面向工业智能化时代的新一代工业控制体系架构

智能制造控制单元IMCU简介作者：杨志伟麦彬承尹静来源：《移动通信》2020年第09期【摘要】给出了一种基于5G、人工智能、标识解析技术替代PLC的新型工业控制产品——IMCU 的内涵定义、整体框架、主要功能、标准体系以及技术路线，探讨了IMCU改变传统工业控制现场和工厂整体调度控制5层结构的可行性，旨在通过技术的集成融合创新，解决工业控制核心技术短板以及数据互通“卡脖子”等问题，助力我国引领未来工业控制领域的规模化、自主化和高质量发展。

【关键词】新一代信息技术;工业控制系统;PLC;IMCU0 引言可编程逻辑控制器（PLC， Programmable Logic Controller），以其可靠性高、编程容易、组态灵活、功能模块齐全、安装方便等的优势，自1969年面世以来就得到了工业界的广泛认可。

为更加适应现代工业的需要，PLC不断提升控制规模、控制能力以及产品配套能力，目前在国内工业体系各个行业和领域广泛的应用。

据统计，2016年我国PLC市场规模达73亿元，预计2020年有望达100亿元。

然而，由于技术、市场等多方面原因，现在95%的国内市场由西门子、三菱、欧姆龙、霍尼韦尔、罗克韦尔等国外PLC厂家所占领，中、大型PLC产品几乎全部由国际上几大公司垄断。

1 我国工业控制系统（PLC）发展现状1.1 国内PLC技术尚不具备国际竞争力自上世纪70年代后期开始，我国PLC产业先后经历了成套设备引进、PLC引进应用、消化移植、合资生产的过程。

国产PLC品牌和利时、台达、汇川、江苏信捷等企业在国内PLC 中小型市场异军突起，经过多年发展，国产自主PLC产品仍未形成规模生产能力和完整的系列产品，尚不具有能够与国际巨头竞争的能力和实力。

与此同时，由于PLC核心技术掌握在国外厂商，不能满足我国关键技术自主可控的要求。

1.2 现有PLC技术无法满足现代工业的新需求工业控制系统已经成为驱动整个工业向前发展的中坚力量，随着计算机技术、通信技术和控制技术的融合发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，正在向智能化、网络化、集成化方向发展，多任务执行、网络能力强化、处理功能高速化、软件集成化、控制器微型化的趋势越发明显。

《信息系统项目管理师教程》第1章信息化发展-题库1.“新型基础设施”主要包括信息技术设施、融合基础设施和创新基础设施三个方面。

其中信息基础设施包括( )。

①通信基础设施②智能交通基础设施③新技术基础设施④科教基础设施⑤算力基础设施A. ①③⑤B. ①④⑤C. ②③④D. ②③⑤正确答案：A答案解析：P7页。

信息基础设施主要指基于新一代信息技术演化生成的基础设施。

信息基础设施包括：①以5G. 物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施；②以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施；③以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等。

信息基础设施凸显“技术新”。

2.数据价值化是指以( )为起点，经历数据资产化，数据资本化的阶段，实现数据价值化的过程。

A. 数据智能化B. 数据资源化C. 数据安全性D. 数据产业化正确答案：B答案解析：P20页。

数据价值化是指以数据资源化为起点，经历数据资产化、数据资本化阶段，实现数据价值化的经济过程。

3.信息化内涵主要包括信息网络体系、信息产业基础、社会运行环境、效用积累过程4个方面，其中信息科学技术研究与开发、信息装备制造、信息咨询服务是属于（）A. 信息网络体系B. 信息产业基础C. 社会运行环境D. 效用积累过程正确答案：B答案解析：我自己按新教材写的模拟题，建议还是需要做下。

