智能工厂IOT网络融合方案.docx
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智能工厂IOT网络融合方案.docx
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智能工厂IOT网络融合方案
工业互联网
智能工厂IT/OT网络融合方案
智能工厂IT/OT网络融合
1概述
1.1背景
随着工业4.0概念的火热以及“中国制造2025”行动纲领的提出,越来越多的新技术、新概念呈现在我们面前。
其中“智能制造”“柔性制造”“个性化定制”是被提及最多的几个,同时这也是各大制造厂商升级和转型中的重点方向。
那么,提到以上这些新兴名词时,就不得不提多年以来不变的一个话题,也是制造厂商一直的痛点:
“IT和OT的融合”,由于现有以太网技术的局限性,使得自动化工厂面临一个尴尬的局面就是IT和OT不能完全融合在一起。
而随着工业4.0的步伐越走越快,IT和OT的融合又是一个不可避免的形势。
因此,如何将IT和OT很好的融合,成了摆在各个做工厂自动化的厂商面前的一个问题。
1.1.1IDN网络定义
那什么是IDN网络?
在解释这个问题前,我们要先提出一个全新的概念:
EOE(EthernetoverEthernet)假如我们将通信看成在公路上开车,传统的以太网只标记这辆车(网络接入设备),但EOE网络将车和路(交换机)都进行了标记。
应用EOE技术实现的网络就是智确定性网络IDN(Intelligent
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DeterministicNetwork)。
1.1.2IDN网络工作原理
图1EOE数据帧格式
IDN网络工作原理流程如图2:
图2IDN网络工作原理流程
工作过程:
SW模块数据传输上来后首先会添加EOE私有帧头,然后会对其进行校验,校验失败,会丢弃此数据,校验通过后,转给判断模块,判断模块对私有帧头部分进行判断,来决定数据的去向。
判断模块的逻辑框图如下:
图3判断模块的逻辑框图
IDN网络的通讯逻辑:
标准的数据帧从交换机模块送入,上
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EOE网络前会加上私有的8个字节的帧头组成私有协议的帧,向判断模块发出请求,由判断模块给出判断结果,再由转发模块发向环网模块的两个端口。
1.1.3IDN与现有实时网络对比
表1IDN与TSN网络对比
对比项
IDN网络
TSN网络
区别
在IOS七层结构中的位置
第二层,数据链路层
第二层,数据链路层
IDN与TSN相同,也仅是对MAC层定义。
区别在于需重新定义的范围,TSN需重新定义MAC的设备是所有设备,包括发数据送端、交换机、数据接受端。
IDN仅重新定义交换机的MAC层,数据发
送与接受不需要重新定义。
核心任务
(1)IDN的核心是“智能路由”,时钟同步不是必须前提。
但IDN为用户提供时钟同步解决方案。
(2)IDN通过通道机制实现高带宽与低时延
(3)IDN将路由算法集成到交换机的芯片中,用户系统实现“零”配
置
1).所有通信问题均基于时钟,确保时钟同步精度是最为基础的问题,TSN工作组开发基于IEEE1588的时钟
(2).数据调度机制:
为数据的传输制定相应的机制,以确保实现高带宽与低延时的网络传输。
(3).系统配置方法与标准,为了让用户易于配置网络
IDN技术体系不依赖于对时系统,对于以往没有对时功能的用户系统,易用性大大增强。
用户终端也不用为了配合TSN的调度算法而增加接入模块以及业务流程修改。
组网结构
任意组网
目前仍是传统的二层
组网;如星型,总线
就目前TSN形成的标准来看,并没有增加
二层组网能力的描述,集成传统二层组
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型,环型
网的局限性。
IDN的智能路打破组网的局限性,可以任
意组网。
在用户系统中,可以根据实际设备的布置、距离、要求,灵活调整。
精准时间同步
用户接口是B码接入、输出。
支持冗余路径以及冗余主站
基于1588对时方式
(IEEE802.1ASrev-)
增加对聚合链路的支持以及冗余路径和冗余主站
1588协议是相当复杂的协议,用户需要一定的研发实力以及投入才能完成。
并且1588需要硬件的支持,提高设备成本。
B码对时已普遍应用,可直接集成成熟模
块,基本没有研发投入。
确定性网络实现
通道机制
IEEE802.1Qbv时间感知队列;IEEE802.1Q
bu&IEEE802.3br转发与队列机制
时间调度表
TSN:
简单说,就是说有设备先把时间调整到一致,仲裁机构为所有设备分发时间表。
设备只有在被安排的时间段才能发数据。
当高优先级的数据与低优先级设备碰撞时,低优先级的数据将被丢弃,然后重发。
IDN:
在数据进入到网络之前,已经被放入不同的通道;快速通道的数据可以截断普通通道数据,快速数据在网络中所有节点都没有等待、排队的时间,所有时延以及抖动是可以保障的。
与TSN不同是,普通通道的数据虽然被截断,但不需要重发,碎片将在邻近的交换机进行重组,不浪费带宽以及普通数
据的性能。
数据冗余
多路径传输方式,不止2条路径,实现零自愈
IEEE802.1CB冗余数据
传输
双路径(HSR、PRP)传输方式
实现零自愈
TSN的时间调度机制与双路径HSR\PRP的结合方式还没有明确的方法,只提了一个方向,能否完美实现还需大量验证。
IDN不是简单双路径,而是多路径。
双路径只能用在单一环网上,不需要智能路由算法;多路径可应用在所有组网拓扑
上,需要完备的智能路由算法。
