操作系统(包括实时操作系统和非实时操作系统)。其中运行环境中的虚拟化为可选要素,可由多种虚拟化技术实现。

4.4 开放应用

开放自动化系统的开放应用包括控制功能、数智功能和编排功能

4.5 工业网络

工业网络是专为工业环境设计的网络,包括工业有线网络和工业无线网络。

4.6 工业安全

工业安全包括功能安全和信息安全,通过采取相应的安全手段,保障开放自动化系统稳定可靠运行和网络数据的完整性、保密性、可用性。

5 硬件设备

5.1 概述

开放自动化系统的硬件设备主要包括现场设备、边缘设备和云基础设施。根据应用需求,硬件设备如搭载相应的运行环境,能实现开放应用的功能。

5.2 现场设备

现场设备主要包括部署开放控制运行时的传感器、执行机构、智能装备、具备协议转换功能的终端等,一般要求如下:

a) 应具有北向通信能力的接口,支持与其他部署有开放控制运行时的控制单元组成系统配套使用;

b) 应基于设备信息模型的数据传输,支持资产管理;

c) 应具有必要的自诊断功能;

d) 应满足现场恶劣环境的物理和电气要求;

e) 应满足实时性控制及安全性要求;

f) 应支持开放控制运行时与本地及远程I/O 的可配置连接;

g) 应支持开放控制运行时部署。

现场设备的开放要求如下:

a) 应支持用户在不同应用或程序部署的一致性;

b) 应支持不同厂商的工程工具对开放控制运行时进行配置;

c) 应通过标准协议,支持设备之间的语义互操作性;

d) 可支持现场设备硬件组态的语义级配置。

现场设备的智能要求如下:

a) 应具备数据滤波、阈值判断、故障自诊断、趋势分析等基础智能功能;

b) 应具备用户可配置的、高采样频率的多通道现场信号实时采集和预处理能力,以支持 AI模型训练对数据采集的动态需求;

c) 宜具备时序数据存储和汇聚功能,并能与设备信息模型融合形成语义级数据源,支持异构数据融合和模型训练中的数据自动标定/标注;

d) 可具备轻量级 AI算力资源。

5.3 边缘设备

边缘设备主要包括部署开放控制运行时的通用控制器、工控机、边缘服务器等,一般要求如下:

a) 应支持开放自动化的运行环境;

b) 应提供设备健康状态、资源使用率、日志等,满足远程监控与诊断、智能分析需求;

c) 应支持软件的版本管理及批量部署;

d) 应支持资源池化和共享,如采用容器或虚拟化技术;

e) 在高可用场合下,应采用冗余高可用性设计;

f) 应满足现场设备控制的实时性要求;

g) 应具有可扩展性;

h) 宜支持硬件虚拟化,实现不同业务的隔离;

i) 宜支持有线/无线等多网络的接入。

边缘设备的开放要求如下:

a) 应提供主流的工业通信协议接口以支持现场设备的接入;

b) 宜为实时和非实时应用提供不同确定性要求的虚拟化资源,满足实时应用的高实时性和非实时应用的高资源利用率;

c) 边缘服务器可提供标准化的扩展槽。

边缘设备中边缘服务器的智能要求如下:

a) 应支持 AI框架运行时以及针对边缘优化的推理引擎;

b) 应支持模型热更新;

c) 宜具备时序数据存储和汇聚功能;

d) 宜支持异构算力平台,支持 NPU、FPGA、GPU 异构计算,加速推理计算,提升实时性能;

e) 宜提供标准化 API供上层应用调用本地 AI能力;

f) 宜基于实时应用负载(如视频流路数、PLC 数据吞吐、模型推理延迟)智能动态分配 CPU、GPU、NPU、内存和I/O 资源;

g) 可支持对 AI硬件资源的可视化编排工具,通过图形化编排 AI硬件资源的使用;

h) 可提供预训练模型库。

5.4 云基础设施

云基础设施作为云平台的底层支撑,通常为部署在数据中心或者工厂内部的私有云,融合承载控制功能、编排功能、数智功能等应用,实现了从底层物理逻辑执行到高层数据治理的资源池化与统一编排云基础设施的通用要求在满足5.3.1中a)~h)的要求外,其他的一般要求如下:

