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(guó)制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)的提出，越來(lái)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(gè)性化定制”是被提及最多的幾個(gè)，同時(shí)這也是各大制造廠商升級(jí)和轉(zhuǎn)型中的重點(diǎn)方向。那么，提到以上這些新興名詞時(shí)，就不得不提多年以來(lái)不變的一個(gè)話題，也是制造廠商一直的痛點(diǎn)：“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(dòng)化工廠面臨一個(gè)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(gè)不可避免的形勢(shì)。因此，如何將IT和OT很好的融合，成了擺在各個(gè)做工廠自動(dòng)化的廠商面前的一個(gè)問(wèn)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(gè)問(wèn)題前，我們要先提出一個(gè)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(biāo)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(jī)）都進(jìn)行了標(biāo)記。應(yīng)用EOE技術(shù)實(shí)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(guò)程：SW模塊數(shù)據(jù)傳輸上來(lái)后首先會(huì)添加EOE私有幀頭，然后會(huì)對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)失敗，會(huì)丟棄此數(shù)據(jù)，校驗(yàn)通過(guò)后，轉(zhuǎn)給判斷模塊，判斷模塊對(duì)私有幀頭部分進(jìn)行判斷，來(lái)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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀從交換機(jī)模塊送入，上EOE網(wǎng)絡(luò)前會(huì)加上私有的8個(gè)字節(jié)的幀頭組成私有協(xié)議的幀，向判斷模塊發(fā)出請(qǐng)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(gè)端口。
1.1.3 IDN與現(xiàn)有實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)比
表1 IDN與TSN網(wǎng)絡(luò)對(duì)比
對(duì)比項(xiàng) | IDN網(wǎng)絡(luò) | TSN網(wǎng)絡(luò) | 區(qū)別 |
在IOS七層結(jié)構(gòu)中的位置 | 第二層,數(shù)據(jù)鏈路層 | 第二層,數(shù)據(jù)鏈路層 | IDN與TSN相同，也僅是對(duì)MAC層定義。區(qū)別在于需重新定義的范圍，TSN需重新定義MAC的設(shè)備是所有設(shè)備，包括發(fā)數(shù)據(jù)送端、交換機(jī)、數(shù)據(jù)接受端。 IDN僅重新定義交換機(jī)的MAC層，數(shù)據(jù)發(fā)送與接受不需要重新定義。 |
核心任務(wù) | （1）IDN的核心是“智能路由”，時(shí)鐘同步不是必須前提。但I(xiàn)DN為用戶提供時(shí)鐘同步解決方案。 （2）IDN通過(guò)通道機(jī)制實(shí)現(xiàn)高帶寬與低時(shí)延 （3）IDN將路由算法集成到交換機(jī)的芯片中，用戶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“零”配置 | 1）.所有通信問(wèn)題均基于時(shí)鐘，確保時(shí)鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問(wèn)題，TSN工作組開發(fā)基于IEEE1588的時(shí)鐘 （2）.數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制：為數(shù)據(jù)的傳輸制定相應(yīng)的機(jī)制，以確保實(shí)現(xiàn)高帶寬與低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。 （3）.系統(tǒng)配置方法與標(biāo)準(zhǔn)，為了讓用戶易于配置網(wǎng)絡(luò) | IDN技術(shù)體系不依賴于對(duì)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)于以往沒(méi)有對(duì)時(shí)功能的用戶系統(tǒng)，易用性大大增強(qiáng)。 用戶終端也不用為了配合TSN的調(diào)度算法而增加接入模塊以及業(yè)務(wù)流程修改。 |
組網(wǎng)結(jié)構(gòu) | 任意組網(wǎng) | 目前仍是傳統(tǒng)的二層組網(wǎng)；如星型，總線型，環(huán)型 | 就目前TSN形成的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，并沒(méi)有增加二層組網(wǎng)能力的描述，集成傳統(tǒng)二層組網(wǎng)的局限性。 IDN的智能路打破組網(wǎng)的局限性，可以任意組網(wǎng)。在用戶系統(tǒng)中，可以根據(jù)實(shí)際設(shè)備的布置、距離、要求，靈活調(diào)整。 |
精準(zhǔn)時(shí)間同步 | 用戶接口是B碼接入、輸出。 支持冗余路徑以及冗余主站 | 基于1588對(duì)時(shí)方式（IEEE802.1ASrev-） 增加對(duì)聚合鏈路的支持以及冗余路徑和冗余主站 | 1588協(xié)議是相當(dāng)復(fù)雜的協(xié)議，用戶需要一定的研發(fā)實(shí)力以及投入才能完成。并且1588需要硬件的支持，提高設(shè)備成本。 B碼對(duì)時(shí)已普遍應(yīng)用，可直接集成成熟模塊，基本沒(méi)有研發(fā)投入。 |
確定性網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) | 通道機(jī)制 | IEEE802.1Qbv時(shí)間感知隊(duì)列；IEEE802.1Q bu & IEEE802.3br轉(zhuǎn)發(fā)與隊(duì)列機(jī)制 時(shí)間調(diào)度表 | TSN:簡(jiǎn)單說(shuō)，就是說(shuō)有設(shè)備先把時(shí)間調(diào)整到一致，仲裁機(jī)構(gòu)為所有設(shè)備分發(fā)時(shí)間表。設(shè)備只有在被安排的時(shí)間段才能發(fā)數(shù)據(jù)。 當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)與低優(yōu)先級(jí)設(shè)備碰撞時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)將被丟棄，然后重發(fā)。 IDN：在數(shù)據(jù)進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)之前，已經(jīng)被放入不同的通道；快速通道的數(shù)據(jù)可以截?cái)嗥胀ㄍǖ罃?shù)據(jù)，快速數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都沒(méi)有等待、排隊(duì)的時(shí)間，所有時(shí)延以及抖動(dòng)是可以保障的。 與TSN不同是，普通通道的數(shù)據(jù)雖然被截?cái)啵恍枰匕l(fā)，碎片將在鄰近的交換機(jī)進(jìn)行重組，不浪費(fèi)帶寬以及普通數(shù)據(jù)的性能。 |
數(shù)據(jù)冗余 | 多路徑傳輸方式，不止2條路徑，實(shí)現(xiàn)零自愈 | IEEE802.1CB冗余數(shù)據(jù)傳輸 雙路徑（HSR、PRP）傳輸方式 實(shí)現(xiàn)零自愈 | TSN的時(shí)間調(diào)度機(jī)制與雙路徑HSRPRP的結(jié)合方式還沒(méi)有明確的方法，只提了一個(gè)方向，能否完美實(shí)現(xiàn)還需大量驗(yàn)證。 IDN不是簡(jiǎn)單雙路徑，而是多路徑。雙路徑只能用在單一環(huán)網(wǎng)上，不需要智能路由算法；多路徑可應(yīng)用在所有組網(wǎng)拓?fù)渖希枰陚涞闹悄苈酚伤惴ā?/p> |
