工业互联网网络连接学习笔记

作者: 云中布衣   分类:  学习笔记    热度: (492℃)   时间: 2019-3-7 13:46   标签: #工业互联网  #网络连接    
2017年11月,国务院发布《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,该《指导意见》指出要将“夯实网络基础”作为主要任务之一,提出大力推动工业企业内外网建设。
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阅读《工业互联网网络连接白皮书》,挖掘工业互联网交换中心应用场景。

一、工厂内网络

工厂内网络目前呈现“两层三级”的结构,“两层”是指存在“工厂IT网络”和“工厂OT网络”两层技术异构的网络。“三级”是指根据目前工厂管理层级的划分,网络也被分为“现场级(已有部分现场设备支持工业以太网通信接口,但仍有大量的现场设备依旧)”、“车间级”(这部分主流是采用工业以太网通信方式,也有部分厂家采用自有通信协议进行本厂控制器和系统间通信)、“工厂级/企业级”(企业IT网络通常采用高速以太网以及TCP/IP进行网络互联)三个层次,每层之间的网络配置和管理策略相互独立。

工业互联网的智能工厂中,企业级IT管理运营系统对现场实时工艺过程数据和设备状态数据有着强烈的需求。如何高效便捷部署现场设备的通信互联,以及如何利用先进的网络技术实现现场与管理级系统间高时效性、高可靠性数据通信,是目前工业网络系统技术领域普遍面临的焦点问题。

目前工业控制领域常用的通信协议分为三类:现场级总线协议、工业以太网协议和工业无线网络协议。随着工业互联网/工业4.0的广泛推进,工业通信技术的更新换代的节奏也越来越快,工厂内网咯呈现出融合、开放、灵活的三大发展趋势。

5G(uRLLC应用场景),工业机器人的控制。5G支持生产设备、移动机器人、AVG等之间的协作。

二、工厂外网络

现状,由于工业不同企业和领域信息化发展水平不一,对工业化数据信息开发利用的广度、深度不尽相同,因此存在着工厂外网络建设和发展不均衡,部分工业企业仅申请了普通的互联网接入,部分工业企业的不同区域仍存在信息孤岛的现象。

趋势,随着工业网络化、智能化的发展,工业内的系统与应用逐步向外扩展,工业互联网工厂外网络的服务呈现普遍化、精细化、灵活化的趋势。

1)工厂外网络服务普遍化
传统的工厂外网络主要提供商业信息沟通,企业的信息系统也都部署在工厂内网络上,工厂外网络连接对象少,服务单一。随着云平台技术的发展,一些企业信息系统(如ERP、CRM等)正在外网化,越来越多IT软件也都基于互联网上云平台提供服务。随着工业产品和装备的远程服务业的发展,未来海量设备的远程监控、维修、管理、优化等业务都将基于工厂外网络开展。

注:随着一些企业信息系统(如ERP、CRM)正在外网化,协同制造中协议的互通,可以通过工业互联网交换中心实现

2)工厂外网络服务精细化
工业互联网工厂外网络将实现全产业链条、价值链的泛在互联,复杂多样的连接场景促进了服务的精细化发展。

3)工厂外网络服务灵活化
网络虚拟化、软件化的发展,提高网络服务的灵活性,使得工厂网络将能够根据企业要求快速开通服务,快速调整业务大量移动通信网络技术的应用,提高了网络接入的便捷程度和部署速度,为企业实现广泛互联提供更灵活的方式选择。

企业专线

工业实体的广域互联网业务需求主要包括以下几个方面:
工业实体的互联网接入需求
工业实体跨区域之间的互联与隔离需求
工业网络与混合云互联的需求
工业互联网对广域承载网络的差异化需求(QoS、安全/保护等)

当前满足以上需求,广泛使用的运营商专线业务主要包括:MPLS VPN专线、基于OTN的光网专线

MPLS(Multi-Protocol Label Switching,多协议标签交换)
基于OTN(Optical Transport Network)的智能光网络是大颗粒宽带业务传送的理想解决方案,如果企业外部专网的主要调度颗粒达到Gb/s量级,可以考虑优先采用OTN技术进行网络构建。

