基于工業(yè)PON的智慧工廠內(nèi)網(wǎng)建設

中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司江蘇省分公司

網(wǎng)絡改造技術篇/成熟技術/工廠內(nèi)網(wǎng)改造

1 概述

1.1 背景

2017年10月30日，國務院常務會審議通過《關于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》?！兑庖姟分赋?，要深入貫徹落實黨的十九大精神，以全面支撐制造強國和網(wǎng)絡強國建設為目標，圍繞推動互聯(lián)網(wǎng)和實體經(jīng)濟深度融合，增強工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)供給能力，持續(xù)提升我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平，形成實體經(jīng)濟與網(wǎng)絡相互促進、同步提升的良好格局，推動實體經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級，打造制造強國、網(wǎng)絡強國。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術與工業(yè)系統(tǒng)全方位深度融合的產(chǎn)物，是新工業(yè)革命的關鍵支撐和智能制造的重要基石。其本質(zhì)是以機器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人之間的網(wǎng)絡互聯(lián)為基礎，通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實施傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析，實現(xiàn)智能控制、運營優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革，推動、保障工業(yè)智能化的發(fā)展。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以重點從“網(wǎng)絡”、“數(shù)據(jù)”和“安全”三個方面來理解。其中，網(wǎng)絡是基礎，通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術實現(xiàn)工業(yè)全系統(tǒng)的互聯(lián)互通，促進工業(yè)數(shù)據(jù)的充分流動和無縫集成。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡建設中，需要圍繞工業(yè)企業(yè)的業(yè)務發(fā)展需求，充分發(fā)揮我國在信息通信領域的優(yōu)勢，借助工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)和工業(yè)企業(yè)外網(wǎng)的更新?lián)Q代，加快新技術的部署應用，打造國際先進的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡基礎設施，全面提升工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡化水平。

隨著無源光網(wǎng)絡（PON）技術在電信、電力行業(yè)的廣泛應用，工業(yè)PON網(wǎng)絡已成為車間數(shù)據(jù)采集組網(wǎng)技術的一種全新的可選方案。工業(yè)PON解決方案是基于《意見》中工業(yè)網(wǎng)絡指導意見，將先進成熟的光通信 PON技術應用于制造領域的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、生產(chǎn)控制等場景，建設制造車間生產(chǎn)制造自動化和智能化的基礎高速通信網(wǎng)絡，為企業(yè)改造升級調(diào)整最終邁向智能制造打下信息化基礎。

1.2 實施目標

工業(yè)PON網(wǎng)絡系統(tǒng)是在對傳統(tǒng)工業(yè)交換機系統(tǒng)研究基礎之上，結合無源光網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展，推出的一套安全、可靠、融合、先進的綜合解決方案。工業(yè)PON系統(tǒng)是應用在工業(yè)環(huán)境的全光PON網(wǎng)絡系統(tǒng)，是采用光纖傳輸技術的接入網(wǎng)，泛指端局或遠端模塊與用戶之間采用光纖或部分采用光纖做為傳輸媒體的系統(tǒng)，采用基帶數(shù)字傳輸技術傳輸雙向交互式業(yè)務。

工業(yè)PON可以實現(xiàn)現(xiàn)場設備與上層實體（如服務器、SCADA系統(tǒng)等）的連接，支持數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)指令下達、傳感數(shù)據(jù)采集、廠區(qū)視頻監(jiān)控等功能。工業(yè)PON網(wǎng)絡是各種信息集成的基礎通道，是智能制造縱向集成的基礎，基于PON技術的工業(yè)網(wǎng)絡平臺將產(chǎn)品設計研發(fā)、制造生產(chǎn)、銷售、物流、售后各工業(yè)化環(huán)節(jié)融合集成，最終實現(xiàn)企業(yè)CRM、MES、ERP、SCM、SCADA等系統(tǒng)信息的統(tǒng)一控制和管理。