(1)信息网络体系：包括信息资源、各种信息系统、公用通信网络平台等。

(2)信息产业基础：包括信息科学技术研究与开发、信息装备制造、信息咨询服务等。

(3)社会运行环境：包括现代工农业、管理体制、政策法律、规章制度、文化教育、道德观念等生产关系与上层建筑。

(4)效用积累过程：包括劳动者素质、国家现代化水平和人民生活质量的不断提高，精神文明和物质文明建设不断进步等。

4.以下（）不属于信息基础设施建设。

A. 5G基建B. 特高压C. 城际高速公路D. 城际轨道交通正确答案：C答案解析：新型基础设施建其主要包括5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域。

工业互联网及其应用工业互联网：连接一切，塑造未来在21世纪的信息时代，互联网已经深入渗透到我们生活的方方面面，而工业作为社会发展的基石，也在经历着前所未有的变革。

工业互联网，作为工业领域的一种新型应用模式，正逐渐成为全球工业体系转型升级的重要推动力。

工业互联网，简单来说，是互联网技术与工业体系的融合。

它借助物联网、云计算、大数据、人工智能等先进技术，将工厂、机器、设备、人员、信息系统等各类要素进行广泛连接，形成了覆盖工业全流程的泛在连接和智能化服务。

工业互联网的应用场景丰富多样，涵盖了制造、交通、医疗等多个领域。

在制造领域，工业互联网通过对生产线的全面感知和实时分析，可以实现精益生产、工艺优化和设备维护等；在交通领域，工业互联网可以实现智能交通管理，提高道路利用率和减少拥堵现象；在医疗领域，工业互联网能够实现医疗资源的优化配置，提高医疗服务质量。

工业互联网的发展前景广阔。

据预测，到2025年，全球工业互联网市场将达到1万亿美元。

同时，随着5G、AI等新一代技术的普及，工业互联网将进一步实现跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的全面互联，推动工业体系的智能化升级。

然而，工业互联网的发展也面临一些挑战。

首先，数据安全和隐私保护问题亟待解决；其次，技术标准和法规尚不完善，不利于市场秩序的维护；最后，人才短缺问题也在制约工业互联网的发展。

为了应对这些挑战，我们提出以下建议：首先，加强数据安全和隐私保护技术的研发，建立完善的安全管理体系；其次，推动技术标准和法规的制定，规范市场秩序；最后，加强人才培养，为工业互联网的发展提供充足的人力资源。

总之，工业互联网作为未来工业发展的重要趋势，将在推动制造业转型升级、提高生产效率、改善人民生活质量等方面发挥重要作用。

面对其带来的机遇与挑战，我们要充分把握，积极探索和创新，以应对未来社会的多样化需求和多元化的挑战。

未来的工业互联网将更加智能、高效、安全、环保，让我们共同期待这个充满无限可能的未来。

前言随着企业信息化应用的逐渐深入以及两化深度融合的持续推进，我国工业自动化水平得到了很大提高，信息、网络以及物联网技术在智能化生产设备和信息系统中的应用也日趋广泛。

企业为实现系统间的协同和信息共享，工业控制系统逐渐打破了以往的封闭性：采用标准、通用的通信协议及硬软件系统，从而使工业控制系统面临病毒、木马、黑客入侵、拒绝服务等信息安全威胁。

由于工业控制系统多被应用在电力、交通、石油化工、核工业等国家重要的行业中，其安全事故造成的社会影响和经济损失会更为严重。

工业控制系统安全是工业进行信息化和智能化改造的重要因素，因此，只有在保证工控系统安全的前提下，才能够促进企业生产制造安全，从而保障工业智能化带来的生产效率的提高和附加效益的实现。