1.2实施目标
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在传统的以太网中,IT和OT并非整的不可以融合的,而是工厂“不敢”把IT和OT融合到一起。
原因是传统网络是以“尽力服务”的方式在工作的,在融合后会产生一些工厂不可以接受的弊端。
例如,IT的数据流量会影响到OT的控制系统。
众所周知,在一个工厂中,控制系统是整个工厂的生命线,任何情况下,任何数据都不可以影响到工厂的控制系统。
在“个性化定制”的家电新模式下,将产品制造与用户联起来,让用户全流程参与需求交互、产品设计、生产制造、物流交付等产品全过程,在这种体系下用户"既是消费者也是设计者、生产者",用户“个性化”与制造“规模化”之间的矛盾自然也迎刃而解。
而在这个用户自定义的过程中,工业以太网环节可以说起着举足轻重的作用,用户从自己设计,到车间下料生产,再到产品出厂送到用户手中,这个过程一定是实时而且准确的。
那么这就要求现场生产时要考上层的软件去控制的,也就是我们所提的IT和OT的融合问题。
1.3适用范围
IDN网络适用于任何以以太网为数据载体的系统内,在网络架构比较大的情况先IDN网络优势会更加的明显,在数据“确定性”“安全性”要求较高或者很高的网络中IDN网络几乎是不可替代的。
1.4在工业互联网网络体系架构中的位置
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图4工业互联网互联示意图
在图4中,此解决方案属于1、5、6的范围。
方案主要的硬件组成有:
工业以太网交换机、总线交换机、服务器以及数据采集、显示软件。
工业以太网交换机和总线交换机负责将IT数据和OT的数据接入到服务器或工厂云服务器(工厂云)中,进行数据处理、存储以及数据显示。
实现IT和OT的融合。
2需求分析
用户需求:
工厂IT和OT的融合,是工业4.0的必然趋势。
然而,传统的解决方案,无法实现IT和OT的融合,如前面提到的现有网络的机制问题,想要实现工厂自动化IT和OT的融合,必然是出现新的技术才能实现的。
那么,IDN网络就是这样的创新,就是迎着工业4.0的大风,杨帆起航的帆船。
3解决方案
3.1方案介绍
在工业现场,IT和OT的融合,存在着诸多的挑战和壁垒,想要突破这些壁垒,现有的技术是行不通的,所以必定要用新
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的技术来实现。
那么,IDN网络在IT和OT融合的解决具有很大的优势,这也是现在自动化工厂转型所真正需要的网络架构。
IDN网络,具备6项特征:
1)双通道机制:
确保IT和OT的数据互不影响,并可以协同工作,达到融合的目的。
2)数据传输多路径:
确保整个网络数据多条路径可达,在某条路径,或多条路径出现问题时不影响设备的正常工作。
3)精准对时作为网络服务无处不在、无时不在:
为工业大数据所采集的信息加了一个时间的维度,这在数据分析意义重大。
4)整体网络趋向二层传输,提升网络效率:
提高网络的带宽,给工厂提供更有效的网络服务。
5)复杂的拓扑:
让工厂的网路更加安全可靠。
6)零配置组网:
让工厂的施工更加简单易用。
以上的这些网络的特性,是现有网络所不完全具备的,因此要想实现真正的网络融合,网络的这些特性是必不可少的。
有了IDN网络让厂商做工厂自动化的IT和OT的融合成为了可能。
因此,中国制造2025、“智能制造”“柔性制造”“个性化定制”就在我们的眼前了。
3.2网络拓扑设计
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图5网络架构
如图所示,IT层的网络和OT层的网络通过IND网络融合到了一起,就网络架构观察,整个网络方案不仅提供了线路冗余,同时也提供了设备冗余。
3.3功能设计
OT的数据有很多为PLC的控制数据,对网络的要求相对很高,那么它在IDN网络中的优先级可以设为“快速数据”,这样它在IND的网络中将“畅通无阻”,经过每一条交换机的时延在0.8us到3us之间。
而IT的数据,是相对对确定性要求不那么高的数据,但是IDN网络在保证“快速数据”确定的情况下,不影响IT数据的工作。
复杂的网络拓扑,让网络的可靠性大大的增加,数据多路径的传输,让数据几乎可以说是零丢失的。
如此复杂的网络是由全二层的网络搭建成的,这在业界更是“不可思议”的事情,这位客户节省了布置网络的成本。
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组网的零配置,使工厂的网络建设再也没有难度,不需要专业的网络工程师,只要电工就可以为您组一套这样的安全、可好、实用的网络。
3.4网络安全
网络安全一直是工业互联网火热的话题之一,IND网络提供了白名单锁定的安全保护机制,在工业现场布置完成之后,工厂网络趋于稳态,可以将用户认证过的MAC地址加入到白名单中,然后锁定交换机的白名单,这样,除去这些认证过的MAC地址的数据可以上IDN网络以外,其他没有认证的数据统统丢掉。
4成功案例
图6海尔滚筒洗机生产工厂网络拓扑
海尔滚筒洗机工厂,厂区的网络采用了IDN技术的IND网络,实现了IT和OT的融合,在不影响生产的情况下,办公网和MES以及视频服务器都在互联互通。
采用IND网络给海尔工厂带来的好处是,在原有3套网络的方案,缩减为1套网。
多网的融合,让MES系统更加实时的计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理。
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