a) 应支持基于虚拟化或容器化构建资源池,实现按需弹性伸缩;

b) 应提供硬件可靠性设计,避免部分硬件损坏带来整体平台的不可用;

c) 应支持云主机整机进行备份,包括云主机快照、备份或克隆;

d) 应支持弹性伸缩服务,根据业务或实际应用需求对计算能力进行动态调整;

e) 应支持虚拟机冷、热迁移;

f) 应支持透传转发工业控制协议;

g) 应支持云网络编排管控,控制应用的互访,保障应用安全;

h) 应提供容灾及跨区备份;

i) 宜支持工业控制网络基于业务进行硬隔离,确保通信时延;

j) 宜支持确定性网络,为实时控制业务提供低时延、低抖动网络。

云基础设施开放要求如下:

a) 应兼容两种或两种以上芯片架构、服务器与存储设备,支持不同规格芯片的混合部署;

b) 应支持云原生的虚拟化、容器、微服务架构等部署方式,具有但不限于对 CPU、内存、I/O 等硬件资源进行虚拟化分配的功能;

c) 宜支持 PCIe设备接口;

d) 应支持为实时业务和非实时业务提供不同确定性要求的虚拟化资源,满足实时业务的高实时性和非实时业务的高资源利用率;

e) 宜支持中断隔离、中断错峰,关闭资源内存动态调整,减少对实时业务引入额外的延迟;

f) 宜支持开放身份协议。

6 运行环境

6.1 概述

开放自动化系统的运行环境是系统功能实现的软件基础,包括开放控制运行时、操作系统等组件,是支撑开放自动化系统中的硬件设备协同、开放应用部署与运行的核心基础。开放控制运行时是开放自动化系统的核心,具备控制算法解析执行、资源调度管理、跨设备数据交互及动态组态适配等功能,旨在实现自动化系统软件与硬件的解耦,用户能通过虚拟化技术为开放自动化应用提供实时操作系统或非实时操作系统的运行环境。

6.2 开放控制运行时

开放控制运行时的一般要求包括功能要求、架构适配与部署要求,具体如下。

a) 功能要求:

应支持一种以上编程语言开发、集成与运行,例如功能块、C/C++、Python等;

应具备承接系统级建模/组态更新的能力,根据控制系统中不同的硬件设备资源,集中式或分布式部署应用程序;

应集成设备管理、数据处理、资源管理功能(如内存分配、存储管理、I/O 访问和网络通信);

应支持事件驱动机制,确保控制逻辑的实时执行及任务优化;

应支持标准功能块的解析与执行;

应支持故障自诊断功能,实时监测运行状态,对资源异常、任务阻塞等故障进行自动识别,并触发告警;

应支持在线调试功能,便于系统维护;

应支持人机交互、资产管理等系统的接入;

在高可用场景下,开放控制运行时应采用冗余备份设计;

宜具备自适应资源调度能力,基于应用优先级、运行负载动态调整 CPU、内存等资源分配,优化系统运行效率。

b) 架构适配与部署要求:

云基础设施部署开放控制运行时,应适配云原生虚拟化、容器、微服务等部署方式,支撑云侧资源弹性调度;

边缘设备、现场设备部署开放运行时应采用通用软硬件架构;

应支持应用程序的新增、更改、删除,且不影响系统正常运行,保障跨层级应用的可移植性;

应为编排功能提供全生命周期管理接口;

云基础设施、边缘设备、现场设备可统一部署开放控制运行时,实现工业应用的跨层级交互,各设备之间的通信自动完成。

开放运行时的开放要求包括应用、协议与接口的要求,具体如下

a) 应用要求:

组件发布与使用应符合标准化要求,满足在不同设备间迁移;

应支持不同厂商的开发工具;

符合开放控制运行时的应用程序,应能部署在不同供应商的运行时环境中执行。

b) 协议与接口要求:

应支持主流的通信协议及协议转换功能;

