1 概述
1.1 背景
推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新，驅(qū)動(dòng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展，是我國(guó)制造行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主流方向。隨著制造業(yè)規(guī)模的日趨壯大，傳統(tǒng)的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性、維護(hù)成本、業(yè)務(wù)改造升級(jí)等方面已經(jīng)逐漸無(wú)法跟上制造業(yè)本身的發(fā)展步伐。同時(shí)，工業(yè)設(shè)備種類繁雜、工業(yè)通信協(xié)議格式各異，協(xié)議承載和分析的成本巨大，工業(yè)企業(yè)急需靈活、智能的協(xié)議分析解決方案。隨著智能制造云化、邊緣計(jì)算等新興技術(shù)方案的興起，搭建一張實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)總線到云端平臺(tái)的端到端網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能制造所涉及的各類生產(chǎn)元素之間的互聯(lián)互通，是廣大制造業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)條件。
工業(yè)PON技術(shù)相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)，是一套全新的安全、可靠、融合、先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)綜合解決方案，是工廠內(nèi)車間數(shù)據(jù)采集組網(wǎng)的全新方案。同時(shí)，在工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換方面，工業(yè)中各種生產(chǎn)線的協(xié)議多達(dá)上百種，這些協(xié)議不可能都提前預(yù)裝到設(shè)備上，工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)須以靈活的方式按需升級(jí)/安裝支持各類協(xié)議轉(zhuǎn)換，才能適應(yīng)各種生產(chǎn)線的快速安裝上線需求。
1.2 實(shí)施目標(biāo)
基于現(xiàn)有已在公眾客戶接入網(wǎng)中廣泛應(yīng)的PON技術(shù)，中國(guó)電信將PON技術(shù)推廣應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域中，為工業(yè)企業(yè)提供一張高質(zhì)量/高可靠/高安全性的通信網(wǎng)絡(luò)，提供各種工業(yè)接口和工業(yè)協(xié)議對(duì)接支持，實(shí)現(xiàn)工廠各種工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)，以及工廠辦公及和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的融合承載，打通工廠生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)到生產(chǎn)車間/現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之間的屏障，提升全流程生產(chǎn)效率、提高質(zhì)量、降低成本，提高生產(chǎn)管理的效率和生產(chǎn)制造的智能化水平，達(dá)到改進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)生產(chǎn)質(zhì)量、提升行業(yè)全流程生產(chǎn)效率、提高全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作效能的戰(zhàn)略目標(biāo)。
1.3 適用范圍
本解決方案，適用于承載不同企業(yè)規(guī)模的離散型、流程型制造業(yè)的各類工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。通過(guò)工業(yè)PON終端設(shè)備提供工業(yè)場(chǎng)景下的不同類型物理接口，可為工業(yè)控制、信號(hào)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音通信、視頻監(jiān)控、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載等各種業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支持。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置
圖2-1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
本解決方案位于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的智能工廠范圍內(nèi)，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(nèi)車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工廠控制系統(tǒng)與智能機(jī)器之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)采集匯聚、多個(gè)智能機(jī)器之間的互聯(lián)互通等功能。
2 需求分析
隨著我國(guó)企業(yè)制造業(yè)水平的提升，傳統(tǒng)的基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性、維護(hù)成本、業(yè)務(wù)改造升級(jí)等方面，以及無(wú)法滿足企業(yè)用戶的應(yīng)用需求，同時(shí)，隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)設(shè)備種類進(jìn)一步增多，各廠商的工業(yè)設(shè)備通信協(xié)議各異，協(xié)議數(shù)據(jù)分析和解析的成本巨大，企業(yè)急需一種新型的工廠內(nèi)有線承載網(wǎng)絡(luò)，滿足性能、穩(wěn)定性和成本等方面的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的工業(yè)協(xié)議解析轉(zhuǎn)換功能，提升企業(yè)生產(chǎn)制造效率。
目前基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案，在網(wǎng)絡(luò)性能、安全性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等方面難以滿足企業(yè)的發(fā)展需求，同時(shí)缺乏相應(yīng)的工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換和解析功能，需要配備單獨(dú)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)層級(jí)較為復(fù)雜，同時(shí)成本難以有效降低。