1.3 適用范圍

根據(jù)不同企業(yè)工廠的實際網(wǎng)絡建設情況，工業(yè)PON解決方案適用于各類新建車間和生產(chǎn)線智能制造的信息化建設，也適合于自動化程度不高的企業(yè)進行自動化、數(shù)字化改造，也可針對自動化程度較高需要開展有智能化和新業(yè)務場景的網(wǎng)絡建設。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

本解決方案主要應用于工廠內(nèi)部網(wǎng)絡建設，主要適用于1、2、3、4、5方向，實現(xiàn)底層設備數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)高可靠、高安全、高效率的組網(wǎng)，支持提供工廠內(nèi)有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡，是各種信息集成的基礎通道，是智能制造縱向集成的基礎。

2 需求分析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡包括工廠內(nèi)部網(wǎng)絡和工廠外部網(wǎng)絡，工廠內(nèi)部網(wǎng)絡實現(xiàn)工廠內(nèi)生產(chǎn)裝備、信息采集設備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和人等生產(chǎn)要素的廣泛互聯(lián)；工廠外部網(wǎng)絡實現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)與智能產(chǎn)品、用戶、協(xié)作企業(yè)等工業(yè)全環(huán)節(jié)的廣泛互聯(lián)?！蛾P于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》提出了工業(yè)網(wǎng)絡指導意見。工廠內(nèi)網(wǎng)絡改造的目標是在2018-2020年三年起步階段，初步建成低時延、高可靠、廣覆蓋的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡基礎設施，到本世紀中葉，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡基礎設施全面支撐經(jīng)濟社會發(fā)展。工廠內(nèi)網(wǎng)絡改造的方向是推進工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）化、扁平化、柔性化技術改造和建設部署。工廠內(nèi)網(wǎng)絡改造的模式是支持工業(yè)企業(yè)以IPv6、工業(yè)無源光網(wǎng)絡（PON）、工業(yè)無線等技術改造工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，以IPv6、軟件定義網(wǎng)絡（SDN）以及新型蜂窩移動通信技術對工業(yè)企業(yè)外網(wǎng)進行升級改造。

由于我國工業(yè)企業(yè)發(fā)展水平差異較大，相當一部分企業(yè)特別是中小企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化基礎薄弱，欠缺發(fā)展智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡化協(xié)同等新模式新業(yè)態(tài)的基礎環(huán)境，因此開展工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡改造是首要任務，也是長期任務。通過分步驟、分行業(yè)推進IP化、扁平化、柔性化的技術改造和網(wǎng)絡部署，逐步推進打造先進制造的基礎生產(chǎn)網(wǎng)絡環(huán)境。目前，部分工業(yè)企業(yè)已經(jīng)計劃或正在實施工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)改造升級，在智能設備與業(yè)務分析平臺之間建立網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)智能設備指令數(shù)據(jù)遠程下發(fā)控制及監(jiān)控數(shù)據(jù)采集能力。

在工廠內(nèi)網(wǎng)絡方面，目前工業(yè)以太網(wǎng)是工廠內(nèi)主流的信息承載技術，但工業(yè)以太網(wǎng)在廠區(qū)和車間的局限性也日益凸顯：

1）帶寬提升困難；

2）大量銅線部署和重復投資導致建設成本高；

3）能耗和空間占用高，需要大量電力、空調(diào)供應和機房占地；

4）需要較高的業(yè)務支撐能力，WLAN網(wǎng)絡、語音網(wǎng)絡、辦公網(wǎng)絡，多網(wǎng)并行，網(wǎng)絡維護復雜，對企業(yè)的業(yè)務支撐能力要求高。

5）傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡技術、標準和產(chǎn)品主要集中于少數(shù)發(fā)達國家。

