1 概述
1.1 背景
推動互聯網與工業融合創新，驅動工業網絡化、數字化、智能化發展，是我國制造行業未來發展的主流方向。隨著制造業規模的日趨壯大，傳統的工廠內網絡性能、穩定性、維護成本、業務改造升級等方面已經逐漸無法跟上制造業本身的發展步伐。同時，工業設備種類繁雜、工業通信協議格式各異，協議承載和分析的成本巨大，工業企業急需靈活、智能的協議分析解決方案。隨著智能制造云化、邊緣計算等新興技術方案的興起，搭建一張實現從現場總線到云端平臺的端到端網絡，實現智能制造所涉及的各類生產元素之間的互聯互通，是廣大制造業企業實現智能制造的基礎條件。
工業PON技術相比傳統以太網交換機技術，是一套全新的安全、可靠、融合、先進的工業網絡綜合解決方案，是工廠內車間數據采集組網的全新方案。同時，在工業協議轉換方面，工業中各種生產線的協議多達上百種，這些協議不可能都提前預裝到設備上，工業數據采集網關須以靈活的方式按需升級/安裝支持各類協議轉換，才能適應各種生產線的快速安裝上線需求。
1.2 實施目標
基于現有已在公眾客戶接入網中廣泛應的PON技術，中國電信將PON技術推廣應用到工業制造業領域中，為工業企業提供一張高質量/高可靠/高安全性的通信網絡，提供各種工業接口和工業協議對接支持，實現工廠各種工業設備的互聯，以及工廠辦公及和監控網絡的融合承載，打通工廠生產管理網絡到生產車間/現場網絡之間的屏障，提升全流程生產效率、提高質量、降低成本，提高生產管理的效率和生產制造的智能化水平，達到改進行業各環節生產質量、提升行業全流程生產效率、提高全產業鏈協作效能的戰略目標。
1.3 適用范圍
本解決方案，適用于承載不同企業規模的離散型、流程型制造業的各類工廠內網絡業務。通過工業PON終端設備提供工業場景下的不同類型物理接口，可為工業控制、信號量監控、數據傳輸、語音通信、視頻監控、無線網絡承載等各種業務應用提供支持。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
圖2-1 工業互聯網互聯示意圖
本解決方案位于工業互聯網體系架構中的智能工廠范圍內，如圖2-1所示，具體處于圖中1和4所示的位置，作為工廠內車間級網絡，實現工廠控制系統與智能機器之間的互聯和數據采集匯聚、多個智能機器之間的互聯互通等功能。
2 需求分析
隨著我國企業制造業水平的提升，傳統的基于以太網技術的工廠內網絡，在網絡性能、穩定性、維護成本、業務改造升級等方面，以及無法滿足企業用戶的應用需求，同時，隨著企業規模的擴大，工業設備種類進一步增多，各廠商的工業設備通信協議各異，協議數據分析和解析的成本巨大，企業急需一種新型的工廠內有線承載網絡，滿足性能、穩定性和成本等方面的需求，同時實現有效的工業協議解析轉換功能，提升企業生產制造效率。
目前基于以太網技術的工廠內網絡解決方案，在網絡性能、安全性、穩定性、可擴展性等方面難以滿足企業的發展需求，同時缺乏相應的工業協議轉換和解析功能，需要配備單獨的工業數據采集分析網關，網絡層級較為復雜，同時成本難以有效降低。
3 解決方案
3.1 方案介紹
基于PON技術的工業互聯網工廠內網絡解決方案，提供了一套符合各類工業場景指標需求、提供工業協議采集轉換開放平臺的工廠內網絡連接綜合解決方案，滿足各種行業、各類規模企業的網絡應用需求。
工業PON技術基于廣泛應用部署的公眾網絡PON技術，在技術成熟度、產業鏈可控性、規模成本等方面具備優勢。同時，針對工業場景的環境指標、性能功能、物理接口、安全性、網絡可用性等方面的個性化需求，對PON設備進行針對性研發和優化，全面滿足工業場景下的各類能力要求。
3.2 系統架構
基于PON技術的工業互聯網工廠內網絡解決方案，由局端設備OLT、終端設備ONU以及用于連接和匯聚ONU設備的點到多點結構的無源光分配網絡組成（見圖2-2）。
圖2-2 工業PON設備在工廠內網絡中的位置
根據客戶企業的部署和改造需求，工業PON目前提供了兩種整體解決方案，分別為工業數據采集功能和設備外置的工業PON解決方案（以下簡稱工業PON1.0），以及工業數據采集功能和設備內置的工業PON解決方案（以下簡稱工業PON2.0）。兩者在其他能力指標方面對于工業場景均進行了針對性優化和提升。
3.3 網絡拓撲設計
工業PON1.0的網絡拓撲架構如圖2-3所示。
圖2-3 工業PON1.0的網絡拓撲架構示意圖
工業PON2.0的網絡拓撲架構如圖2-4所示。
圖2-4 工業PON2.0的網絡拓撲架構示意圖
3.4 功能設計
工業PON1.0和工業PON2.0的功能設計表2-1所示，在滿足工業場景下特殊能力要求的同時，針對工數據采集和協議解析轉換功能的實現，提供了差異化的解決方案，滿足了不同企業不同應用場景的部署需求。