3 解決方案
3.1 方案介紹
基于PON技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案，提供了一套符合各類工業(yè)場(chǎng)景指標(biāo)需求、提供工業(yè)協(xié)議采集轉(zhuǎn)換開(kāi)放平臺(tái)的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接綜合解決方案，滿足各種行業(yè)、各類規(guī)模企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。
工業(yè)PON技術(shù)基于廣泛應(yīng)用部署的公眾網(wǎng)絡(luò)PON技術(shù)，在技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)鏈可控性、規(guī)模成本等方面具備優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景的環(huán)境指標(biāo)、性能功能、物理接口、安全性、網(wǎng)絡(luò)可用性等方面的個(gè)性化需求，對(duì)PON設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性研發(fā)和優(yōu)化，全面滿足工業(yè)場(chǎng)景下的各類能力要求。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
基于PON技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案，由局端設(shè)備OLT、終端設(shè)備ONU以及用于連接和匯聚ONU設(shè)備的點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的無(wú)源光分配網(wǎng)絡(luò)組成（見(jiàn)圖2-2）。
圖2-2 工業(yè)PON設(shè)備在工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中的位置
根據(jù)客戶企業(yè)的部署和改造需求，工業(yè)PON目前提供了兩種整體解決方案，分別為工業(yè)數(shù)據(jù)采集功能和設(shè)備外置的工業(yè)PON解決方案（以下簡(jiǎn)稱工業(yè)PON1.0），以及工業(yè)數(shù)據(jù)采集功能和設(shè)備內(nèi)置的工業(yè)PON解決方案（以下簡(jiǎn)稱工業(yè)PON2.0）。兩者在其他能力指標(biāo)方面對(duì)于工業(yè)場(chǎng)景均進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化和提升。
3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
工業(yè)PON1.0的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2-3所示。
圖2-3 工業(yè)PON1.0的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)示意圖
工業(yè)PON2.0的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2-4所示。
圖2-4 工業(yè)PON2.0的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)示意圖
3.4 功能設(shè)計(jì)
工業(yè)PON1.0和工業(yè)PON2.0的功能設(shè)計(jì)表2-1所示，在滿足工業(yè)場(chǎng)景下特殊能力要求的同時(shí)，針對(duì)工數(shù)據(jù)采集和協(xié)議解析轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)，提供了差異化的解決方案，滿足了不同企業(yè)不同應(yīng)用場(chǎng)景的部署需求。
表2-1 工業(yè)PON1.0和工業(yè)PON2.0的功能設(shè)計(jì)
工業(yè)PON1.0 | 工業(yè)PON2.0 | |
共性功能 | 1. 工業(yè)級(jí)環(huán)境適應(yīng)能力可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，具備自然散熱式，寬溫域、低功耗、靜音設(shè)計(jì)、高防護(hù)等級(jí)等特點(diǎn)，并應(yīng)符合工業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)； 2. 強(qiáng)大的工業(yè)接口接入能力。支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的物理接口，如GE/FE/RS232/RS485/DI/DO/CAN等； 3. 提供各種類型保護(hù)倒換功能，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速恢復(fù)； | |
個(gè)性化功能 | 1. 支持通過(guò)外接工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)協(xié)議解析能力； | 1. 支持工業(yè)協(xié)議解析能力，包括Modbus、PPI、MPI、CNC等;總線協(xié)議：CAN、Profibus等； 2. 支持對(duì)工業(yè)云平臺(tái)或應(yīng)用系統(tǒng)的協(xié)議對(duì)接能力； |
3.5 安全及可靠性
PON技術(shù)本身在安全性和可靠性方面，相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)，具備明顯優(yōu)勢(shì)。
1) 安全認(rèn)證功能：承載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，下行采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)廣播方式（TDM），上行采用時(shí)分多址接入技術(shù)（TDMA ）；每個(gè)ONU需向OLT安全注冊(cè)；
2) 數(shù)據(jù)安全性：在OLT和ONU之間，可通過(guò)三重?cái)噭?dòng)等加密方式進(jìn)行下行加密，保證數(shù)據(jù)安全性；
3) 傳輸可靠性：全程傳輸采用無(wú)源光器件，不需電源，不受供電影響；
4) 網(wǎng)絡(luò)自愈保護(hù)機(jī)制：支持Type A-D多種保護(hù)倒換方案，提供不同等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)自愈能力；
5) 抗多點(diǎn)失效能力：抵抗能力強(qiáng)，由于PON網(wǎng)絡(luò)為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)且每個(gè)ONU為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間保持獨(dú)立工作，即時(shí)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)失效，其余光節(jié)點(diǎn)仍能保持正常通信。