近年來，我國提出了工廠自動化以太網(wǎng)（EPA）、工業(yè)過程/工廠自動化無線網(wǎng)絡（WIA-PA/FA）等技術，但產(chǎn)業(yè)化和商用水平低。同時，國際產(chǎn)業(yè)界也正在關注研究時間敏感網(wǎng)絡（TSN）、工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡（SDN）等新技術。隨著PON技術在電信、電力行業(yè)的廣泛應用，工業(yè)PON網(wǎng)絡已成為車間數(shù)據(jù)采集組網(wǎng)技術的一種全新的可選方案。工業(yè)PON網(wǎng)絡利用多種接口及協(xié)議實現(xiàn)底層設備數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)高可靠、高安全、高效率的組網(wǎng)。工業(yè)PON繼承PON網(wǎng)絡大帶寬、扁平架構、業(yè)務融合等技術優(yōu)勢，并在安全、可靠、易維、接口、環(huán)境適應等方面有所增強，全面適配工業(yè)制造現(xiàn)場要求，成為工業(yè)級網(wǎng)絡連接的優(yōu)選方案。

3 解決方案

3.1 方案介紹

工業(yè)PON處于車間級網(wǎng)絡位置，通過工業(yè)級ONU設備實現(xiàn)光網(wǎng)絡到設備層的連接，通過光分配網(wǎng)絡（ODN），實現(xiàn)工業(yè)設備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等到OLT的匯聚，最終通過OLT與企業(yè)網(wǎng)絡的對接，從而實現(xiàn)產(chǎn)線數(shù)據(jù)到工廠/企業(yè)IT系統(tǒng)的可靠有效地傳輸。

工業(yè)PON是車間級網(wǎng)絡，對生產(chǎn)線設備（如數(shù)控機床）有線網(wǎng)絡覆蓋，同時通過對無線網(wǎng)絡承載實現(xiàn)車間有線無線一體化網(wǎng)絡覆蓋。工業(yè)PON針對工業(yè)各類應用場景，滿足工業(yè)場景下的各種工業(yè)控制總線場景要求，提供工業(yè)場景類型接口?？蔀楣I(yè)控制、信號量監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、語音通信、視頻監(jiān)控等各種業(yè)務應用提供支持。各業(yè)務流通過PON系統(tǒng)上行后，由OLT匯聚上聯(lián)GE/FE接口連接到工廠級網(wǎng)絡，實現(xiàn)智能制造MES、ERP、PLM等系統(tǒng)和下層物理設備的對接，從而實現(xiàn)工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集分析、視頻監(jiān)控等功能。

3.2 系統(tǒng)架構

圖2 工業(yè)PON網(wǎng)絡整體系統(tǒng)架構

3.3 網(wǎng)絡拓撲設計

工業(yè)PON在工業(yè)場景下最常用的組網(wǎng)方式是基于Type D保護方式的手拉手保護鏈型組網(wǎng)和星型組網(wǎng)，實現(xiàn)全光路保護，提高了車間通信網(wǎng)絡的可靠性，為制造企業(yè)的通信可靠性提供了堅實的保障。具體的組網(wǎng)方式可根據(jù)工廠實際情況進行選擇。

工業(yè)PON手拉手保護的鏈型組網(wǎng)示意如下圖：

圖3 工業(yè)PON手拉手保護的鏈型組網(wǎng)示意圖

工業(yè)PON星型組網(wǎng)示意如下圖：

圖4 工業(yè)PON手拉手保護的星型組網(wǎng)示意圖

3.4 功能設計

根據(jù)不同企業(yè)工廠的實際網(wǎng)絡建設情況，工業(yè)PON解決方案適用于各類新建車間和生產(chǎn)線智能制造的信息化建設，也適合于自動化程度不高的企業(yè)進行自動化、數(shù)字化改造，也可針對自動化程度較高需要開展有智能化和新業(yè)務場景的網(wǎng)絡建設。

