基于工業PON的智慧工廠內網建設
中國聯合網絡通信有限公司江蘇省分公司
網絡改造技術篇/成熟技術/工廠內網改造
1 概述
1.1 背景
2017年10月30日，國務院常務會審議通過《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》。《意見》指出，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絡強國建設為目標，圍繞推動互聯網和實體經濟深度融合，增強工業互聯網產業供給能力，持續提升我國工業互聯網發展水平，形成實體經濟與網絡相互促進、同步提升的良好格局，推動實體經濟轉型升級，打造制造強國、網絡強國。
工業互聯網是新一代信息技術與工業系統全方位深度融合的產物，是新工業革命的關鍵支撐和智能制造的重要基石。其本質是以機器、原材料、控制系統、信息系統、產品以及人之間的網絡互聯為基礎，通過對工業數據的全面深度感知、實施傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析，實現智能控制、運營優化和生產組織方式變革，推動、保障工業智能化的發展。
工業互聯網可以重點從“網絡”、“數據”和“安全”三個方面來理解。其中，網絡是基礎，通過物聯網、互聯網等技術實現工業全系統的互聯互通，促進工業數據的充分流動和無縫集成。在工業互聯網網絡建設中，需要圍繞工業企業的業務發展需求，充分發揮我國在信息通信領域的優勢，借助工業企業內網和工業企業外網的更新換代，加快新技術的部署應用，打造國際先進的工業互聯網網絡基礎設施，全面提升工業企業的網絡化水平。
隨著無源光網絡（PON）技術在電信、電力行業的廣泛應用，工業PON網絡已成為車間數據采集組網技術的一種全新的可選方案。工業PON解決方案是基于《意見》中工業網絡指導意見，將先進成熟的光通信 PON技術應用于制造領域的數據采集、監測、生產控制等場景，建設制造車間生產制造自動化和智能化的基礎高速通信網絡，為企業改造升級調整最終邁向智能制造打下信息化基礎。
1.2 實施目標
工業PON網絡系統是在對傳統工業交換機系統研究基礎之上，結合無源光網絡通訊技術的發展，推出的一套安全、可靠、融合、先進的綜合解決方案。工業PON系統是應用在工業環境的全光PON網絡系統，是采用光纖傳輸技術的接入網，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，采用基帶數字傳輸技術傳輸雙向交互式業務。
工業PON可以實現現場設備與上層實體（如服務器、SCADA系統等）的連接，支持數據采集、生產指令下達、傳感數據采集、廠區視頻監控等功能。工業PON網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技術的工業網絡平臺將產品設計研發、制造生產、銷售、物流、售后各工業化環節融合集成，最終實現企業CRM、MES、ERP、SCM、SCADA等系統信息的統一控制和管理。
1.3 適用范圍
根據不同企業工廠的實際網絡建設情況，工業PON解決方案適用于各類新建車間和生產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進行自動化、數字化改造，也可針對自動化程度較高需要開展有智能化和新業務場景的網絡建設。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
圖1 工業互聯網互聯示意圖
本解決方案主要應用于工廠內部網絡建設，主要適用于1、2、3、4、5方向，實現底層設備數據傳輸及數據采集，可實現高可靠、高安全、高效率的組網，支持提供工廠內有線網絡、無線網絡，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
工業互聯網網絡包括工廠內部網絡和工廠外部網絡，工廠內部網絡實現工廠內生產裝備、信息采集設備、生產管理系統和人等生產要素的廣泛互聯；工廠外部網絡實現生產企業與智能產品、用戶、協作企業等工業全環節的廣泛互聯。《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》提出了工業網絡指導意見。工廠內網絡改造的目標是在2018-2020年三年起步階段，初步建成低時延、高可靠、廣覆蓋的工業互聯網網絡基礎設施，到本世紀中葉，工業互聯網網絡基礎設施全面支撐經濟社會發展。工廠內網絡改造的方向是推進工業企業內網的IP（互聯網協議）化、扁平化、柔性化技術改造和建設部署。工廠內網絡改造的模式是支持工業企業以IPv6、工業無源光網絡（PON）、工業無線等技術改造工業企業內網，以IPv6、軟件定義網絡（SDN）以及新型蜂窩移動通信技術對工業企業外網進行升級改造。
