工业通信网络的架构、应用场景及需求
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主要参考： [1]常洁,王艺,李洁,陈正文.工业通信网络现有架构的梳理总结和未来运营商的发展策略[J].电信科学,2017,33(11):123-133. [2]李洁,张东,常洁,杨震.面向智能制造的工业连接现状及关键技术分析[J].电信科学,2017,33(11):146-153.
目录
工业互联网、工业4.0、中国制造2025一脉相承，都面向智能制造力图实现工业制造的纵向集成、横向集成和端到端集成。
定义 | 目的 | |
|---|---|---|
纵向集成 | 侧重产品的设计、制造过程到产品全生命周期的集成过程，实现从企业管理、生产执行、生产监控到现场设备的集成。 | 基于智能工厂中网络化的制造体系，实现分散式生产，替换传统集中式中央控制生产。 |
横向集成 | 传统的供应链、工厂到销售网络的直线型价值组织方式联网，形成网络制造生态。 | 工厂智能化，生产单元更为细小，便于个性化生产。实现价值生态重构和商业模式创新。 |
端到端集成 | 从工艺流程角度审视智能制造，包含研发、原材料采购、物流、仓储、生产、销售、交付和服务的产品全生命周期流程的灵活集成。 主要体现在并行制造商, 将由单元技术产品通过集成平台, 形成企业的集成平台系统, 并朝着工厂综合能力平台发展。 | 在一个单一的产业链上完成端到端集成, 可以实现产品的更好体验和利益的最大化, 从而提升产业链控制力。 |
1、ISA-95标准参考模型
ISA-95标准参考模型如图1所示, 共分为5层。MES在企业业务计划层与底层控制层之间, 处于中间层，关注企业的制造执行, 其主要的功能范围和制造执行层相对应；同时MES也考虑与业务计划层及过程控制层所选用系统之间的信息交互。
图1 ISA-95标准参考模型
层级 | 功能 |
|---|---|
第0层 | 实际的生产或制造过程 |
第1层 | 监控和处理生产过程中的人工或传感器，以及相应的执行机构 |
第2层 | 手动或自动的控制动作，使过程保持稳定或处于控制下 |
第3层 | MES的关注范围，包括生产期望产品的工作流活动，生产过程的协调与优化、生产记录的维护等 |
第4层 | 制造组织管理所需的各种业务相关活动，包括建立基础车间调度、确定库存水平以及确保物料适时适量生产等 |
注：第3层与第4层的接口通常是工厂生产计划和运行管理及车间协调间的接口 | |
2、RAMI 4.0参考架构
图2 RAMI 4.0参考架构
RAMI 4.0从3个层面对模型进行阐述：
- 第1个维度（左侧垂直轴）。从IT视角的架构出发，借用ISO/OSI七层模型，下层为上层提供接口，上层使用下层的服务。
- 第2个维度（左侧水平轴）。从业务流程（生产过程）视角的架构出发，完整的生命周期从规划开始，到设计、仿真、制造直至销售和服务。
- 第3个维度（右侧水平轴）。从应用视角的架构出发，主要关注工业生产环境下产品的制造过程控制和管理功能。此外，工业4.0不仅关注生产产品的工厂、车间和机器，还关注产品本身以及工厂外部的跨企业协同关系，因此在工厂底层增加了“产品”层，工厂顶层增加了“互联世界”层。
3、工业互联网络体系架构
包括工厂内部网络和工厂外部网络（如图），工厂内部网络呈现“两层三级”结构，两层主要指OT网络和IT网络两层技术异构的网络，三级指目前工厂管理层级，包括现场级、车间级、工厂级/企业级3层，每层之间的网络配置和管理策略相互独立。
图3 工业互联网络体系架构
工厂内部网络 | 工厂外部网络 | ||
|---|---|---|---|
工厂OT网络 | 工厂IT网络 | ||
作用 | 用于连接生产现场的控制器（PLC/DCS/FCS等）、传感器、伺服器、监控设备等。 | 主要由IP网络构成，通过网关实现与互联网和工厂OT网络的互联和安全隔离 | IT系统（ERP、CRM等）与互联网深度协同和融合，将IT系统托管在互联网云平台，或利用SaaS服务商提供的企业IT软件服务。 |
层级 | 现场级：生产设备/仪表/IO等 控制级：SCADA/HMI/PLC等 | 车间级：MES 工厂级：ERP/PLM/SCM/CRM等 | 互联级 |
网络特点 | 数据可靠性保证，网络大带宽需求增加。 采集接口与协议多样，需要适配多种采集接口协议。 | 底层数据量的指数型增长、视频等高带宽应用向工业的渗透，对网络的带宽、时延及抖动性能要求越来越高 | 对可靠性、带宽、时延性能、业务形态等方面要求较高 |
