总19期
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未来智能工厂网络如何搭建
文/ I2R 郭晓军
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随着我国工业互联网及智能制造的大力推进和深入应用,工业企业正在充分利用云计算、大数据、人工智能、物联网等新ICT技术,积极建设智能工厂,打通企业内、外部价值链各环节,推动工业企业数字化、网络化、智能化升级,以实现降本、提质、增效的目标。网络作为智能工厂的关键基础设施之一,实现智能工厂中工业全系统全要素的互联互通,为人、机、物全面互联提供基础设施,促进各种工业数据的充分流动和无缝集成。因此,智能工厂对网络提出了新的要求。

传统工厂网络面临的挑战

传统的工厂网络体系中,最先出现的是为了支撑自动控制而出现的工业控制网络,随着信息化在工业领域的逐步应用,出现了企业信息网络。另外,随着互联网的发展,企业通过互联网进行对外交流和网络销售等活动,互联网也成为工厂网络的一部分,但由于这三个网络是逐步产生的,缺少整体的规划,因此产生了如下问题:

1. 传统工厂网络的“两层三级”架构复杂,OT和IT网络割裂,对工厂内的信息互通和数据流转造成很大困难。

2. 工业网络协议标准各异,各厂家设备难以互通,工业现场存在很多信息孤岛,数据无法流动,导致大量的生产数据沉淀在工控网络中而无法产生价值。

3. 传统工厂网络僵化,不能灵活调整,快速构建出生产环境,无法满足未来智能化生产、个性化定制等业务对网络的需求。

4. 传统工厂网络的安全防护措施普遍不高,网络安全体系不够完善,不能为智能工厂构建安全可信的网络环境。

上述这些问题都导致现有网络无法支撑智能工厂的发展,也不利于工业企业的数字化转型升级。

智能工厂网络的发展趋势

工业互联网及智能制造的发展,要求智能工厂具有大规模个性定制、网络化协同制造、智能化生产等新型生产和服务能力,需要生产车间根据用户需求进行灵活重构,智能机器可能在不同生产域间调整和迁移,这就对工厂网络提出了更高的要求和需求。比如,要求工厂网络能够适应快速组网与灵活调整的需求,总体上呈现出如下发展趋势:

1.融合OTIT网络

随着大数据分析和边缘计算业务对工厂现场级实时数据的采集需求,传统工厂网络的“两层三级”架构严重影响信息互通效率,需要车间级和现场级的网络逐步向融合化、标准化演进。TSN与OPC-UA作为关键技术能够将数据采集延伸到现场级,实现生产环境全方位实时数据汇集,解决工厂内的数据互通问题,实现控制信息与数据信息共网传输,推动了IT与OT的融合。

2.有线无线网络一体化

在智能工厂中,人们拥有的移动终端越来越多,无线移动办公已经成为主流。同时,对于生产全流程、无死角的网络覆盖需求,使得无线网络的部署成为必然,无线网络的应用也将逐步从信息采集渗透到生产控制。但目前无线和有线通常是两张不同的网络,会带来运维管理、数据转发、策略执行等方面的割裂问题,也会给用户的使用造成不便。因此,有线无线一体化的需求越来越普遍,以便更好的满足无线生产的发展趋势。

3.物联终端数量暴增

物联网的发展带来了物联终端数量爆炸式增长,如IP摄像机、门禁控制器、智能照明、环境传感器等,这些终端需要能自动被识别并安全地接入到工厂网络中,同时能实时被监控,当发生终端被仿冒时,能够自动将其隔离并及时告警,保障业务系统的安全运行。

4.柔性网络架构将成为主流

未来工厂网络在网络架构和形态上非常灵活,通过采用SDN等技术对网络资源进行抽象和编程,将能够根据智能化生产、个性化定制等业务需求进行灵活调整,快速构建出满足业务需求的生产环境,支撑智能工厂的发展。

5.网络安全保障需求增长

随着TSN等技术的发展,未来工厂网络会变得越来越标准和开放,但同时也带来了更大的安全风险,威胁到工厂的正常生产,因此,网络安全会更加重要,未来工厂网络需要内置安全能力,按需提供安全服务,为智能工厂提供安全可信的生产环境。

智能工厂网络设计方案

为了适应智能工厂在数字化、网络化、智能化的业务发展需求,需要构建一张可灵活定义、多维可视、质量保障、安全可靠的智能工厂网络,并引入SDN、TSN、IPv6等新型网络技术,实现工业场景下人员、设备、物料、产品等各生产要素的泛在互联,从而保障智能物联、安全巡检、设备监测、视频监控等业务应用的正常运行,为工厂实现智能生产、协同制造和柔性制造提供网络支撑。