应采用标准化的数据格式、业务模型与接口,便于不同厂商设备、组件的无缝集成,支持跨层级数据语义互操作;

应支持I/O 硬件组态配置的标准化。

开放运行时的智能要求包括支持数据处理、模型与推理的要求,具体如下。

a) 支持数据处理要求:

应提供数据采集适配接口;

应支持时序数据、设备信息模型数据的标准化传输与存储适配;

应支持异构数据格式的转换适配。

b) 支持模型与推理要求:

宜提供模型部署适配能力;

宜适配智能感知应用的接口规范;

宜支持推理和训练模型的协同能力。

6.3 虚拟化环境

当开放自动化系统基于虚拟化环境实现时,硬件平台通过虚拟化技术提供满足开放自动化系统运行要求的操作系统环境,满足控制业务确定性、低时延、工业级韧性,同时提高非控制业务资源利用率灵活性和可扩展性。虚拟化环境的要求如下:

a) 应支持基于通用软硬件构建实时域与非实时域的混合架构,实现一机多能,弹性扩缩容,分别承载实时控制业务与其他非实时业务;

b) 应支持时钟同步技术,全域统一时间,保障一致性;

c) 宜支持资源隔离与管理,包括 CPU、内存、I/O、中断物理级隔离,非实时域故障不影响实时域;

d) 宜提供共享内存、虚拟总线等方式高速数据互通。

6.4 实时操作系统

实时操作系统主要应用于实时生产控制场景,运行在工业控制设备上,保障任务在确定的时间内完成响应与执行,满足时间确定性要求,并提供任务切换、任务间通信、安全防护等基础功能以及工业相关的行业能力,为工业应用提供相关调用接口。实时操作系统的具体要求如下。

a) 系统构建包括但不限于如下要求:

应支持基于主流框架定制和构建实时操作系统;

操作系统应采用模块化设计,功能可根据业务场景需求进行裁剪,满足可配置型要求。

b) 混合部署要求:

宜支持通用计算芯片与异构计算芯片混合部署;

宜支持实时与非实时系统混合部署。

c) 可移植性要求:

应支持多种处理器架构;

宜支持对运行操作系统内核的 CPU 核心数量的配置。

d) 互操作性要求:

应支持任务间同步,包括但不限于互斥量、信号量;

应支持任务间通信,包括但不限于消息队列、内存共享等;

应支持主流网络接入方式;

应支持 TCP/IP网络协议栈,可按需精简网络协议功能;

可支持 HTTP、MQTT、OPC UA 等应用通信协议。

e) 控制运行时服务要求:

应支持 GB/T 19769(所有部分)或 GB/T 15969.3工业控制相关标准对操作系统的要求;应满足控制任务长时间稳定运行要求,提供相关错误处理、日志诊断、故障恢复机制;

应支持时钟同步技术,以确保各个设备和节点的时钟同步;

宜支持 C、Python、Lua等高级语言控制程序执行;

宜支持控制任务的创建、加载、调度、终止,且具有执行模式、周期、优先级管理能力

6.5 非实时操作系统

非实时操作系统主要应用在非强实时性的监控、管理、数据采集和处理、工业 AI等各类任务,运行在工业控制或非控制设备上,对任务响应的时间确定性要求较低,主要关注吞吐量、资源利用率、兼容性、扩展性和人机交互能力等方面。非实时操作系统可运行在工业现场、边缘设备和云基础设施上,提供硬件抽象描述,管理分配计算、存储、网络资源,为应用提供任务切换、任务间通信、安全防护等基础功能以及工业相关的技术能力,同时为应用提供相关调用接口。因此,非实时操作系统的要求如下:

a) 应具备硬件兼容性,支持主流工业硬件架构,兼容工业主板、采集卡、通信模块等,提供标准化的硬件驱动接口,无需为主流硬件定制驱动,满足互换性要求;

b) 应支持 C、Python、Lua等开发工具链。

7 开放应用

7.1 通则

开放应用是开放自动化系统的功能载体,包括控制功能、数智功能和编排功能,实现可移植性、可配置性和互操作性。开放应用开发应遵循模块化、可复用的原则,支持协同部署。

7.2 控制功能

控制功能是自动化系统的核心功能,主要包括逻辑控制、运动控制和过程控制。在开放自动化系统中,控制功能根据使用者的需要,可灵活在现场智能装备、通用控制器、边缘服务器、云基础设施上实现。控制功能除了应具备逻辑控制、运动控制及过程控制的基本功能,其他一般要求如下:

