智能工廠IT/OT網絡融合
北京恩易通技術發展有限公司
網絡改造技術篇/成熟技術/工廠內網改造
1 概述
1.1 背景
隨著工業4.0概念的火熱以及“中國制造2025”行動綱領的提出，越來越多的新技術、新概念呈現在我們面前。其中“智能制造”“柔性制造”“個性化定制”是被提及最多的幾個，同時這也是各大制造廠商升級和轉型中的重點方向。那么，提到以上這些新興名詞時，就不得不提多年以來不變的一個話題，也是制造廠商一直的痛點：“IT和OT的融合”，由于現有以太網技術的局限性，使得自動化工廠面臨一個尷尬的局面就是IT和OT 不能完全融合在一起。而隨著工業4.0的步伐越走越快，IT和OT的融合又是一個不可避免的形勢。因此，如何將IT和OT很好的融合，成了擺在各個做工廠自動化的廠商面前的一個問題。
1.1.1 IDN網絡定義
那什么是IDN網絡？在解釋這個問題前，我們要先提出一個全新的概念：EOE (Ethernet over Ethernet）假如我們將通信看成在公路上開車,傳統的以太網只標記這輛車（網絡接入設備）,但EOE網絡將車和路（交換機）都進行了標記。應用EOE技術實現的網絡就是智確定性網絡IDN(Intelligent Deterministic Network)。
圖1 EOE數據幀格式
1.1.2 IDN網絡工作原理
IDN網絡工作原理流程如圖2：
圖2 IDN網絡工作原理流程
工作過程：SW模塊數據傳輸上來后首先會添加EOE私有幀頭，然后會對其進行校驗，校驗失敗，會丟棄此數據，校驗通過后，轉給判斷模塊，判斷模塊對私有幀頭部分進行判斷，來決定數據的去向。
判斷模塊的邏輯框圖如下：
圖3 判斷模塊的邏輯框圖
IDN網絡的通訊邏輯：標準的數據幀從交換機模塊送入，上EOE網絡前會加上私有的8個字節的幀頭組成私有協議的幀，向判斷模塊發出請求，由判斷模塊給出判斷結果，再由轉發模塊發向環網模塊的兩個端口。
1.1.3 IDN與現有實時網絡對比
表1 IDN與TSN網絡對比
對比項 | IDN網絡 | TSN網絡 | 區別 |
在IOS七層結構中的位置 | 第二層,數據鏈路層 | 第二層,數據鏈路層 | IDN與TSN相同，也僅是對MAC層定義。區別在于需重新定義的范圍，TSN需重新定義MAC的設備是所有設備，包括發數據送端、交換機、數據接受端。 IDN僅重新定義交換機的MAC層，數據發送與接受不需要重新定義。 |
核心任務 | （1）IDN的核心是“智能路由”，時鐘同步不是必須前提。但IDN為用戶提供時鐘同步解決方案。 （2）IDN通過通道機制實現高帶寬與低時延 （3）IDN將路由算法集成到交換機的芯片中，用戶系統實現“零”配置 | 1）.所有通信問題均基于時鐘，確保時鐘同步精度是最為基礎的問題，TSN工作組開發基于IEEE1588的時鐘 （2）.數據調度機制：為數據的傳輸制定相應的機制，以確保實現高帶寬與低延時的網絡傳輸。 （3）.系統配置方法與標準，為了讓用戶易于配置網絡 | IDN技術體系不依賴于對時系統，對于以往沒有對時功能的用戶系統，易用性大大增強。 用戶終端也不用為了配合TSN的調度算法而增加接入模塊以及業務流程修改。 |
組網結構 | 任意組網 | 目前仍是傳統的二層組網；如星型，總線型，環型 | 就目前TSN形成的標準來看，并沒有增加二層組網能力的描述，集成傳統二層組網的局限性。 IDN的智能路打破組網的局限性，可以任意組網。在用戶系統中，可以根據實際設備的布置、距離、要求，靈活調整。 |
精準時間同步 | 用戶接口是B碼接入、輸出。 支持冗余路徑以及冗余主站 | 基于1588對時方式（IEEE802.1ASrev-） 增加對聚合鏈路的支持以及冗余路徑和冗余主站 | 1588協議是相當復雜的協議，用戶需要一定的研發實力以及投入才能完成。并且1588需要硬件的支持，提高設備成本。 B碼對時已普遍應用，可直接集成成熟模塊，基本沒有研發投入。 |
確定性網絡實現 | 通道機制 | IEEE802.1Qbv時間感知隊列；IEEE802.1Q bu & IEEE802.3br轉發與隊列機制 時間調度表 | TSN:簡單說，就是說有設備先把時間調整到一致，仲裁機構為所有設備分發時間表。設備只有在被安排的時間段才能發數據。 當高優先級的數據與低優先級設備碰撞時，低優先級的數據將被丟棄，然后重發。 IDN：在數據進入到網絡之前，已經被放入不同的通道；快速通道的數據可以截斷普通通道數據，快速數據在網絡中所有節點都沒有等待、排隊的時間，所有時延以及抖動是可以保障的。 與TSN不同是，普通通道的數據雖然被截斷，但不需要重發，碎片將在鄰近的交換機進行重組，不浪費帶寬以及普通數據的性能。 |
數據冗余 | 多路徑傳輸方式，不止2條路徑，實現零自愈 | IEEE802.1CB冗余數據傳輸 雙路徑（HSR、PRP）傳輸方式 實現零自愈 | TSN的時間調度機制與雙路徑HSRPRP的結合方式還沒有明確的方法，只提了一個方向，能否完美實現還需大量驗證。 IDN不是簡單雙路徑，而是多路徑。雙路徑只能用在單一環網上，不需要智能路由算法；多路徑可應用在所有組網拓撲上，需要完備的智能路由算法。 |