如何解决工控安全问题已成为企业面临的严峻挑战。

当前，市场上工控安全类产品众多，如何选择一款合适的产品来帮助企业提升工控系统安全防御能力至关重要。

面对企业选型时的种种困惑，e-works本着客观、中立、公正的原则，发布《工控系统信息安全（ICS）产品选型手册》。

旨在通过对工控系统安全领域厂商的产品及技术的全面分析和梳理，为制造企业工控系统安全解决方案的实施与选型提供参考。

选型手册涵盖了威努特、中国网安、力控华康、匡恩网络、海天炜业、绿盟科技、中科网威、谷神星、安点科技等业内主流厂商。

在此，非常感谢厂商市场人员积极配合本次选型工作，主动提供与产品相关的资料和介绍，给选型手册的编撰工作给予的大力支持。

目录前言 (2)一、工业控制系统概述 (4)1．工业控制系统体系架构 (4)2．工业控制系统功能组件 (5)3．工业控制系统安全现状 (7)4．工业控制系统安全问题分析 (8)4.1. 通信协议漏洞 (8)4.2. 操作系统漏洞 (9)4.3. 杀毒软件漏洞 (9)4.4. 应用软件漏洞 (9)4.5. 安全策略和管理流程漏洞 (9)5．工业控制系统安全保障策略 (10)二、产品选型 (11)1．资质评估 (11)2．需求评估 (13)3．功能评估 (16)4．成本评估 (13)5．合同签订 (17)三、案例分析 (20)1．工控系统安全在汽车行业的应用 (19)2．工控系统安全在数控机床行业的应用 (23)3．工控系统安全在石化行业的应用 (25)四、主流厂商及产品 (27)1．威努特 (27)2．中国网安 (28)3．力控华康 (30)4．匡恩网络 (31)5．海天炜业 (32)6．立思辰 (34)7．绿盟科技 (35)8．中科网威 (37)9．谷神星 (38)10．安点科技 (39)e-works研究院介绍 (42)一、工业控制系统概述工业控制系统（Industrial Control Systems, ICS），是由各种自动化控制组件以及对实时数据进行采集、监测的过程控制组件，共同构成的确保工业基础设施自动化运行、过程控制与监控的业务流程管控系统。

工业互联网的概念、体系架构及关键技术摘要：工业互联网是实现传统产业数字化转型的重要途径，目前已受到业界和业界的高度重视。

产业互联网涉及的领域很广，它的体系结构和关键技术也在不断演变和发展，目前存在着概念范畴模糊、体系结构不完善、关键技术不明确的问题。

本文在对工业互联网与工业物联网，工业4.0/5.0，智能制造之间的联系进行了梳理，阐述了工业互联网的基本概念，对工业互联网的体系结构和所涉及的技术进行了深入的剖析，并对其所面临的挑战进行了展望。

关键词：工业互联网；体系构架；关键技术中国工程院院士傅前矛在2018年两会期间表示，“经过三十年发展以后，我国从制造大国转变为全球制造业大国”。

要建设成为制造业强国就必须实现由数量和规模驱动向质量效益型转变。

他建议未来以信息技术为核心的新一轮技术革命与产业变革推动制造业转型升级和可持续发展；加快建设新型基础设施，提高基础设施服务能力；全面深化改革创新推动制造业高质量发展；加快科技成果转移转化促进形成新产业新动能；营造良好环境支持工业互联网发展壮大等方面提出了更高的要求。

工业互联网将成为我国推进智慧生产、加快信息通信基础设施建设以及推动企业数字化转型、智能制造实施水平提升的重要突破口和关键技术突破点。

一、什么是工业互联网傅前矛表示，“工业互联网”一词是从西方学者提出的，他们认为“工业”这个词，它的英文意思应该是 covery machine,简称 claim,意思是去工厂工作，它不能代表我们国家对制造业的理解。

事实上，它有很多来源，但我们没有研究清楚它的含义。

现在全球都在谈智能制造，其实我们并不是要把它们当成一个新名词来讲。

应该说大家对它并不是很了解。

因此我想我们首先对这件事应该有一个认识上的转变吧。

简单来说它主要涉及到一个网络技术或者说是信息技术和制造业相结合的过程。

我们可以把这个定义理解为是在网络技术上再往前走一步、再前一步发展一步。

二、工业互联网是企业实现智能化转型的“助推器”企业数字化、智能化的基础和关键，是企业管理水平提升的重要抓手一是要实现从低层次向高层次推进，向管理要效益，向价值创造要效率。

典型的物联网系统架构共有3个层次。

一是感知层，即利用射频识别（radio frequency identification, RFID）、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是网络层，通过电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是应用层，把感知层得到的信息进行处理，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。