由于我國工業企業發展水平差異較大，相當一部分企業特別是中小企業的數字化、網絡化基礎薄弱，欠缺發展智能化生產、網絡化協同等新模式新業態的基礎環境，因此開展工業企業內網絡改造是首要任務，也是長期任務。通過分步驟、分行業推進IP化、扁平化、柔性化的技術改造和網絡部署，逐步推進打造先進制造的基礎生產網絡環境。目前，部分工業企業已經計劃或正在實施工業企業內網改造升級，在智能設備與業務分析平臺之間建立網絡聯網，從而實現智能設備指令數據遠程下發控制及監控數據采集能力。
在工廠內網絡方面，目前工業以太網是工廠內主流的信息承載技術，但工業以太網在廠區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、空調供應和機房占地；
4）需要較高的業務支撐能力，WLAN網絡、語音網絡、辦公網絡，多網并行，網絡維護復雜，對企業的業務支撐能力要求高。
5）傳統工業現場總線、工業以太網等網絡技術、標準和產品主要集中于少數發達國家。
近年來，我國提出了工廠自動化以太網（EPA）、工業過程/工廠自動化無線網絡（WIA-PA/FA）等技術，但產業化和商用水平低。同時，國際產業界也正在關注研究時間敏感網絡（TSN）、工業軟件定義網絡（SDN）等新技術。隨著PON技術在電信、電力行業的廣泛應用，工業PON網絡已成為車間數據采集組網技術的一種全新的可選方案。工業PON網絡利用多種接口及協議實現底層設備數據傳輸及數據采集，可實現高可靠、高安全、高效率的組網。工業PON繼承PON網絡大帶寬、扁平架構、業務融合等技術優勢，并在安全、可靠、易維、接口、環境適應等方面有所增強，全面適配工業制造現場要求，成為工業級網絡連接的優選方案。
3 解決方案
3.1 方案介紹
工業PON處于車間級網絡位置，通過工業級ONU設備實現光網絡到設備層的連接，通過光分配網絡（ODN），實現工業設備數據、生產數據等到OLT的匯聚，最終通過OLT與企業網絡的對接，從而實現產線數據到工廠/企業IT系統的可靠有效地傳輸。
工業PON是車間級網絡，對生產線設備（如數控機床）有線網絡覆蓋，同時通過對無線網絡承載實現車間有線無線一體化網絡覆蓋。工業PON針對工業各類應用場景，滿足工業場景下的各種工業控制總線場景要求，提供工業場景類型接口。可為工業控制、信號量監控、數據傳輸、語音通信、視頻監控等各種業務應用提供支持。各業務流通過PON系統上行后，由OLT匯聚上聯GE/FE接口連接到工廠級網絡，實現智能制造MES、ERP、PLM等系統和下層物理設備的對接，從而實現工業控制、數據采集分析、視頻監控等功能。
3.2 系統架構
圖2 工業PON網絡整體系統架構
3.3 網絡拓撲設計
工業PON在工業場景下最常用的組網方式是基于Type D保護方式的手拉手保護鏈型組網和星型組網，實現全光路保護，提高了車間通信網絡的可靠性，為制造企業的通信可靠性提供了堅實的保障。具體的組網方式可根據工廠實際情況進行選擇。
工業PON手拉手保護的鏈型組網示意如下圖：
圖3 工業PON手拉手保護的鏈型組網示意圖
工業PON星型組網示意如下圖：
圖4 工業PON手拉手保護的星型組網示意圖
3.4 功能設計
根據不同企業工廠的實際網絡建設情況，工業PON解決方案適用于各類新建車間和生產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進行自動化、數字化改造，也可針對自動化程度較高需要開展有智能化和新業務場景的網絡建設。
1）新建廠房、生產車間，或新增生產線，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，生產車間需要新建，這種場景的特點是車間內沒有以太局域網，需要重新部署網絡。在這種場景下可以完全通過工業PON網絡搭建車間內的數據采集網絡，工業級ONU直接連接機器或數據采集設備。通過事先規劃/現有的智能設備/流水線位置，規劃布線及ONU放置位置及數量。通過廠區內工業PON系統的部署，實現廠區工業生產信息或用戶信息的采集、控制業務的接入承載，為工業生產中的采集控制終端與業務層的各個應用系統提供安全可靠的通信連接。
圖5 工業PON應用場景1示意圖
工業生產網主要做提取相關數據和承載相關軟件用途，需要網絡覆蓋范圍廣、網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PON網絡，采用點到多點結構，在網絡上可以提供多種業務并集成無線覆蓋。通過PON組網可實現冗余切換，保證了網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機床信息化操作，尚未將相關數據及控制指令遠程化及自動采集化，車間生產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線已有現場到工位的信息化網絡，但需要將數據采集到遠端進行監控。在這種場景下可以通過工業PON網絡搭建車間內的數據采集網絡，將分散在各個工位的信息化數據進行匯聚。由于各個工位/產線已有近端的以太網絡，因此可通過ONU與車間內近端布設的以太網交換機連接，實現數據的匯聚。