此外新兴的SD-WAN、CloudVPN等技术,可以与已有技术互补,整合各类专线资源,并通过统一的能力开放调用平台,对用户形成透明的、一体化的、并屏蔽部分技术复杂性的工厂外网解决方案,更经济的满足企业对专线业务快速变化的需求。

移动通信网络

随着工业互联网的发展,工业生产过程已不仅仅局限在工厂内,开始逐步通过工厂外网络,将工业生产与互联网业务模式、工厂和产品以及客户之间进行深度融合。在一些生产过程中,工厂与场外设备、传感器间的通信需求也大幅增长。

LTE(实现IT系统与互联网的融合、企业专网与互联网的融合等)
NB-IoT网络,是基于LTE核心网络网络架构,通过对LTE网络架构的优化满足了物联网应用中的大连接、小数据、低功耗、低成本、深度覆盖等需求。
NB-IoT技术实现了低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,实现了对待时间和覆盖有较高要求设备的高效连接。
5G(高带宽、低时延、大连接)

三、工业互联网数据互通

现状,据不完全统计,目前国际上现存的总线/工业以太网协议数量高达40余种。还存在一些自动化控制企业,直接采用私有协议实现全系列工业设备的信息交互。在这样的产业生态下,形成一个个竖井型的业务系统,同一个系统内的数据可以一定程度的互通,但跨系统的数据互通非常困难。

趋势,实现信息的标准化、加强与云的连接、强调与现场级设备的互通。

面向工业现场设备的OPC UA(OPC 统一架构),OPC UA 是一套安全的、可靠且独立于制造商和平台,可是不同操作系统和不同制造商的设备之间可以进行数据交互,适用于工业通讯的数据交互规范。OPC UA的目的是为工厂车间和企业之间的数据和信息传递提供一个与平台无关的互操作标准。

OPC,OLE for Process Control
OLE,Object Linking and Embedding

目前OPC UA技术还在积极考虑与TSN等技术进行结合,提高数据互联的实时性和可靠性,向现场设备端延伸。
OPC UA的基础是传输机制和数据建模

面向轻量级设备的LightweightM2M,简称LwM2M,是一种轻量级的物联网设备管理协议,有国际标准组织OMA(Open Mobile Alliance)制定。

在未来工厂,LwM2M协议可以广泛应用在能耗监控、环境检测、物流跟踪、简单控制等生产辅助环节的受限设备上,完成进行数据采集、检测值上报、设备升级维护等。各领域的设备都能方便快速的采用LwM2M集成到平台,进行数据汇聚及互通,从而使能全流程、全方位的运营优化。

oneM2M是由全球8家ICT行业领先的标准制定组织(中国CCSA、欧洲ETSI、北美TIA和ATIS等)和6家行业联盟联合制定的物联网标准。oneM2M致力于不同行业及标准之间的协作和沟通,例如工业、车联网、健康医疗、智慧城市、家居等,主要目标是通过定义通用的业务能力规范,实现不同协议、不同类型IOT设备和应用间的跨行业的连接和互通。

oneM2M定义了支持设备管理、数据模型和链接控制等在内的业务体系架构,及基于该体系架构的开放接口和基于语义的互操作能力。oneM2M通过定义统一的信息模型,以及不同行业协议和信息到oneM2M的映射,实现跨行业的互通。应用可以通过调用oneM2M提供的公共能力实现对不同行业数据的访问、查询、订阅等业务;对单个行业来说,可以借助oneM2M实现对周边相关跨行业的数据采集和分析,从而通过极大的丰富行业可以提供的业务多样性。

四、适配边缘计算架构的网络连接
工业互联网早期的架构,一般考虑云平台统一部署,对现场设备和机器都进行集中控制。但由于工业领域对高可靠、低时延、确定性以及业务安全性等的实际需求,当前又呈现出计算能力向边缘分布的发展趋势。

五、部署与演进
工厂内、外网络需要统一协调,但可以技术解耦,分开演进。
56.8K

评论:

网站建设 Say:
受教了

2019-03-11 11:05


云中布衣
2019-03-11 14:06
@网站建设:谢谢,常来

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