在工业环境的应用中，工业物联网面临着与传统的物联网系统架构两个主要的不同点：一是在感知层中，大多数工业控制指令的下发以及传感器数据的上传需要有实时性的要求。

在传统的物联网架构中，数据需要经由网络层传送至应用层，由应用层经过处理后再进行决策，对于下发的控制指令，需要再次经过网络层传送至感知层进行指令执行过程。

由于网络层通常采用的是以太网或者电信网，这些网络缺乏实时传输保障，在高速率数据采集或者进行实时控制的工业应用场合下，传统的物联网架构并不适用。

二是在现有的工业系统中，不同的企业有属于自己的一套数据采集与监视控制系统（supervisory control and data acquisition，SCADA，在工厂范围内实施数据的采集与监视控制。

SCADA系统在某些功能上会与物联网的应用层产生重叠，如何把现有的SCADA系统与物联网技术进行融合，例如哪些数据需要通过网络层传送至应用层进行数据分析；哪些数据需要保存在SCADA的本地数据库中；哪些数据不应该送达应用层，它们往往会涉及到部分传感器的关键数据或者系统的关键信息，只由工厂内部进行处理。

工业物联网的系统架构需要在传统的物联网架构的基础上增加现场管理层。

其作用类似于一个应用子层，可以在较低层次进行数据的预处理，是实现工业应用中的实时控制、实时报警以及数据的实时记录等功能所不可或缺的层次，如图1所示。

图1 工业物联网体系架构1. 感知层感知层的主要功能是识别物体，采集信息和自动控制，是物联网识别物体、采集信息的来源；它由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。

工业控制系统的历史沿革及发展方向工业控制系统经历了启蒙时代、古典主义时期,逐步完成了现代化的蜕变.目前，沿着新型现场总线控制系统、基于PC的工业控制计算机、管控一体化系统集成技术这三个主要方向,工控系统的变革仍在继续.自动化与工业控制系统通常被简称为ICS（Industrial Control Systems）,是一个用来描述工业设施与自动化系统的专用词汇.在ISA-99/IEC 62443标准中，工业控制系统指的是“一个包括人员、硬件以及软件，能够对工业过程的安全性、可靠性造成影响的集合”，通常具有以下四个功能：1。

测量――获取传感器数据并将其作为下一步处理的输入或直接作为输出;2。

比较――将获取的传感器数据与预先设定的数据进行比较;3.计算――计算历史误差、当前误差与后续误差;4.矫正――基于测量、比较及计算的结果对自动化过程进行调整。

上述四个功能通常由工业控制系统中的五个部件完成：传感器――用于测量目标的物理参数;转换器――将测量所得的电学/非电学测量值转换为可用的电信号；发射器――负责控制系统中的电信号的发送；控制器――为整个控制系统提供控制逻辑与输入输出接口;执行器――用于改变控制过程。

在现代工业控制系统中，这些基本部件并不一定是各自独立的。

它们通常以子系统的形式进行组合,完成各种复杂的控制任务。

比如，现代工业控制系统中常见的传感模块就由传感器、转换器与发射器（甚至可能会有小型的控制器用于前端数据处理）组成;数据采集与监控系统作为控制系统中的关键子系统，通常又由大量的传感模块、发射器及控制器组成；而可编程逻辑控制器，通常集成了发射器与控制器，用于具体工业过程的控制.现代工业控制系统就是由各种传感器、控制器、执行器以及各种具有具体功能的子系统构成的具有复杂结构的控制网络。

就像罗马并不是一天建成的，现代工业控制系统也经历了启蒙时代、古典主义时期才完成现代化的蜕变。

历经三个重要历史时期启蒙时代：1935年之前工业控制系统作为工厂流程的一部分出现在世人面前大约是在十八世纪中期，但事实上，古代的希腊人与阿拉伯人就已经开始在诸如水钟、油灯这样的装置中使用浮动阀门进行自动控制了.世界上第一台有记载的自动控制设备是公元前二百五十年左右埃及人所使用的水钟.这台水钟以水作为动力进行计时与矫正，将世界最准确计时工具的头衔保持了将近两千年,直到摆钟被发明。