1）新建廠房、生產(chǎn)車間，或新增生產(chǎn)線，需對機床、機器人、流水線等設備部署信息自動化采集點。

在這種場景下，生產(chǎn)車間需要新建，這種場景的特點是車間內(nèi)沒有以太局域網(wǎng)，需要重新部署網(wǎng)絡。在這種場景下可以完全通過工業(yè)PON網(wǎng)絡搭建車間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，工業(yè)級ONU直接連接機器或數(shù)據(jù)采集設備。通過事先規(guī)劃/現(xiàn)有的智能設備/流水線位置，規(guī)劃布線及ONU放置位置及數(shù)量。通過廠區(qū)內(nèi)工業(yè)PON系統(tǒng)的部署，實現(xiàn)廠區(qū)工業(yè)生產(chǎn)信息或用戶信息的采集、控制業(yè)務的接入承載，為工業(yè)生產(chǎn)中的采集控制終端與業(yè)務層的各個應用系統(tǒng)提供安全可靠的通信連接。

圖5 工業(yè)PON應用場景1示意圖

工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)主要做提取相關數(shù)據(jù)和承載相關軟件用途，需要網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡設備可提供多種接口能力、帶寬高、擴展性強、兼容性好。因此，通過選用工業(yè)PON網(wǎng)絡，采用點到多點結構，在網(wǎng)絡上可以提供多種業(yè)務并集成無線覆蓋。通過PON組網(wǎng)可實現(xiàn)冗余切換，保證了網(wǎng)絡的高可用性和設備的健碩性。

2）原有車間僅部署了近端工業(yè)機床信息化操作，尚未將相關數(shù)據(jù)及控制指令遠程化及自動采集化，車間生產(chǎn)線需要進行加強自動信息化能力。

這種場景的特點是車間生產(chǎn)線已有現(xiàn)場到工位的信息化網(wǎng)絡，但需要將數(shù)據(jù)采集到遠端進行監(jiān)控。在這種場景下可以通過工業(yè)PON網(wǎng)絡搭建車間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，將分散在各個工位的信息化數(shù)據(jù)進行匯聚。由于各個工位/產(chǎn)線已有近端的以太網(wǎng)絡，因此可通過ONU與車間內(nèi)近端布設的以太網(wǎng)交換機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚。

圖6 工業(yè)PON應用場景2示意圖

3）廠區(qū)車間內(nèi)已部署了工業(yè)以太局域網(wǎng)，但是其他拓展業(yè)務，如能源監(jiān)控、視頻安防、WiFi覆蓋等需要部署，需要對多種應用進行網(wǎng)絡安全隔離（物理及邏輯雙重）。

這種場景的特點是車間生產(chǎn)線已有信息化網(wǎng)絡，輔助設備及業(yè)務需要重新部署網(wǎng)絡，在這種場景下可以通過工業(yè)PON網(wǎng)絡連接新的業(yè)務設備，并與原有的工廠工業(yè)以太網(wǎng)隔離。

圖7 工業(yè)PON應用場景3示意圖

基于工業(yè)PON，提供設備聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、能耗管控等應用。

1)設備聯(lián)網(wǎng)

支持提供RS232/RS485、GE/FE工業(yè)現(xiàn)場通信接口，實現(xiàn)PLC設備、數(shù)據(jù)采集器、工位前置機等的I/O控制、數(shù)據(jù)采集、設備集成，以及基于條形碼/RFID的現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集。

2)能耗管控

支持重點用能設備、車間級、工廠級、企業(yè)級的水、電、氣等能源的監(jiān)控，通過智能電表、水表、流量計等智能儀表的新增與改造、工業(yè)總線的連接與上傳，實現(xiàn)能耗的實時監(jiān)控與管理。

3)安防監(jiān)控

通過智能攝像機對前端視頻圖像信號的采集處理，實現(xiàn)對遠程圖像的實時監(jiān)控、錄像、回放、聯(lián)動報警、監(jiān)控策略制定、應急指揮等應用，全面滿足交通、水利、油田、銀行、電信等各個領域的安防監(jiān)控的需求。