圖6 工業PON應用場景2示意圖
3）廠區車間內已部署了工業以太局域網，但是其他拓展業務，如能源監控、視頻安防、WiFi覆蓋等需要部署，需要對多種應用進行網絡安全隔離（物理及邏輯雙重）。
這種場景的特點是車間生產線已有信息化網絡，輔助設備及業務需要重新部署網絡，在這種場景下可以通過工業PON網絡連接新的業務設備，并與原有的工廠工業以太網隔離。
圖7 工業PON應用場景3示意圖
基于工業PON，提供設備聯網、視頻監控、能耗管控等應用。
1)設備聯網
支持提供RS232/RS485、GE/FE工業現場通信接口，實現PLC設備、數據采集器、工位前置機等的I/O控制、數據采集、設備集成，以及基于條形碼/RFID的現場數據實時采集。
2)能耗管控
支持重點用能設備、車間級、工廠級、企業級的水、電、氣等能源的監控，通過智能電表、水表、流量計等智能儀表的新增與改造、工業總線的連接與上傳，實現能耗的實時監控與管理。
3)安防監控
通過智能攝像機對前端視頻圖像信號的采集處理，實現對遠程圖像的實時監控、錄像、回放、聯動報警、監控策略制定、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控的需求。
3.5 安全及可靠性
1）組網安全
為了提高網絡可靠性和生存性，工業PON系統中采用光鏈路保護倒換機制。工業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）。具體實現方式包括OLT同一PON板內同一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。組網方式可采用星型網絡或者鏈型手拉手保護。
2）設備安全
工業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、網管強制命令倒換等情況下發生自動倒換，將全部業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；工業級ONU壽命50年。
3）現場環境安全
工業PON系統滿足各種復雜生產制造環境需要。工業PON系統為無源系統、適用于生產制造車間強電磁干擾、強振動場景，工業級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等可滿足各種工業制造復雜環境要求。
4）數據安全
工業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）業務安全
數據業務側實現完善的數據加密功能、業務優先級保護和防攻擊保護。支持多種VLAN，支持工廠各種專網隔離。
4 成功案例
本解決方案已經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標志性企業。
圖8 徐州重型機械有限公司車間
4.1 新建網絡訴求
? 滿足生產作業現場可視化規劃需求；
? 模組機床和智能設備聯網規劃需求；
? 滿足智能物流、數字監控、可視化調度中心等功能需求；
? 生產現場將以有線網絡為主無線網絡為輔（布線困難地方采用無線網絡作為補充）；
4.2 布點需求預估
表1企業布點需求
序號 | 區域名稱 | 數據信息點位數 | 語音信息點位數 | 24GE+24POTS口ONU | 4GE+4串口ONU |
1 | 辦公樓 | 1883 | 1226 | 79 | 0 |
2 | 工程中心 | 349 | 135 | 15 | 0 |
3 | 零部件分廠 | 372 | 237 | 12 | 23 |
4 | 總計 | 2604 | 1598 | 106 | 23 |
4.3 新建工業PON網絡優勢
? 實現了網絡扁平化
全光纖組網，采用二層扁平架構，實現彈性擴容。
? 滿足了多業務承載
支持多業務接口，滿足智能制造生產控制、數據采集、無線專網承載、行政辦公各種應用場景。
? 提高了網絡穩定性
抗電磁干擾能力強，采用無源設備，組網簡單，提高了網絡穩定性。
? 達到了千兆高帶寬
實現低時延、大流量，滿足承載工業控制、數據采集、無線承載等各種業務工廠實際應用需求。
? 增強了網絡安全性
通過雙路光纖保護、雙機熱備、工業級ONU滿足了廠區安全性要求。
4.4 新建工業PON網絡預估成效
表2企業布點需求
對比項 | 工業PON建成前 | 工業PON建成后 |
網絡 | 區域覆蓋差、網速慢 | 全覆蓋、網速快 |
終端機數量 | 整個車間只有幾臺能正常使用 | 每個工位至少一臺 |
MES報工方式 | 空閑時間集中報工 | 實時報工 |
關重件采集支持 | 空閑時間集中采集 | 實時采集 |
現場看圖、通知支持 | 借閱紙質圖紙、通知 | 可在生產現場隨時查看 |