1.2 實(shí)施目標(biāo)
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(huì)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(huì)影響到OT的控制系統(tǒng)。眾所周知，在一個(gè)工廠中，控制系統(tǒng)是整個(gè)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(gè)性化定制”的家電新模式下，將產(chǎn)品制造與用戶聯(lián)起來(lái)，讓用戶全流程參與需求交互、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、物流交付等產(chǎn)品全過(guò)程，在這種體系下用戶"既是消費(fèi)者也是設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者"，用戶“個(gè)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(gè)用戶自定義的過(guò)程中，工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)節(jié)可以說(shuō)起著舉足輕重的作用，用戶從自己設(shè)計(jì)，到車間下料生產(chǎn)，再到產(chǎn)品出廠送到用戶手中，這個(gè)過(guò)程一定是實(shí)時(shí)而且準(zhǔn)確的。那么這就要求現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)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(wèn)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(shì)會(huì)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(jī)、總線交換機(jī)、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(jī)和總線交換機(jī)負(fù)責(zé)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)顯示。實(shí)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(shì)。然而，傳統(tǒng)的解決方案，無(wú)法實(shí)現(xiàn)IT和OT的融合，如前面提到的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制問(wèn)題，想要實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化IT和OT的融合，必然是出現(xiàn)新的技術(shù)才能實(shí)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(fēng)，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(chǎng)，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(lái)實(shí)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(shì)，這也是現(xiàn)在自動(dòng)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(xiàng)特征：
1) 雙通道機(jī)制：確保IT和OT的數(shù)據(jù)互不影響，并可以協(xié)同工作，達(dá)到融合的目的。
2) 數(shù)據(jù)傳輸多路徑：確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)多條路徑可達(dá)，在某條路徑，或多條路徑出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不影響設(shè)備的正常工作。
3) 精準(zhǔn)對(duì)時(shí)作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)無(wú)處不在、無(wú)時(shí)不在：為工業(yè)大數(shù)據(jù)所采集的信息加了一個(gè)時(shí)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(fù)雜的拓?fù)洌鹤尮S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(jiǎn)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(shí)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(dòng)化的IT和OT的融合成為了可能。因此，中國(guó)制造2025、“智能制造”“柔性制造”“個(gè)性化定制”就在我們的眼前了。
3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
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(guò)IND網(wǎng)絡(luò)融合到了一起，就網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)觀察，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)方案不僅提供了線路冗余，同時(shí)也提供了設(shè)備冗余。
3.3 功能設(shè)計(jì)
OT的數(shù)據(jù)有很多為PLC的控制數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求相對(duì)很高，那么它在IDN網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)先級(jí)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(wú)阻”，經(jīng)過(guò)每一條交換機(jī)的時(shí)延在0.8us到3us之間。而IT的數(shù)據(jù)，是相對(duì)對(duì)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(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌尵W(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(shuō)是零丟失的。如此復(fù)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(méi)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(shí)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(hù)機(jī)制，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布置完成之后，工廠網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)態(tài)，可以將用戶認(rèn)證過(guò)的MAC地址加入到白名單中，然后鎖定交換機(jī)的白名單，這樣，除去這些認(rèn)證過(guò)的MAC地址的數(shù)據(jù)可以上IDN網(wǎng)絡(luò)以外，其他沒(méi)有認(rèn)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(jī)生產(chǎn)工廠網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
海爾滾筒洗機(jī)工廠，廠區(qū)的網(wǎng)絡(luò)采用了IDN技術(shù)的IND網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(lái)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(shí)時(shí)的計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理。