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智能工廠IT/OT網(wǎng)絡(luò)融合

北京恩易通技術(shù)發(fā)展有限公司

網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)篇/成熟技術(shù)/工廠內(nèi)網(wǎng)改造

1 概述

1.1 背景

隨著工業(yè)4.0概念的火熱以及“中國制造2025”行動綱領(lǐng)的提出，越來越多的新技術(shù)、新概念呈現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)有以太網(wǎng)技術(shù)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(yè)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(wǎng)絡(luò)定義

那什么是IDN網(wǎng)絡(luò)？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(tǒng)的以太網(wǎng)只標記這輛車（網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備）,但EOE網(wǎng)絡(luò)將車和路（交換機）都進行了標記。應用EOE技術(shù)實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)就是智確定性網(wǎng)絡(luò)IDN(Intelligent Deterministic Network)。

圖1 EOE數(shù)據(jù)幀格式

1.1.2 IDN網(wǎng)絡(luò)工作原理

IDN網(wǎng)絡(luò)工作原理流程如圖2：

圖2 IDN網(wǎng)絡(luò)工作原理流程

工作過程：SW模塊數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，校驗通過后，轉(zhuǎn)給判斷模塊，判斷模塊對私有幀頭部分進行判斷，來決定數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的通訊邏輯：標準的數(shù)據(jù)幀從交換機模塊送入，上EOE網(wǎng)絡(luò)前會加上私有的8個字節(jié)的幀頭組成私有協(xié)議的幀，向判斷模塊發(fā)出請求，由判斷模塊給出判斷結(jié)果，再由轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)向環(huán)網(wǎng)模塊的兩個端口。

1.1.3 IDN與現(xiàn)有實時網(wǎng)絡(luò)對比

表1 IDN與TSN網(wǎng)絡(luò)對比

1.2 實施目標

在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是以“盡力服務(wù)”的方式在工作的，在融合后會產(chǎn)生一些工廠不可以接受的弊端。例如，IT的數(shù)據(jù)流量會影響到OT的控制系統(tǒng)。眾所周知，在一個工廠中，控制系統(tǒng)是整個工廠的生命線，任何情況下，任何數(shù)據(jù)都不可以影響到工廠的控制系統(tǒng)。

在“個性化定制”的家電新模式下，將產(chǎn)品制造與用戶聯(lián)起來，讓用戶全流程參與需求交互、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、物流交付等產(chǎn)品全過程，在這種體系下用戶"既是消費者也是設(shè)計者、生產(chǎn)者"，用戶“個性化”與制造“規(guī)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(yè)以太網(wǎng)環(huán)節(jié)可以說起著舉足輕重的作用，用戶從自己設(shè)計，到車間下料生產(chǎn)，再到產(chǎn)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(xiàn)場生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)適用于任何以以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)載體的系統(tǒng)內(nèi)，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較大的情況先IDN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢會更加的明顯，在數(shù)據(jù)“確定性”“安全性”要求較高或者很高的網(wǎng)絡(luò)中IDN網(wǎng)絡(luò)幾乎是不可替代的。

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4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)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(yè)以太網(wǎng)交換機、總線交換機、服務(wù)器以及數(shù)據(jù)采集、顯示軟件。工業(yè)以太網(wǎng)交換機和總線交換機負責將IT數(shù)據(jù)和OT的數(shù)據(jù)接入到服務(wù)器或工廠云服務(wù)器（工廠云）中，進行數(shù)據(jù)處理、存儲以及數(shù)據(jù)顯示。實現(xiàn)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(yè)4.0的必然趨勢。然而，傳統(tǒng)的解決方案，無法實現(xiàn)IT和OT的融合，如前面提到的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的機制問題，想要實現(xiàn)工廠自動化IT和OT的融合，必然是出現(xiàn)新的技術(shù)才能實現(xiàn)的。那么，IDN網(wǎng)絡(luò)就是這樣的創(chuàng)新，就是迎著工業(yè)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(yè)現(xiàn)場，IT和OT的融合，存在著諸多的挑戰(zhàn)和壁壘，想要突破這些壁壘，現(xiàn)有的技術(shù)是行不通的，所以必定要用新的技術(shù)來實現(xiàn)。那么，IDN網(wǎng)絡(luò)在IT和OT融合的解決具有很大的優(yōu)勢，這也是現(xiàn)在自動化工廠轉(zhuǎn)型所真正需要的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