网络技术 | 有线为主，无线为辅。 现场总线、工业以太网、WiFi、工业WSN、5G等 | 有线承载为主。 商业以太网、WiFi、RFID、蓝牙、ZigBee、5G等 | 互联网、公共移动网 、专线等，其中专线现有解决方案是使用非授权频段扩展到公共区域。 |
未来趋势 | 具有时延敏感性的工业以太网的统一网络 | 工业PON等带动有线网络开始升级, 少量大型工厂自建专用蜂窝移动网络 | |
4、IT-OT融合体系架构
图4 工业系统模型梳理
现有的架构主要集中于制造企业内部工厂内，以网络为依托，采取纵向分层、横向分散的策略。纵向分层主要参考ISA-95参考模型，包含现场级、控制机、车间级和工厂级4层。工厂内由于现场作业的特点，使得业务处理位置分散、软硬件条件参差不齐，且需要维护的设备种类数量繁多，这就要求系统用简便、高效、智能的技术手段简化系统的维护工作。企业外部采用互联网、专线和移动网络等与合作伙伴、用户和智能设备互联。
因此，工业网络的分层架构主要分为现场级、控制级、车间级、工厂级和互联级，其中互联级主要位于厂外，以运营商公用网络承载为主，由互联网、公共移动网和专线等组成。其中，专线缺乏“随选”能力，现有解决方案是部分企业使用非授权频段，将“连接能力”扩展到公共区域。
图5 IT-OT融合体系架构
5、工业网络3类应用场景和8项需求
现有工业通信网络应用场景主要包括3类：广域应用场景、工厂级应用场景和现场级应用场景，具体描述如下。
场景定义 | 通信方式 | 缺点 | |
|---|---|---|---|
广域应用场景 | 多厂间的广域网络访问和通信、协同设计、供应链协作、多厂间物流等 | 一般采用互联网、专线网络或VPN虚拟专网方式 | |
工厂级应用场景 | 移动办公应用、移动MES应用、安全管理 (无线视频监控和无线巡检) 、节能管理、集群通话和厂区内智能物料运输和配送等 | 一般采用以太网+Wi-Fi的覆盖方式 | 线缆部署复杂、施工周期长、维护成本高、能耗和空间占用大； Wi-Fi存在网络覆盖不全面、多Wi-Fi部署、网络信号不稳定和安全性等问题 |
现场级应用场景 | 数据采集及分析，生产过程数据、设备故障信息、资源监控的可操作和可视化 | 一般采用工业控制总线 | 布线成本比较高, 有些地方不好布线, 工业控制总线数据采集不够全面, 组网方式比较简单, 新的应用场景需要更多样的拓扑结构 |
工业通信网络的8项需求具体描述如下。
需求类型 | 性能要求 | ||
|---|---|---|---|
1 | 现场设备与工厂控制系统的连接 | 底层I/O、PLC等控制单元、IPC等上位机的互联 | 需要在保障可靠性、时延性能的同时大幅提升带宽和规模, 确保不同协议间的数据互通和物理互通 |
2 | 现场设备与私有云平台的连接需求 | 现场设备通过以太网或者光网络，跨越上位机，与运行在私有云上的MES等IT系统的直接连接 | 需要通过网络和各类现场工业通信协议的高效互通 |
3 | 工业控制系统与私有云平台的连接需求 | 控制系统与信息系统的互联 | 视频等高带宽应用在工业领域的使用, 此类连接需要大幅提升工业以太网和通用网络技术的互通性能 |
4 | 私有云平台与人的连接需求 | 人通过HMI、移动设备等方式与工业IT系统的交互 | 提升HMI、SCADA、远程操控、移动设备操控等不同的软硬件人机界面的性能, 提升管理的敏捷性和效率 |
5 | 企业与工业公有云的连接需求 | IT系统与互联网的融合、OT系统与IT系统的融合、企业专网与互联网的融合等 | 在可靠性、带宽、时延性能、业务形态等方面提出新的要求 |
6 | 企业和企业的连接需求 | 不同企业信息系统互通需求, 分为两个层次：1）CRM、ERP等非核心系统的互通；2）MES等核心系统的互通 | 两类互通需求都对远程互联的可靠性、时延性能、安全性提出了新的要求 |
7 | 企业和用户的连接需求 | 用户需求与工业系统的实时互通是实现个性化定制的基础 | 需要工业云平台对用户定制应用的良好支撑以及对制造、物料、物流的高效协同 |
8 | 企业和智能产品的连接需求 | 产品和工厂的泛在连接将是预测性维护、远程维护的网络基础, 也是企业实现服务化转型的基础 | 需要重点解决广域大连接的问题, 需要物联网技术的深度应用 |
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