智能工廠工業PON網絡與數據采集解決方案
中國電信集團有限公司
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網絡已成為工業數據采集領域的一種新型組網技術。PON網絡是串聯車間各項業務、各類生產設備與控制系統，實現信息交互等工作的基礎。通過PON可以完成智能設備與業務分析平臺之間的網絡連接，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。
1.2 實施目標
智能工廠工業PON網絡與數據采集解決方案旨在提供工業設備智慧互聯、適配多種工業設備PLC接口的工業數據采集、工業數據分析應用與技術方案。包括：
? 工業PON網絡：建設符合工業標準的車間網絡，將智能工廠的設備聯網；
? 工業數據采集：適配各種PLC及數控機床，采集設備數據；
? 工業數據分析：實現設備的預測性維護分析，設備效率分析及產品過程質量分析等。
1.3 適用范圍
本解決方案前期已經在工業互聯網產業聯盟第一批測試床進行驗證通過（測試床名稱為：02工業網絡互聯與數據采集），該測試床將工業PON技術、工業數據采集技術及工業數據分析技術在某制造企業的發動機制造工廠進行了試點，驗證了該解決方案可以適用于典型的離散制造業工業互聯網場景，未來可以在離散型制造業企業進行推廣應用，具有良好的可復制性。
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
本解決方案屬于工業互聯網網絡體系架構中的智能工廠內部網絡，具體對應上面架構圖中的1、2、3、5種網絡連接。采用工業PON網絡對工廠車間生產線的所有設備進行網絡互聯，然后對設備進行工業數據采集，并傳輸到控制中心，并在控制中心對工廠設備運行狀態進行展示和預測分析。
2 需求分析
目前工廠內部網絡“兩層三級”技術體系和網絡結構相互隔離的狀況使 IT 系統與生產現場之間的通信存在較多障礙。一是工業控制網絡與工廠信息網絡的技術標準各異，難以融合互通。 二是工業生產全流程存在大量“信息死角”，亟需實現網絡全覆蓋。同時，在工業大數據的實施過程中，企業數據源較差，尤其是對于機器設備、生產線等實時生產數據采集數量、類型、精度以及頻率方面存在較大提升空間，因此對于工業數據采集網絡傳輸的質量提出了新的要求。
現有車間生產信息網常用通信技術為無線和有線通信技術，由于有線通信技術可滿足未來智能設備之間雙向交互、高寬帶、低時延等需求，已廣泛應用。現階段有線技術有工業PON網絡技術和工業以太網技術為主流技術，工業PON網絡與工業以太網相比，工業PON網絡技術在組網可靠性、安全性、帶寬分配、維護成本、網絡可拓展等方面均有優勢，適合在高溫、高強電等車間環境下接入使用。
3 解決方案
3.1 方案介紹
智能工廠工業PON網絡與數據采集解決方案首先對工廠車間的工業設備，采用工業PON網絡進行網絡互聯，然后對設備進行工業數據采集，并傳輸到控制中心，并在控制中心對工廠設備運行狀態進行展示和預測分析。
3.2 系統架構
智能工廠工業PON網絡與數據采集解決方案采用新型工業互聯網網絡架構，采用工業級PON網絡技術實現工廠內數據采集網絡和多種工業互聯網協議適配，支持RS232/485串口、以太網等多種工業設備接口和通信協議。系統架構如下圖所示：
圖2 智能工廠工業PON網絡與數據采集解決方案系統架構
3.3 網絡拓撲設計
工業PON網絡通過靈活的網絡配置，完成對工業設備數據采集和傳輸，以實現生產設備監控、信息集采、生產控制等功能。
工業PON網絡的拓撲結構可與各車間信息節點無縫結合，可根據需要組成多鏈路備份的樹形結構、環形結構等傳送網絡。網絡拓撲圖如下所示：
圖3 智能工廠工業PON網絡與數據采集解決方案網絡拓撲
1) 在車間布放ONU；
2) 將各個車間的生產設備通過網線、雙絞屏蔽線連接到ONU；
3) OLT匯聚管理設備部署于通訊機房，為各車間ONU提供業務匯聚和傳送；
4) OLT通過n*GE上聯接口連接到中心機房，工業PON網絡將各生產設備端口透傳到網管上的管理平臺，對所有設備統一管理。
3.4 功能設計
主要系統功能包括 ：
? 車間工業互聯網基礎網絡建設，對工廠車間生產線的所有設備，通過工業PON網絡進行網絡互聯；
? 全業務通信整合能力：系統提供FE、GE、CAN、RS485、CVBS(BNC接頭)等多種業務接口，滿足各種業務的接入;
? 車間工業互聯網設備數據采集建設，對設備進行工業數據采集，并傳輸到控制中心；
? 在控制中心對工廠設備運行狀態進行展示和預測分析。
3.5 安全及可靠性
? 采用安全易維護設備：兩套OLT最多可以組30個獨立的ODN環網，可以把各業務或者站點組到不同的環網中，提供安全性；ONU設備支持遠程調試、檢測，不需要維護人員親臨現場。
? 多種保護方式提高安全性：匯聚設備OLT和ONU接入器使用單纖雙向環網技術，主備鏈路快速切換；設備的關鍵模塊都使用雙備份，在主用板發生故障情況下，系統會快速自動切換，不影響業務使用；使用主備電源供電；ONU接入器具備自交換能力，在設備兩邊的光纖全部斷掉的情況下，這個點上的設備之間仍可以通訊。
4 成功案例
本方案在濰柴智能工廠工業設備聯網與數據采集項目中得到了成功應用。濰柴車間內設備種類繁多，各種設備接口及協議不統一，導致數據采集困難。該項目采用工業PON網絡技術，在濰柴1號工廠進行智能車間改造試點，在總裝車間、試車車間等8個車間部署工業PON網絡，涵蓋了加工、裝配、試車、涂裝四個部分試點整套裝備系統，對420余臺智能設備進行網絡聯網，實現了RS232/485串口、以太網等多種工業設備接口接入，并通過集成各種主流的工業協議（Profibus/Profinet、Modbus、OPC DA/UA等），為濰柴實現了各種先進制造設備的數據采集，為濰柴智能工業互聯網建設打下堅實的網絡基礎。網絡架構如下圖所示。
圖4 濰柴智能工廠工業設備聯網與數據采集網絡架構
該項目通過工業PON及數據采集技術，將制造車間產線、制造質量工藝等數據通過網絡傳輸至本地服務器存儲。工業互聯網大數據平臺定期遠程采集到存儲在服務器中的原始數據，獲取之后進行對原始數據的采集、清洗并完成入庫操作。通過數據采集后對螺栓擰緊的擰緊方式、參數進行分析，從扭矩、角度、斜率等結果來判斷螺栓一致性，從而可以及時發現螺栓擰緊中出現的問題，降低了產品的缺陷率，提升了產線生產效率。
通過該項目實施，濰柴實現了試點車間內的設備的聯網及數據采集，通過利用生產數據進行預測性維護分析及產品過程質量分析等應用分析，提高產線生產效率10%，降低缺陷產品率40%，降低設備故障停機時間50% ，取得了良好應用效果。