工业互联网工程技术人员考试题库（试题143道含答案）（）是工业技术软件化的重要成果，本质上是一种与原宿主解耦的工业技术经验、规律与知识的沉淀、转化和应用的载体。

A手机APP(正确答案)B工业APPC电脑端软件D控制系统（）拓扑结构存在若干节点中心，且任何两个节点之间的通信都要经过中心节点。

A.环形B．星型C．树型(正确答案)D．网状型RS232接口标准是一种串行通信的标准，实现（）的通信方式。

A点对点(正确答案)B点对多C多对多D多对点在数据存储阶段，主要困难是由于数据的（）造成数据的分类管理和防护难度大。

A格式化B多样化(正确答案)C复杂化D简单化CAN总线使用的数据编码是（）A归零码（RZ）B.非归零码(NRZ）(正确答案)C.曼彻斯特编码D差分曼彻斯特编码CAN总线远程帧不存在数据场，所以DLC的数值应永远被设置为0。

A.正确B.错误正确答案：BElectronicProductCode最正确的释义是哪一个？（）A.电子产品代码B.产品电子代码(正确答案)C.自动识别D.编码体系ISO数据接收无通信方确认，通过功能块无法看到确认信息。

A.正确B.错误正确答案：BModBus标准，主要解决一根双绞线实现与（）个设备间的通信，也是当前最受欢迎的工业现场通信协议的一种。

A一B无数C多(正确答案)D无限VPN是（）A.仅供您使用的个人网络B.VLAN之间的通信隧道。

C.跨Internet的加密连接。

(正确答案)D.局域网(LAN）内的虚拟网络。

49使用托管交换机替换非托管交换机的一个原因是:（）A.可支持多个VLAN(正确答案)B.B.可减少冲突域C.可在网络之间路由D.可管理路由器表安全隔离网闸与防火墙相比，需要采取更强的安全隔离技术，请指出下列哪一项技术不会在安全隔离网闸中使用（）A.专用的安全通信协议B.专用的硬件通信通道C.应用层的数据交换D.支持数据包路由(正确答案)安全生产方针是（）A安全为了生产，生产必须安全B安全第一、预防为主、综合治理(正确答案)C安全生产人人有责D管生产必须管安全标识载体，就是指承载标识编码资源的标签。