表2-1 工業PON1.0和工業PON2.0的功能設計
工業PON1.0 | 工業PON2.0 | |
共性功能 | 1. 工業級環境適應能力可在惡劣的工業環境下長期穩定工作，具備自然散熱式，寬溫域、低功耗、靜音設計、高防護等級等特點，并應符合工業相關標準； 2. 強大的工業接口接入能力。支持多種工業標準的物理接口，如GE/FE/RS232/RS485/DI/DO/CAN等； 3. 提供各種類型保護倒換功能，實現業務快速恢復； | |
個性化功能 | 1. 支持通過外接工業數據采集網關，實現工業協議解析能力； | 1. 支持工業協議解析能力，包括Modbus、PPI、MPI、CNC等;總線協議：CAN、Profibus等； 2. 支持對工業云平臺或應用系統的協議對接能力； |
3.5 安全及可靠性
PON技術本身在安全性和可靠性方面，相比傳統以太網技術，具備明顯優勢。
1) 安全認證功能：承載以太網數據包，下行采用點對多點廣播方式（TDM），上行采用時分多址接入技術（TDMA ）；每個ONU需向OLT安全注冊；
2) 數據安全性：在OLT和ONU之間，可通過三重攪動等加密方式進行下行加密，保證數據安全性；
3) 傳輸可靠性：全程傳輸采用無源光器件，不需電源，不受供電影響；
4) 網絡自愈保護機制：支持Type A-D多種保護倒換方案，提供不同等級的網絡自愈能力；
5) 抗多點失效能力：抵抗能力強，由于PON網絡為無源網絡且每個ONU為并聯結構，節點間保持獨立工作，即時多個節點同時失效，其余光節點仍能保持正常通信。
4 成功案例
某國內知名汽車配件研發生產公司部署工業PON案例分析。
4.1 項目背景及客戶需求
XX股份有限公司是國內專業從事高端汽車電子零部件電磁元器件制造和技術研發的企業。用戶希望通過建設車間工業互聯網實現車間生產全基礎數據的采集，匯聚到車間SCADA系統為MES系統提供數據支撐。
車間工業互聯網覆蓋了生產物料信息采集、設備數據采集、生產工藝信息采集、人員信息采集、產品品質信息采集和車間工況信息采集等。其中設備數據采集是需要突破的難點，涉及到Modbus TCP、Modbus RTU、MQTT、三菱485BD協議、西門子PPI協議、西門子Profinet協議和串口自定義協議等十余種協議，需要實現全廠包含：注塑機、插針機、繞線機、熔接機、特性檢測機、熔接組裝機、折彎機、激光焊接特性檢測機、壓裝機、熔接視像檢查設備和光纖激光打標機在內的全廠百余種設備的數據采集。
4.2 工業PON技術方案
中國電信提供了工業PON網絡方案，通過工業PON網關實現設備的數據采集和高速傳輸，實現數據中心和設備的直連，通過設備、系統間的互聯與數據采集，通過在工業互聯網云平臺的構建與數據匯聚，使生產設備可視化，提升產品質量。同時克服了現場焊接機等高輻射設備對信息傳輸的干擾。
圖2-5 工業PON網絡部署
圖2-6 工廠生產設備側部署ONU
4.3 工業PON優勢
1) 實時性確定，保障相對較強，PON網絡下行采用TDM，上行采用TDMA技術，在網絡負荷相對較大下，可保障帶寬實時性。
2) 網絡支持點到多點，靈活網絡擴展，最大支持1：32。
3) 全程傳輸不需電源，不受供電影響；純介質網絡，不受電磁干擾和雷電影響。
4) 傳輸延遲時延短，所有ONU呈現并聯關系，只需分光，沒有經過ONU，未經過光電、電光轉換環節，整個環路時延時間可控。
5) 抵抗能力強，由于PON網絡為無源且并聯，即時多個節點同時失效，環路網上其余光節點仍能保持正常通信。
4.4 項目實施價值
通過工業PON網絡實現了工廠設備的全連接，在工廠設備側部署ONU集成了數據采集和協議轉換的能力，使得數據采集更加高效，在設備側實現了數據互聯互通。在此基礎上數據通過分析和計算提升了生產的效率，提高了產品的質量，方便了對生產設備和訂單的管理。
1) 實現了車間可視化管理，對設備、產品和生產過程進行了有效的管理，提高設備利用率和減少設備故障率，提升車間生產效率和降低生產能耗。
2) 實現了產品品質化管理，質量判定中能夠實現及時的將不良產品剔除，將不良原因、不良數量記錄下來，判定為重大不良，或者某一時間段內不良率達到設定警戒線時，可提示停止生產，進行現場檢查、整頓。
3) 實現了設備優化管理，通過開機時間、故障停機時間、維修點檢時間等因素計算設備的使用效率，通過分析設備的空閑與忙碌的時間，尋找設備的最大化使用效率。
4) 實現了生產訂單，MES系統填寫和調整生產訂單，訂單數據按照生產模型分配到不同的設備，現場的終端看板可同步查詢。