应支持符合 GB/T 19769(所有部分)或 GB/T 15969.3标准的编程语言进行控制程序开发;

a) 控制程序应采用模块化设计,将设备或工艺单元封装为可重用的功能块,便于各个模块的集成、替换和升级,以提高程序的可维护性和复用性;

b) 应支持以应用为中心的系统级开发及分布式部署;

c) 应提供基于事件触发的顺序或逻辑控制能力,实现复杂的多分支、串行或并行步序控制;

d) 应支持控制应用程序的离线仿真功能;

e) 应支持功能块的版本管理,便于应用更新和回溯。

控制功能的开放要求如下:

a) 控制功能设计时,应采用标准化的数据格式、业务模型、通信协议和接口,以确保不同厂商开发的应用能够无缝集成;

b) 应通过统一信息模型实现与上层系统的语义互操作;

c) 应支持用户应用或程序在不同厂家设备之间移植和复用;

d) 应支持控制功能的模块化拆分与组合,允许用户根据业务需求灵活配置控制逻辑,实现控制功能的复用与扩展。

控制功能的智能要求如下:

a) 宜支持模型预测控制(MPC)等先进控制算法的部署与执行;

b) 宜支持控制功能模块在运行环境中依资源情况进行自动重构;

c) 宜支持对控制应用在运行环境中自动更新。

7.3 数智功能

数智功能的应用宜满足如下要求:

a) 支持训练和推理功能;

b) 支持协同优化功能(如优化任务编排、资源调度、模型推理、状态同步等);

c) 支持自适应控制,可随工况自动调参适配;

d) 支持人机协同交互与人工干预,可迭代优化算法;

e) 具备智能容错自愈能力,支持故障隔离与自动恢复;

f) 支持模型算法迭代升级与不停机热更新;

g) 具备场景适配能力,支持模板组态配置与快速应用。

7.4 编排功能

开放自动化系统通过独立的编排功能对跨厂商跨平台开放控制运行时进行编排和全生命周期管理,编排功能满足如下通用要求:

a) 应支持开放控制运行时能力的动态注册与绑定,使编排决策能感知当前可用的全部能力集合;

b) 编排过程应具有可观测性,编排过程的状态和执行结果可追溯、可审计;

c) 宜具备故障检测与回退能力;

d) 被编排主体应具备自描述文件对外声明其能力。

编排功能满足如下开放要求:

a) 应具备标准化通信接口;

b) 宜提供在线管理的接口。

编排功能满足如下智能要求:

a) 宜具备被工业智能体调用的能力,支持工业智能体协作编排;

b) 宜具备学习和推理能力,支持从编排经验中学习优化编排策略。

8 工业网络

8.1 一般要求

开放自动化系统的网络功能在确定性宽带传输和高可靠性互联等通用要求基础上,还应提供网络控制和用户管理等开放化能力,以及网络故障预测、根因分析自主修复等智能化能力。工业网络的一般要求如下:

a) 应支持多种网络连接方式;

b) 应支持多种网络拓扑结构,灵活适配开放自动化系统连接;

c) 应支持边缘设备与现场设备间通信的确定性连接;

d) 应支持边缘设备与现场设备间通信的高可靠性连接:

e) 应支持对网络设备和网络连接进行集中管理和实时监控;

f) 应支持设备日志管理。

8.2 开放要求

工业网络满足如下开放要求:

a) 应提供开放接口,允许第三方系统或应用根据事件优先级调用不同网络资源进行业务集成和数据交换;

b) 应支持网络设备部署开放化,支持与现有自动化设备进行无缝连接并适应工业环境要求;

c) 应支持通过自动化系统的网络管理软件,对网络设备进行集中管理和监控;

d) 宜支持用户融合管理,包括统一认证、配置和操作可追溯;

e) 宜支持根据工业现场设备信息,自主进行网络设备配置。

8.3 智能要求

宜支持利用专家知识库或 AI工具,实现网络故障预测、根因分析及自主修复。

9 工业安全

开放自动化系统中的电气安全、功能安全、信息安全、云服务安全等方面应具备安全防护措施,可参照IEC 61158(所有部分)、IEC 62443(所有部分)、GB/T 42125(所有部分)、GB/T 31167—2023等相关规定执行。