IDN網(wǎng)絡(luò)，具備6項特征：

1) 雙通道機制：確保IT和OT的數(shù)據(jù)互不影響，并可以協(xié)同工作，達到融合的目的。

2) 數(shù)據(jù)傳輸多路徑：確保整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)多條路徑可達，在某條路徑，或多條路徑出現(xiàn)問題時不影響設(shè)備的正常工作。

3) 精準對時作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)無處不在、無時不在：為工業(yè)大數(shù)據(jù)所采集的信息加了一個時間的維度，這在數(shù)據(jù)分析意義重大。

4) 整體網(wǎng)絡(luò)趨向二層傳輸，提升網(wǎng)絡(luò)效率：提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬，給工廠提供更有效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

5) 復雜的拓撲：讓工廠的網(wǎng)路更加安全可靠。

6) 零配置組網(wǎng)：讓工廠的施工更加簡單易用。

以上的這些網(wǎng)絡(luò)的特性，是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)所不完全具備的，因此要想實現(xiàn)真正的網(wǎng)絡(luò)融合，網(wǎng)絡(luò)的這些特性是必不可少的。有了IDN網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

圖5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖所示，IT層的網(wǎng)絡(luò)和OT層的網(wǎng)絡(luò)通過IND網(wǎng)絡(luò)融合到了一起，就網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)觀察，整個網(wǎng)絡(luò)方案不僅提供了線路冗余，同時也提供了設(shè)備冗余。

3.3 功能設(shè)計

OT的數(shù)據(jù)有很多為PLC的控制數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)的要求相對很高，那么它在IDN網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)先級可以設(shè)為“快速數(shù)據(jù)”，這樣它在IND的網(wǎng)絡(luò)中將“暢通無阻”，經(jīng)過每一條交換機的時延在0.8us到3us之間。而IT的數(shù)據(jù)，是相對對確定性要求不那么高的數(shù)據(jù)，但是IDN網(wǎng)絡(luò)在保證“快速數(shù)據(jù)”確定的情況下，不影響IT數(shù)據(jù)的工作。

復雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲，讓網(wǎng)絡(luò)的可靠性大大的增加，數(shù)據(jù)多路徑的傳輸，讓數(shù)據(jù)幾乎可以說是零丟失的。如此復雜的網(wǎng)絡(luò)是由全二層的網(wǎng)絡(luò)搭建成的，這在業(yè)界更是“不可思議”的事情，這位客戶節(jié)省了布置網(wǎng)絡(luò)的成本。

組網(wǎng)的零配置，使工廠的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)再也沒有難度，不需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)安全

網(wǎng)絡(luò)安全一直是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)火熱的話題之一，IND網(wǎng)絡(luò)提供了白名單鎖定的安全保護機制，在工業(yè)現(xiàn)場布置完成之后，工廠網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)態(tài)，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(shù)據(jù)可以上IDN網(wǎng)絡(luò)以外，其他沒有認證的數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)丟掉。

4 成功案例

圖6 海爾滾筒洗機生產(chǎn)工廠網(wǎng)絡(luò)拓撲

海爾滾筒洗機工廠，廠區(qū)的網(wǎng)絡(luò)采用了IDN技術(shù)的IND網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了IT和OT的融合，在不影響生產(chǎn)的情況下，辦公網(wǎng)和MES以及視頻服務(wù)器都在互聯(lián)互通。

采用IND網(wǎng)絡(luò)給海爾工廠帶來的好處是，在原有3套網(wǎng)絡(luò)的方案，縮減為1套網(wǎng)。多網(wǎng)的融合，讓MES系統(tǒng)更加實時的計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理。