基于TSN與邊緣智能的設(shè)備監(jiān)測及管理解決方案
中國聯(lián)通研究院
網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)篇/前沿技術(shù)/工廠內(nèi)網(wǎng)改造
1 概述
隨著我國智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，傳統(tǒng)以太網(wǎng)逐漸無法滿足工廠實時性的要求，同時工業(yè)現(xiàn)場中設(shè)備的控制反饋需求也在增加，而另一方面不同協(xié)議的互通對IT與OT的融合產(chǎn)生了諸多的障礙，企業(yè)客戶需要更為實時、可靠、安全的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和智能邊緣設(shè)備訪問方法。
在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，帶寬通常是由多個設(shè)備共享的，而且所有的發(fā)送端沒有基于時間的流量控制，所以發(fā)送端總是選擇盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)幀的策略，這樣來自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)流就會在時間上產(chǎn)生重疊，所有數(shù)據(jù)流重疊/沖突的部分會遵循QoS優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，就會產(chǎn)生丟包的現(xiàn)象。基于TSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以解決精準(zhǔn)同步和流量調(diào)度的問題，從應(yīng)用場景來看，需要實時監(jiān)控或是實時反饋的工業(yè)領(lǐng)域都需要TSN網(wǎng)絡(luò)，如機(jī)器人工業(yè)、深海石油鉆井以及銀行業(yè)等等，TSN還可以用于支持大數(shù)據(jù)的服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。
本文提出的方案主要應(yīng)用于工廠內(nèi)網(wǎng)或園區(qū)區(qū)域網(wǎng)的部署，旨在提升網(wǎng)絡(luò)的智能與精準(zhǔn)同步性能，可滿足低時延和高控制性能的網(wǎng)絡(luò)需求，并實現(xiàn)基于現(xiàn)場云/邊緣云的遠(yuǎn)程的設(shè)備實時監(jiān)測、控制與反饋。
1.1 背景
在冶金、稀土材料等工業(yè)行業(yè)，由于原材料的稀缺性，其原材料管理與原材料處理工藝對耗損及棒材良率要求更加嚴(yán)格，尤其在復(fù)合材料熱處理、注塑、表面處理、充磁時對環(huán)境以及加工設(shè)備的狀態(tài)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊螅壳斑@些環(huán)節(jié)很大程度依賴人工調(diào)節(jié)和現(xiàn)場監(jiān)管。另一方面，隨著工廠信息化和智能化建設(shè)的加速，以太網(wǎng)部署已無法滿足目前對網(wǎng)絡(luò)高可靠、高控制性能的要求，源數(shù)據(jù)丟失甚至?xí)鸸ぷ魅藛T的誤判，更加可靠、并且滿足實時反饋的網(wǎng)絡(luò)成為了智能制造的基礎(chǔ)需求。
1.2 實施目標(biāo)
本文的方案將通過基于TSN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持工廠內(nèi)多種傳感器的實時監(jiān)測與機(jī)械臂或機(jī)器人的同步調(diào)度，同時可以支持生產(chǎn)應(yīng)用中的其他普通流量，實現(xiàn)控制信號和數(shù)據(jù)信號的同網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。另一方面，節(jié)點網(wǎng)關(guān)支持多廠商協(xié)議適配并提供深度協(xié)議解析。
通過提升工廠網(wǎng)絡(luò)的同步性能和流量調(diào)度能力，以及與邊緣云/現(xiàn)場云的對接可滿足客戶對園區(qū)范圍內(nèi)從云端對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與確定性時延的反饋控制。
1.3 適用范圍
本文提出的方案主要應(yīng)用于工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，園區(qū)范圍網(wǎng)絡(luò)，以及其他需要實時監(jiān)控或?qū)崟r反饋的廣域工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景，例如：智能裝備制造、能源電力、石油與天然氣、軌道交通、車聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)行業(yè)中從事同步精準(zhǔn)控制、測量、設(shè)備監(jiān)測、設(shè)備維護(hù)及控制應(yīng)用的需求。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置
本文提出的方案主要處在工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及相類似的網(wǎng)絡(luò)（例如車聯(lián)網(wǎng)的車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等）中的物理層和鏈路層，并與邊緣云/現(xiàn)場云對接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和邊緣計算的雙彈性配置，以實現(xiàn)從云端對設(shè)備的精準(zhǔn)時延控制與狀態(tài)監(jiān)測，處于圖1中的第1節(jié)，后續(xù)的應(yīng)用擴(kuò)展也可以覆蓋到第3、5、6、7節(jié)，滿足智能工廠內(nèi)部的通信以及管理需求。
圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
2 需求分析
本文的方案是江西某企業(yè)智慧工廠的網(wǎng)絡(luò)部分，其制造流程中主要包含的設(shè)備有真空爐，鑄錠磨粉機(jī)床，熱處理熔爐，機(jī)加工（含機(jī)械臂機(jī)器人）以及各類傳感器（濃度、溫度、熱敏、光敏等）。網(wǎng)絡(luò)部署需滿足工業(yè)傳感器的實時感知，以達(dá)到對設(shè)備和環(huán)境的監(jiān)測，以及機(jī)械臂或機(jī)器人的確定性時延的同步調(diào)度。
3 解決方案
3.1 方案介紹