附 录 A (资料性)

开放自动化系统实施架构的实例

A.1 概述

本实例以开放自动化为核心设计理念,符合 GB/T 19769(所有部分),采用标准化功能块和分布式通信协议的技术路径,实现了控制逻辑的模块化、可复用与跨平台部署。系统通过分布式通信协议构建开放的实时控制链路,支持不同供应商、不同架构硬件的互联互通,同时依托开放运行时技术,让控制逻辑可在云端与边缘设备间自由迁移,充分体现开放自动化可移植性、可配置性、互操作性的核心特性在工程实现层面,系统通过云原生集成开发工具提供可视化组态与功能块开发能力,支持基础功能块、复合功能块及用户自定义功能块的灵活编排,无需大量底层编码即可完成复杂控制逻辑的构建

这套开放式系统拓扑通过开放接口与标准化的通信,实现了与 HMI/SCADA/MES、AI模型及第三方系统的无缝集成。本实例的开放自动化系统实施的拓扑结构见图 A.1。

A.2 工业集成开发环境

工业集成开发环境以标准化功能块及分布式组态的架构,实现应用功能模块化、可复用与跨平台部署,由功能块库、应用组态环境、运行时管理模块及接口适配组件构成,支撑开放自动化系统的逻辑编排与灵活扩展。功能块库分为基础、复合及用户自定义三类,基础功能块应符合 GB/T 19769.1的相关要求,复合功能块面向典型工业场景封装成型,用户自定义功能块支持多语言扩展以满足个性化工艺需求。应用组态环境提供可视化拖拽编程,支持图形化配置、自动校验,降低开发难度;运行时管理模块采用分布式调度,保障功能块执行的实时性与可靠性。接口适配组件应符合 GB/T 19769.4的要求,实现与多厂商控制设备及第三方系统的标准化对接,满足互操作性要求。

A.3 开放应用

开放应用依托工业集成开发环境搭建模块化体系,集成控制、编排、数智三大核心能力,具备可移植性、可配置性、互操作性等特性,适配工业常规控制与智能生产场景。具体包括以下内容:

a) 控制功能基于标准化功能块库,封装工艺控制等功能块,通过软硬件解耦来适配多厂商硬件,实现控制逻辑跨平台复用,保障现场控制稳定可靠;

b) 编排功能依托可视化组态技术,支持各类功能块拖拽组态与在线校验,无需底层编码即可快速搭建、迭代控制逻辑,可随工艺灵活调整,提升工程配置效率;

c) 数智功能依托开放运行时与分布式通信架构,打通云边协同链路,支持控制逻辑跨域调度迁移,可无缝对接上位系统、AI模型及第三方设备,实现数据采集、工况分析与智能联动控制

A.4 搭载开放运行时的云基础设施

云基础设施基于云计算架构构建,通过容器化部署开放运行时实例,承载生产调度、数据分析、故障预警等核心业务,集成云侧 AI训练能力,支撑模型迭代优化与智能升级。平台采用软件定义架构,支持业务与算力弹性伸缩,可通过扩容运行时实例适配生产与控制需求升级,无需新增物理硬件,降低改造成本。云端完成 AI模型训练与参数迭代,优化后的模型可下发至边缘设备执行推理,实现“云训边用”的数智协同。同时,系统支持任务动态迁移与冗余备份,可有效规避单点故障,保障系统持续稳定运行。