3.5 安全及可靠性

1）組網(wǎng)安全

為了提高網(wǎng)絡可靠性和生存性，工業(yè)PON系統(tǒng)中采用光鏈路保護倒換機制。工業(yè)PON光鏈路保護可采用TYPE D方式（雙OLT/單OLT雙PON口，ONU雙PON口，主干光纖、光分路器和配線光纖均雙路冗余）。具體實現(xiàn)方式包括OLT同一PON板內(nèi)同一PON MAC芯片（一個PON MAC芯片支持多個PON口的情況下）、同一PON板內(nèi)不同PON MAC芯片、PON板間和不同OLT間的PON口保護等四種。這種方式支持不同的ONU分別工作于同一/不同OLT的主用和備用PON接口。組網(wǎng)方式可采用星型網(wǎng)絡或者鏈型手拉手保護。

2）設備安全

工業(yè)PON局端設備OLT 的核心控制和交換模塊、電源模塊、管理板、上行板等關鍵板件冗余備份，保證設備穩(wěn)定運行。

當OLT主用主控板在檢測到軟件異常、硬件異常、拔板、網(wǎng)管強制命令倒換等情況下發(fā)生自動倒換，將全部業(yè)務配置倒換到備用主控板。主控板倒換時間小于50ms；支持40ms的Dyinggasp保護；工業(yè)級ONU壽命50年。

3）現(xiàn)場環(huán)境安全

工業(yè)PON系統(tǒng)滿足各種復雜生產(chǎn)制造環(huán)境需要。工業(yè)PON系統(tǒng)為無源系統(tǒng)、適用于生產(chǎn)制造車間強電磁干擾、強振動場景，工業(yè)級ONU設備支持抗強電磁干擾達到EMC 4級、抗強振動、寬高低溫（－40℃～85℃）寬濕度（5％～95％），用戶端口防雷6KV等可滿足各種工業(yè)制造復雜環(huán)境要求。

4）數(shù)據(jù)安全

工業(yè)PON支持三重攪動加密，支持DHCPv4、DHCPv6、DHCPv6-PD用戶認證方式，OLT支持OLT的PON接口與ONU（物理標識或邏輯標識）之間的綁定功能，即特定物理標識或者邏輯標識的ONU只能在特定的PON口上注冊。

5）業(yè)務安全

數(shù)據(jù)業(yè)務側實現(xiàn)完善的數(shù)據(jù)加密功能、業(yè)務優(yōu)先級保護和防攻擊保護。支持多種VLAN，支持工廠各種專網(wǎng)隔離。

4 成功案例

本解決方案已經(jīng)在徐州重型機械有限公司進行實施。徐州重型機械有限公司占地60萬平方米，建筑面積40萬平方米，年制造能力15000臺，是中國大型臂架機械行業(yè)標志性企業(yè)。

圖8 徐州重型機械有限公司車間

4.1 新建網(wǎng)絡訴求

? 滿足生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場可視化規(guī)劃需求；

? 模組機床和智能設備聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃需求；

? 滿足智能物流、數(shù)字監(jiān)控、可視化調(diào)度中心等功能需求；

? 生產(chǎn)現(xiàn)場將以有線網(wǎng)絡為主無線網(wǎng)絡為輔（布線困難地方采用無線網(wǎng)絡作為補充）；

4.2 布點需求預估

表1企業(yè)布點需求

4.3 新建工業(yè)PON網(wǎng)絡優(yōu)勢

? 實現(xiàn)了網(wǎng)絡扁平化

全光纖組網(wǎng)，采用二層扁平架構，實現(xiàn)彈性擴容。

? 滿足了多業(yè)務承載

支持多業(yè)務接口，滿足智能制造生產(chǎn)控制、數(shù)據(jù)采集、無線專網(wǎng)承載、行政辦公各種應用場景。

? 提高了網(wǎng)絡穩(wěn)定性

抗電磁干擾能力強，采用無源設備，組網(wǎng)簡單，提高了網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

? 達到了千兆高帶寬

實現(xiàn)低時延、大流量，滿足承載工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、無線承載等各種業(yè)務工廠實際應用需求。

? 增強了網(wǎng)絡安全性

通過雙路光纖保護、雙機熱備、工業(yè)級ONU滿足了廠區(qū)安全性要求。

4.4 新建工業(yè)PON網(wǎng)絡預估成效

表2企業(yè)布點需求