本文的方案主要針對于工業(yè)企業(yè)所面臨的分布式設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控實時反饋等問題，利用時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）和邊緣計算能力對工廠網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行升級，克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)同步精度不高，不能滿足工廠精準(zhǔn)控制場景需求等，同時結(jié)合邊緣智能設(shè)備將海量的設(shè)備信息和流程管理等信息進(jìn)行協(xié)議深度解析和匯聚整合，為后續(xù)大數(shù)據(jù)和人工智能分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，充分挖掘潛在數(shù)據(jù)價值，釋放潛能，幫助工業(yè)企業(yè)提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提供智慧參考決策。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
本方案提出的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖所示：
圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖
主要包含以下要素：
1）邊緣節(jié)點—智能邊緣設(shè)備，可讓從幾乎任何傳感器和任何類型的資產(chǎn)收集傳感數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，原始數(shù)據(jù)分析，管理觸發(fā)保存的報警和狀況評估，板載文件管理以及儀器健康狀況的自我監(jiān)測。該設(shè)備支持TSN，設(shè)備間通過TSN技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的時鐘同步及流量管理，可大大提高時間同步的精準(zhǔn)度。
2）系統(tǒng)軟件—服務(wù)器端：在服務(wù)器端完成監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)管理和通信，同時允許用戶指定監(jiān)視設(shè)備的配置，提供在本地理解數(shù)據(jù)所需的可視化工具，整體管理數(shù)據(jù)量。
3）IT基礎(chǔ)架構(gòu)—來自各個服務(wù)器的數(shù)據(jù)匯聚到企業(yè)應(yīng)用程序中，以實現(xiàn)廣泛的知識挖掘。可將數(shù)據(jù)分享或部署到云端，與邊緣節(jié)點進(jìn)行配合，邊緣處理數(shù)據(jù)，云端實現(xiàn)模型的優(yōu)化與重建，實現(xiàn)邊緣與云的協(xié)同；基于匯聚數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)與人工智能分析，釋放數(shù)據(jù)價值。
3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計
圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計
? 設(shè)備感知層：主要包含工廠內(nèi)所涉及的各種生產(chǎn)設(shè)備、傳感器、邏輯控制器件等。
? 智能邊緣設(shè)備：支持TSN技術(shù)，主要用于底層的數(shù)據(jù)采集，可以兼容當(dāng)前的主流工業(yè)協(xié)議。
? 工業(yè)控制器：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，分析等功能，具有一定的邊緣計算能力，主要是配合智能邊緣設(shè)備完成數(shù)據(jù)的采集分析功能。
? 交換機(jī)：完成底層數(shù)據(jù)的匯聚，同樣支持TSN技術(shù)，可以實現(xiàn)分布式設(shè)備間的時間精準(zhǔn)同步。
? 交換機(jī)殼保護(hù)（堡壘機(jī)）：基于安全的考量，對交換機(jī)進(jìn)行流量審計和殼保護(hù)，并在應(yīng)用管理平臺中進(jìn)行身份驗證和登陸日志管理。
? 企業(yè)管理系統(tǒng)：實現(xiàn)工廠生產(chǎn)經(jīng)營管理，這部分可以直接對接云平臺，在云平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的積累和模型的優(yōu)化。
3.4 功能設(shè)計
1）時間精準(zhǔn)同步
所有的設(shè)備都支持TSN，通過TSN技術(shù)的引入，可以大大提升分布式設(shè)備的時間同步精度，提升機(jī)器設(shè)備間的生產(chǎn)控制協(xié)同，降低故障率，提高生產(chǎn)效率。
2）保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)實時傳輸
TSN技術(shù)技術(shù)的引入，確保當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，優(yōu)先保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的按時傳輸，實現(xiàn)設(shè)備機(jī)器的實時精準(zhǔn)控制，應(yīng)對未來海量設(shè)備的接入。
3）邊緣與云協(xié)同
工業(yè)控制器具有一定的邊緣計算能力，可以實現(xiàn)一些數(shù)據(jù)的快速本地化處理，同時配合云平臺，依靠數(shù)據(jù)的積累，在云端對數(shù)據(jù)處理模型進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)邊緣與云的協(xié)同。
4）實現(xiàn)企業(yè)上云
云平臺將傳統(tǒng)的分布式工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)進(jìn)行集中匯聚融合，并有效地整合和管理這些廣泛不熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，實現(xiàn)企業(yè)向云端的遷移，通過大數(shù)據(jù)的匯聚處理，幫助企業(yè)提升效率，做出最優(yōu)決策。
3.5 安全及可靠性
1）硬件設(shè)備的堅固性，能適應(yīng)惡略測試環(huán)境。-40到70°C的工作溫度，50 g抗沖擊、5 g抗振動工作
2）星型總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障診斷和隔離容易。中央節(jié)點對連接線路可以逐一隔離進(jìn)行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)。
3）基于TSN的同步方式減少額外冗余的連線，同步精度不受線纜長度影響。
4）利用白名單技術(shù)使用交換機(jī)殼保護(hù)，對工廠關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行流量審計和監(jiān)測。
4 成功案例
本文的網(wǎng)絡(luò)方案可滿足智聯(lián)工廠、設(shè)備管理、現(xiàn)場實時排程等場景中企業(yè)客戶需要更為實時、可靠、安全的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和智能邊緣設(shè)備訪問需求，可為企業(yè)工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)提供精準(zhǔn)同步、流量調(diào)度方案，并可對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，管理等。