A.5 搭载开放运行时的边缘设备

控制器模块满足以下实施要求:

a) 处理能力:采用多核处理器,核心数满足系统需求,主频达到工业控制要求,在满负载情况下CPU 平均负载率保持在合理水平,确保控制任务实时性;

b) 控制周期:支持最小控制周期达到工业实时控制要求,且可根据任务需求灵活配置周期时间;

c) 触发方式:支持周期触发和事件触发两种任务执行模式,事件触发响应时间应符合相关标准要求;

d) 内存与存储:程序内存和数据内存满足系统运行需求,支持外部存储扩展(如 SD 卡),用于记录历史数据和报警信息;

e) 通信接口:具备足够数量的独立以太网口,支持多种现场总线协议,具备路由和 NAT 功能;

f) 环境适应性:工作温度范围应满足工业环境需求,防护等级应符合安装环境要求,具备抗振动、抗电磁干扰能力;

g) 支持 AI功能:提供 NPU,可内置轻量级 AI推理运行时,支持主流 AI框架,可直接加载并执行经过训练的 AI模型文件。

远程I/O 模块用于分散采集现场信号并扩展控制点,满足以下实施要求

a) 通信协议:支持主流实时工业以太网协议,如 Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP等,以确保与控制器的快速数据交换。宜同时兼容 Modbus TCP作为备用协议,提升互操作性。

b) 带载能力:单个远程I/O 站可扩展的模块数量满足系统需求,支持数字量与模拟量I/O、温度测量、计数等不同类型模块混插。数字量模块和模拟量模块通道数满足现场需求。

c) 信号类型:数字量输入支持常用工业标准信号,数字量输出支持晶体管或继电器输出;模拟量输入支持工业标准信号类型,分辨率满足系统要求;模拟量输出支持工业标准信号类型。

d) 传输距离:采用工业以太网时,站与站之间的距离满足现场安装需求,若需更长距离,应支持通过光纤扩展,传输距离满足系统要求。

e) 诊断功能:支持模块级和通道级诊断,可检测常见故障类型,并上报控制器。

f) 环境适应性:工作温度范围应满足工业环境需求,防护等级应符合安装环境要求。

g) 供电方式:支持通过总线供电或外接工业标准电源,具备反接保护和过流保护。

A.6 现场设备

现场设备包括传感器、工业仪表及执行机构等,通过工业通信协议与边缘设备、I/O 模块建立数据交互链路,实现采集工艺参数、反馈设备状态与执行控制指令等功能。

附 录 B (资料性)

面向工业园区的厂务管控系统实施用例

B.1 概述

本用例以某集团实际的厂务管控系统为例,因该集团业务规模扩大,新建的工业园区内的能源供给(冷站、空压站等)与环境控制(末端空调)系统复杂多样。传统厂务系统方案存在严重的“信息烟囱”问题,动力侧(Modbus协议为主)与楼宇侧(BACnet协议为主)数据割裂,能源生产与末端消耗无法协同优化,该集团新建工业园区通过实施厂务管控系统,打通能源站与末端空调系统的数据链路,实现全厂务系统的统一监控与联动控制;通过厂务管控系统,实现“源随荷动”,降低园区厂务系统的综合能耗;构建统一的厂务数据中心,并向园区综合能源管理平台提供数据支撑,实现园区能源的高效、经济、可靠供应。具体实施的架构见图 B.1。该园区厂务管控系统部署搭载了开放控制运行时的云基础设施,对冷源末端等众多物理设备实现编排,集成冷源群控、空压群控等高阶控制功能,并同时部署了负荷预测、能源优化先进控制算法模块,物理上为物理服务器形式的私有云;其南向主要由冷热气源端和冷热末端两部分组成,分别通过 Modbus TCP和BACnet协议传输数据和信号,其中冷热气源端部署了不同型号的搭载了开放控制运行时的现场设备,实现对制冷站、换热站及空压设备的控制及监视,冷热末端采用通用控制器实现对射流机组、高大空调等设备的控制