1.设计原则

网络作为智能工厂的基础设施,需要与业务系统统一规划,同时需要考虑未来的演进

因此,在智能工厂网络建设中应该遵循以下设计原则:

1)开放解耦

采用开放的体系架构,遵循主流的标准协议,实现网络各层协议和功能的解耦。工厂的控制系统、应用系统不与某项具体网络技术强绑定,避免形成新的孤岛。提供全面的开放接口,支持第三方设备、系统的对接和集成,实现工厂网络最大程度的开放能力,具备异构厂商、异构系统的建设能力。

2)融合统一

网络需要与业务统一规划,充分考虑不同业务系统对网络的需求,采用扁平化的融合网络架构,提供低延时、高可靠的通信网络。IT和OT设备都统一接入到同一个网络中,避免传统的OT和IT网络物理隔离及碎片化问题,实现控制信息等实时数据与数据信息等非实时数据在同一网络中传输。另外,随着移动互联网和移动办公的广泛应用,需要考虑有线网络和无线网络的融合设计和一体化管理,实现在用户策略、数据转发、运维管理上的统一,方便用户使用。

3)平滑兼容

在进行网络规划时应考虑网络结构的层次化、模块化、灵活性,确保整个网络的平滑演进能力,满足智能工厂定制化生产对网络的灵活定义和弹性扩展需求。在条件允许的情况下,尽量采用面向未来的、通用的网络连接技术。

4)安全可靠

网络设计要遵循设备、线路的冗余高可用性原则,任何一个设备及线路发生故障不应该影响整个网络的正常运行。同时,建立完善的网络安全保障体系,实现对工业企业办公系统、应用系统、及工业控制系统的安全防护。

2.体系架构

智能工厂网络体系架构图

智能工厂网络方案采用云、网、安融合的建设思路。在SDN基础上,融入人工智能、大数据等技术,整体网络架构包含边缘接入层、核心汇聚层和安全保障三部分,其中:

1)边缘接入层:主要负责边缘设备接入、数据采集与边缘计算。通过对不同的工业物联网产品适配各种网络环境和协议类型,支持海量物联网传感器和智能硬件的快速接入和数据服务,满足物联网领域的设备连接、协议适配、数据存储、数据安全、数据分析等服务需求。

2)核心汇聚层:采用SDN VXLAN技术设计工厂内核心汇聚层网络,网络可以抽象为物理承载网络和面向应用的Overlay网络。这种网络设计的两大特征是柔性和软件定义。柔性一方面指网络架构灵活,业务部署(应用/终端)与位置无关;另一方面指以人和应用为中心,所有网络资源跟随人和应用移动。软件定义指通过SDN技术将网络控制平面集中,实现网络设备的自动部署、业务按需交付,将运维人员从重复劳动中解放出来。

3)安全保障:网络安全是工厂业务平稳运行的保障,在智能工厂网络方案中内置完整的安全防护体系,包括安全态势感知、网络安全保护、数据节点接入控制、网络准入认证机制等,为工厂基础设施、业务系统、海量终端接入等提供全面的安全防护。

上述方案适用于智能工厂网络的建设和升级改造,能够帮助工业企业建立从现场层、控制层、管理层直到云端的融合通信网络,完成工厂网络的升级改造和数字化转型,满足智能工厂在柔性制造、协同生产、个性化定制的业务需求。

结束语

本文探讨了在工业互联网和智能制造的发展中,智能工厂作为关键的实施载体,在网络建设中面临的挑战、关键需求及未来发展趋势,并遵循融合、开放、灵活的设计思想,采用SDN架构,并引入TSN、IPv6、AI等新型网络技术,构建一张灵活定义、多维可视、质量保障、安全可靠的工厂网络,帮助工业企业完成工厂网络的升级改造和数字化转型,实现降本、提质、增效的目标。

在国家战略推动和政策支持下,海尔、美的、紫光等行业龙头企业率先进行了智能工厂的探索实践,并积极联合网络供应商采用新型网络技术来满足智能工厂的建设需求,取得了很好的成效,也积累了宝贵的经验。但也看到,网络作为智能工厂的基础设施,在前期咨询、统一规划、方案设计、实施等方面还面临很多挑战,需要工业企业、网络厂商、集成商等各方共同努力,建设开放、融合、安全的工厂网络,以便更好的满足未来智能工厂的业务发展需求。

注: I²R(H3C Industrial Internet Research)新华三工业互联网产业研究院,是紫光集团核心企业新华三集团在工业领域成立的数字化转型专业服务机构,聚焦国际国内工业领域发展趋势,重点打造工业互联网产业技术体系,开发并满足客户工业场景需求的端到端产品和解决方案,并提供具有战略意义的数字化转型与工业互联网建设咨询服务。

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