4 成功案例
某國(guó)內(nèi)知名汽車配件研發(fā)生產(chǎn)公司部署工業(yè)PON案例分析。
4.1 項(xiàng)目背景及客戶需求
XX股份有限公司是國(guó)內(nèi)專業(yè)從事高端汽車電子零部件電磁元器件制造和技術(shù)研發(fā)的企業(yè)。用戶希望通過(guò)建設(shè)車間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)全基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，匯聚到車間SCADA系統(tǒng)為MES系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。
車間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋了生產(chǎn)物料信息采集、設(shè)備數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)工藝信息采集、人員信息采集、產(chǎn)品品質(zhì)信息采集和車間工況信息采集等。其中設(shè)備數(shù)據(jù)采集是需要突破的難點(diǎn)，涉及到Modbus TCP、Modbus RTU、MQTT、三菱485BD協(xié)議、西門子PPI協(xié)議、西門子Profinet協(xié)議和串口自定義協(xié)議等十余種協(xié)議，需要實(shí)現(xiàn)全廠包含：注塑機(jī)、插針機(jī)、繞線機(jī)、熔接機(jī)、特性檢測(cè)機(jī)、熔接組裝機(jī)、折彎?rùn)C(jī)、激光焊接特性檢測(cè)機(jī)、壓裝機(jī)、熔接視像檢查設(shè)備和光纖激光打標(biāo)機(jī)在內(nèi)的全廠百余種設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。
4.2 工業(yè)PON技術(shù)方案
中國(guó)電信提供了工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)方案，通過(guò)工業(yè)PON網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和高速傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心和設(shè)備的直連，通過(guò)設(shè)備、系統(tǒng)間的互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集，通過(guò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的構(gòu)建與數(shù)據(jù)匯聚，使生產(chǎn)設(shè)備可視化，提升產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)克服了現(xiàn)場(chǎng)焊接機(jī)等高輻射設(shè)備對(duì)信息傳輸?shù)母蓴_。
圖2-5 工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)部署
圖2-6 工廠生產(chǎn)設(shè)備側(cè)部署ONU
4.3 工業(yè)PON優(yōu)勢(shì)
1) 實(shí)時(shí)性確定，保障相對(duì)較強(qiáng)，PON網(wǎng)絡(luò)下行采用TDM，上行采用TDMA技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷相對(duì)較大下，可保障帶寬實(shí)時(shí)性。
2) 網(wǎng)絡(luò)支持點(diǎn)到多點(diǎn)，靈活網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(zhì)網(wǎng)絡(luò)，不受電磁干擾和雷電影響。
4) 傳輸延遲時(shí)延短，所有ONU呈現(xiàn)并聯(lián)關(guān)系，只需分光，沒(méi)有經(jīng)過(guò)ONU，未經(jīng)過(guò)光電、電光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，整個(gè)環(huán)路時(shí)延時(shí)間可控。
5) 抵抗能力強(qiáng)，由于PON網(wǎng)絡(luò)為無(wú)源且并聯(lián)，即時(shí)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)失效，環(huán)路網(wǎng)上其余光節(jié)點(diǎn)仍能保持正常通信。
4.4 項(xiàng)目實(shí)施價(jià)值
通過(guò)工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了工廠設(shè)備的全連接，在工廠設(shè)備側(cè)部署ONU集成了數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換的能力，使得數(shù)據(jù)采集更加高效，在設(shè)備側(cè)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。在此基礎(chǔ)上數(shù)據(jù)通過(guò)分析和計(jì)算提升了生產(chǎn)的效率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，方便了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和訂單的管理。
1) 實(shí)現(xiàn)了車間可視化管理，對(duì)設(shè)備、產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了有效的管理，提高設(shè)備利用率和減少設(shè)備故障率，提升車間生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)能耗。
2) 實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品品質(zhì)化管理，質(zhì)量判定中能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)的將不良產(chǎn)品剔除，將不良原因、不良數(shù)量記錄下來(lái)，判定為重大不良，或者某一時(shí)間段內(nèi)不良率達(dá)到設(shè)定警戒線時(shí)，可提示停止生產(chǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查、整頓。
3) 實(shí)現(xiàn)了設(shè)備優(yōu)化管理，通過(guò)開(kāi)機(jī)時(shí)間、故障停機(jī)時(shí)間、維修點(diǎn)檢時(shí)間等因素計(jì)算設(shè)備的使用效率，通過(guò)分析設(shè)備的空閑與忙碌的時(shí)間，尋找設(shè)備的最大化使用效率。
4) 實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)訂單，MES系統(tǒng)填寫和調(diào)整生產(chǎn)訂單，訂單數(shù)據(jù)按照生產(chǎn)模型分配到不同的設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)的終端看板可同步查詢。