B.2 用例分析

该工业园区的厂务管控系统按“设备接入-逻辑解耦-协同调度-闭环优化”的流程进行,本用例主要实施步骤见表 B.1,具体如下。

步骤1:多协议设备接入与数据采集。通过部署在冷热气源端的制冷站、换热站及空压设备等设施的传感器及不同型号的现场设备,实时采集设备运行状态、工艺参数(温度、压力、流量、电流)、能耗数据及报警信号。通过部署在冷热末端的通用控制器实现对几百个末端设备逻辑控制及数据集成。基于开放自动化部署在云基础设施的多协议适配能力,兼容 Modbus TCP、BACnet等标准协议,实现异构设备的统一接入

步骤2:开放控制运行时部署与逻辑解耦。在现场设备通过部署开放控制运行时,实现控制程序与硬件物理解耦。传统专用控制器的顺控逻辑(如冷站“冷却塔-冷冻泵-制冷机组”启停步序、空压站“冷干机-空压机”联动逻辑)被封装为标准功能块,支持跨站点复用。

步骤3:跨系统协同调度与群控优化。基于开放应用层的厂务管控系统的非标行业库功能块,构建冷热源群控算法(根据回水温度动态调整机组运行台数)与空压站群控算法(根据管网压力动态加减机)以及高阶负荷预测功能。控制指令通过工业网络下发至现场设备,实现“按需供能”。

步骤4:闭环反馈与参数自整定。厂务管控系统实时采集管网压力、回水温度等实绩数据,与设定值比对后自动修正群控参数(如加减机延时、压力阈值),形成“感知-分析-执行”的闭环管控,确保能源供应稳定且高效。

步骤5:异常预警与安全联动。厂务管控系统实时监控冷水机组故障、空压机超温、管网压力越限等关键指标,异常时通过开放接口向园区综合能源管理平台推送报警信息,并联动备用设备自动投入,保障生产连续性。

序号	流程步骤	具体描述
1	多协议设备接入	通过适配ModbusTCP、BACnet等协议,统一接入冷站、空压站以及末端射流机组、风机盘管等设备数据
2	控制逻辑解耦	在现场设备部署开放控制运行时,将顺控、联锁逻辑封装为标准功能块,实现软硬件解耦
3	群控协同调度	在云基础设施上开发基于功能块库构建冷热源、空压站群控算法,根据负荷动态调整设备运行状态
4	闭环参数优化	实时采集压力、温度实绩,动态修正群控参数,优化系统能效
5	异常安全联动	监控关键设备状态,异常时触发报警并联动备用设备,保障能源供应安全

B.3 关键绩效

本用例中基于该场景实际运行数据,不代表行业统一要求,测算的部分关键绩效如下:

a) 网络与协议互通:实现了 OT(冷热源端和末端)与IT(厂务管控系统)的异构协议融合,海量末端设备接入成功率100%,解决了传统厂务系统信息孤岛问题;

b) 运行环境性能:开放控制运行时支持跨平台部署,冷站与空压站控制程序复用率达75%,无需针对不同站点重复开发;支持在线修改群控参数(如压力阈值、加减机延时),不影响系统正常运行;

c) 开放应用性能:厂务功能块库封装设备库、系统库共20余类,顺控步序配置效率提升30%,群控算法迭代周期缩短;

d) 全局能效提升:通过厂务管控系统的“源-荷”协同优化,冷热源系统综合能效明显提升,末端空调系统节能率达到10%~15%,全厂务系统年综合能耗降低约8%;

e) 管理效率提升:一体化管控模式使得厂务管理人员数量减少30%,跨系统故障排查时间缩短30%。

B.4 技术价值

本用例的主要技术价值如下:

a) 打破协议壁垒,实现全厂务数据融合:通过利用厂务管控系统作为枢纽,攻克了工业现场 Modbus(源侧)与 BACnet(末端侧)长期存在的数据割裂难题,构建了完整的全厂务数字孪生体;

b) 构建“源-网-荷”协同控制架构:改变了传统厂务系统各站点独立运行的烟囱模式,建立了跨能源站与末端负荷的协同控制回路,实现了能源流的全局最优配置;

c) 软硬一体化开放生态:验证了基于开放自动化硬件及高级应用(如全局优化、负荷预测等)整体的方案可行性,赋予了系统极强的软件迭代能力。

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