人工智能在工业应用作业指导书第1章人工智能基础理论 (3)1.1 人工智能概述 (3)1.2 人工智能发展历程 (3)1.3 人工智能关键技术 (3)第2章工业智能化概述 (4)2.1 工业智能化发展背景 (4)2.2 工业智能化的意义与价值 (4)2.3 工业智能化体系架构 (5)第3章机器学习在工业应用 (5)3.1 监督学习 (5)3.1.1 故障诊断 (5)3.1.2 质量控制 (5)3.1.3 预测维护 (6)3.2 无监督学习 (6)3.2.1 数据预处理 (6)3.2.2 产品分类 (6)3.2.3 过程优化 (6)3.3 强化学习 (6)3.3.1 自动控制 (6)3.3.2 路径规划 (6)3.3.3 能源管理 (6)第4章深度学习在工业应用 (7)4.1 卷积神经网络 (7)4.1.1 图像识别 (7)4.1.2 物体检测 (7)4.1.3 视频监控 (7)4.2 循环神经网络 (7)4.2.1 时间序列预测 (7)4.2.2 自然语言处理 (7)4.3 对抗网络 (8)4.3.1 图像 (8)4.3.2 数据增强 (8)4.3.3 模式识别 (8)第5章计算机视觉在工业应用 (8)5.1 图像识别与处理 (8)5.1.1 概述 (8)5.1.2 图像预处理 (8)5.1.3 特征提取与匹配 (8)5.1.4 识别算法 (8)5.2 视觉检测技术 (9)5.2.1 概述 (9)5.2.3 缺陷检测 (9)5.2.4 自动检测与控制 (9)5.3 三维重建与虚拟现实 (9)5.3.1 概述 (9)5.3.2 三维重建技术 (9)5.3.3 虚拟现实技术 (9)5.3.4 工业应用案例 (9)第6章自然语言处理在工业应用 (9)6.1 词向量与文本表示 (9)6.1.1 词向量表示方法 (10)6.1.2 工业应用案例 (10)6.2 命名实体识别与关系抽取 (10)6.2.1 命名实体识别 (10)6.2.2 关系抽取 (10)6.2.3 工业应用案例 (10)6.3 机器翻译与对话系统 (10)6.3.1 机器翻译 (11)6.3.2 对话系统 (11)6.3.3 工业应用案例 (11)第7章语音识别与处理在工业应用 (11)7.1 语音信号处理 (11)7.1.1 语音信号预处理 (11)7.1.2 语音特征提取 (11)7.2 语音识别技术 (11)7.2.1 基于隐马尔可夫模型（HMM）的语音识别 (11)7.2.2 深度学习在语音识别中的应用 (12)7.3 语音合成与交互 (12)7.3.1 语音合成技术 (12)7.3.2 语音交互技术 (12)7.3.3 语音交互在工业场景的应用案例 (12)第8章与自动化 (12)8.1 工业概述 (12)8.2 路径规划与控制 (12)8.3 视觉与抓取 (13)第9章人工智能在制造业的应用案例 (13)9.1 智能制造系统 (13)9.1.1 智能调度与优化 (13)9.1.2 设备故障预测与维护 (13)9.1.3 质量检测与控制 (13)9.2 智能生产线 (14)9.2.1 智能 (14)9.2.2 自动化装配线 (14)9.2.3 智能物流系统 (14)9.3.1 自动化立体仓库 (14)9.3.2 智能分拣系统 (14)9.3.3 智能物流配送 (14)第10章人工智能在工业应用的未来发展 (14)10.1 工业互联网与大数据 (14)10.2 边缘计算与云计算 (15)10.3 人工智能在工业应用的安全与伦理问题 (15)10.4 人工智能在工业应用的发展趋势与展望 (15)第1章人工智能基础理论1.1 人工智能概述人工智能（Artificial Intelligence, ）是指由人制造出来的系统所表现出来的智能行为。

100ＸｉＵＯＳ矽璓工业物联操作系统开源发布5月4日，北京大学梅宏院士操作系统团队研发成果XiUOS 矽璓工业物联操作系统正式在确实Trustie 和木兰开源社区发布。

XiUOS（X Industrial Ubiquitous Operating System）矽璓工业物联操作系统是一款面向工业物联场景的泛在操作系统，源自人机物融合计算和第四次工业革命产业需求的碰撞。

人机物融合计算是继主机计算、个人计算、移动计算之后出现的新型计算模式，其万物数字化、交互网络化、系统智能化、计算泛在化等特性要求新型操作系统的支撑。

北京大学梅宏院士团队联合国内多所高等院校、科研机构，倡议发起泛在操作系统（ Ubiquitous Operating Systems，UOS）研究计划，致力于研发支持互联网时代人机物融合计算模式的新型操作系统——泛在操作系统。

在泛在操作系统技术体系中，会面向不同的应用场景构建不同的UOS 实例。

矽璓XiUOS 即是面向工业物联应用场景的一种UOS，支持工业物联网（IIoT）应用，帮助解决在车间内实施智能化生产面临的全面感知、泛在互联、智能分析、精准调控等问题，促进工业领域人机物的深度互联和融合计算。

矽璓XiUOS 的前期基础主要来自北京大学在网构操作系统以及上海交通大学在软件定义内存计算系统等方面的长期技术积累。

2018年1月，梅宏院士在“泛在操作系统：软件定义的视角”文章中提出泛在操作系统的概念，视为人机物融合泛在计算时代操作系统发展的重要方向和形态。

随后开启泛在操作系统研究在工业领域的落地，以北京大学和上海交通大学的研究人员为骨干，组建工业物联网操作系统研发团队，针对工业领域智能制造对人机物全面连接的需求与挑战，开展工业物联网操作系统需求凝练、架构设计和原型研发工作。

2019年11月，在杭州市萧山区委区政府的大力支持下，XiUOS 研制工作正式转入位于萧山的北京大学信息技术高等研究院，结合萧山本地工业企业的实际应用需求，开始集中攻关。