1.2 實施目標
在傳統的以太網中，IT和OT并非整的不可以融合的，而是工廠“不敢”把IT和OT融合到一起。原因是傳統網絡是以“盡力服務”的方式在工作的，在融合后會產生一些工廠不可以接受的弊端。例如，IT的數據流量會影響到OT的控制系統。眾所周知，在一個工廠中，控制系統是整個工廠的生命線，任何情況下，任何數據都不可以影響到工廠的控制系統。
在“個性化定制”的家電新模式下，將產品制造與用戶聯起來，讓用戶全流程參與需求交互、產品設計、生產制造、物流交付等產品全過程，在這種體系下用戶"既是消費者也是設計者、生產者"，用戶“個性化”與制造“規模化”之間的矛盾自然也迎刃而解。而在這個用戶自定義的過程中，工業以太網環節可以說起著舉足輕重的作用，用戶從自己設計，到車間下料生產，再到產品出廠送到用戶手中，這個過程一定是實時而且準確的。那么這就要求現場生產時要考上層的軟件去控制的，也就是我們所提的IT和OT的融合問題。
1.3 適用范圍
IDN網絡適用于任何以以太網為數據載體的系統內，在網絡架構比較大的情況先IDN網絡優勢會更加的明顯，在數據“確定性”“安全性”要求較高或者很高的網絡中IDN網絡幾乎是不可替代的。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
圖4 工業互聯網互聯示意圖
在圖4中，此解決方案屬于1、5、6的范圍。方案主要的硬件組成有：工業以太網交換機、總線交換機、服務器以及數據采集、顯示軟件。工業以太網交換機和總線交換機負責將IT數據和OT的數據接入到服務器或工廠云服務器（工廠云）中，進行數據處理、存儲以及數據顯示。實現IT和OT的融合。
2 需求分析
用戶需求：工廠IT和OT的融合，是工業4.0的必然趨勢。然而，傳統的解決方案，無法實現IT和OT的融合，如前面提到的現有網絡的機制問題，想要實現工廠自動化IT和OT的融合，必然是出現新的技術才能實現的。那么，IDN網絡就是這樣的創新，就是迎著工業4.0的大風，楊帆起航的帆船。
3 解決方案
3.1 方案介紹
在工業現場，IT和OT的融合，存在著諸多的挑戰和壁壘，想要突破這些壁壘，現有的技術是行不通的，所以必定要用新的技術來實現。那么，IDN網絡在IT和OT融合的解決具有很大的優勢，這也是現在自動化工廠轉型所真正需要的網絡架構。
IDN網絡，具備6項特征：
1) 雙通道機制：確保IT和OT的數據互不影響，并可以協同工作，達到融合的目的。
2) 數據傳輸多路徑：確保整個網絡數據多條路徑可達，在某條路徑，或多條路徑出現問題時不影響設備的正常工作。
3) 精準對時作為網絡服務無處不在、無時不在：為工業大數據所采集的信息加了一個時間的維度，這在數據分析意義重大。
4) 整體網絡趨向二層傳輸，提升網絡效率：提高網絡的帶寬，給工廠提供更有效的網絡服務。
5) 復雜的拓撲：讓工廠的網路更加安全可靠。
6) 零配置組網：讓工廠的施工更加簡單易用。
以上的這些網絡的特性，是現有網絡所不完全具備的，因此要想實現真正的網絡融合，網絡的這些特性是必不可少的。有了IDN網絡讓廠商做工廠自動化的IT和OT的融合成為了可能。因此，中國制造2025、“智能制造”“柔性制造”“個性化定制”就在我們的眼前了。
3.2 網絡拓撲設計
圖5 網絡架構
如圖所示，IT層的網絡和OT層的網絡通過IND網絡融合到了一起，就網絡架構觀察，整個網絡方案不僅提供了線路冗余，同時也提供了設備冗余。
3.3 功能設計
OT的數據有很多為PLC的控制數據，對網絡的要求相對很高，那么它在IDN網絡中的優先級可以設為“快速數據”，這樣它在IND的網絡中將“暢通無阻”，經過每一條交換機的時延在0.8us到3us之間。而IT的數據，是相對對確定性要求不那么高的數據，但是IDN網絡在保證“快速數據”確定的情況下，不影響IT數據的工作。
復雜的網絡拓撲，讓網絡的可靠性大大的增加，數據多路徑的傳輸，讓數據幾乎可以說是零丟失的。如此復雜的網絡是由全二層的網絡搭建成的，這在業界更是“不可思議”的事情，這位客戶節省了布置網絡的成本。
組網的零配置，使工廠的網絡建設再也沒有難度，不需要專業的網絡工程師，只要電工就可以為您組一套這樣的安全、可好、實用的網絡。
3.4 網絡安全
網絡安全一直是工業互聯網火熱的話題之一，IND網絡提供了白名單鎖定的安全保護機制，在工業現場布置完成之后，工廠網絡趨于穩態，可以將用戶認證過的MAC地址加入到白名單中，然后鎖定交換機的白名單，這樣，除去這些認證過的MAC地址的數據可以上IDN網絡以外，其他沒有認證的數據統統丟掉。
4 成功案例
圖6 海爾滾筒洗機生產工廠網絡拓撲
海爾滾筒洗機工廠，廠區的網絡采用了IDN技術的IND網絡，實現了IT和OT的融合，在不影響生產的情況下，辦公網和MES以及視頻服務器都在互聯互通。
采用IND網絡給海爾工廠帶來的好處是，在原有3套網絡的方案，縮減為1套網。多網的融合，讓MES系統更加實時的計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理。