工業(yè)信息技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

工業(yè)信息技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1金融科技戰(zhàn)略推動(dòng)智能制造成為國(guó)家戰(zhàn)略焦點(diǎn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為第四次輕工業(yè)革命的重要基礎(chǔ)，其發(fā)展受到國(guó)內(nèi)外有關(guān)各方的高度重視和積極推動(dòng)。自國(guó)務(wù)院2017年發(fā)布《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》以來(lái)，一系列如《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020年)》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和推廣指南》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)與推廣指南》《關(guān)于印發(fā)加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全工作的指導(dǎo)意見(jiàn)的通知》等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)政策不斷出臺(tái)，全國(guó)31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)也陸續(xù)出臺(tái)政策，因地制宜推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，積極培育本地特色產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一部分，包含了工業(yè)制造行業(yè)、能源行業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)等諸多典型行業(yè)。近年來(lái)，我國(guó)政策不斷加速推動(dòng)工業(yè)制造的改革進(jìn)程，智能制造更是成為國(guó)家戰(zhàn)略焦點(diǎn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智能制造最關(guān)鍵的承載基礎(chǔ)，作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展空間巨大，在推動(dòng)工業(yè)改造升級(jí)、培育新動(dòng)能方面，將發(fā)揮更大的作用，并不斷催生新模式、新業(yè)態(tài)和新產(chǎn)業(yè)。2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與連接技術(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是機(jī)器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人的全面互聯(lián)，是網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全的有機(jī)融合，最終實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制和服務(wù)化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。工業(yè)和信息化部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)組織制定的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)指南》中指出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)與連接技術(shù)主要包括工廠外網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)以及異構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)間互通技術(shù)。其中，工廠外網(wǎng)包含生產(chǎn)資源、商業(yè)資源以及用戶、產(chǎn)品的互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)及虛擬專用網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)，包括基于多協(xié)議標(biāo)簽交換、光傳送網(wǎng)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SoftwareDefinedNetwork，SDN)等技術(shù)的虛擬專用網(wǎng)，以及基于蜂窩技術(shù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。工廠內(nèi)網(wǎng)即工業(yè)設(shè)備、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)之間的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，包括工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TimeSensitiveNetwork，TSN)、確定性網(wǎng)絡(luò)、SDN、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以及5G工業(yè)應(yīng)用等關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)。目前，我國(guó)在工廠外網(wǎng)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)基礎(chǔ)較好，而在工廠內(nèi)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)方面的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，工廠內(nèi)網(wǎng)的基礎(chǔ)建設(shè)以及技術(shù)積累尚處于起步階段。35g需要實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)的理解中，5G主要為智能手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)設(shè)備提供了更快的網(wǎng)速，而實(shí)際上工業(yè)才是發(fā)揮其最核心價(jià)值的領(lǐng)域。5G的三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)分別是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、大規(guī)模機(jī)器通信和高可靠低時(shí)延通信(UltraReliable&LowLatencyCommunication，uRLLC)。要想提高工廠效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，就需要完成工業(yè)自動(dòng)化控制，而這需要端到端毫秒級(jí)的低時(shí)延和接近100%的高可靠性通信做保障。因此，uRLLC場(chǎng)景的應(yīng)用是5G能在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的助推器。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的使命，歸結(jié)起來(lái)是工廠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化與智能化。以工業(yè)4.0為代表的全球第四次工業(yè)革命愈演愈烈，機(jī)器設(shè)備、人和產(chǎn)品等制造元素不再是獨(dú)立的個(gè)體。從過(guò)去的人與物相連，逐步過(guò)渡到物與物緊密聯(lián)系在一起，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)、高效和智能化的制造系統(tǒng)。5G拓寬工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示意圖如圖1所示。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，5G技術(shù)拓寬了互聯(lián)網(wǎng)的影響范圍，貫穿工業(yè)制造應(yīng)用場(chǎng)景的全過(guò)程，覆蓋供應(yīng)鏈管理、自動(dòng)導(dǎo)引車(AutomaticGuidedVehicle，AGV)、生產(chǎn)過(guò)程控制、機(jī)器協(xié)作、庫(kù)存管理和產(chǎn)品分發(fā)管理等各個(gè)環(huán)節(jié)。5G貫穿工業(yè)制造各環(huán)節(jié)示意圖如圖2所示。4tsn是工業(yè)聯(lián)網(wǎng)的一種實(shí)時(shí)表現(xiàn)一直以來(lái)，自動(dòng)化在某種程度上始終是工廠實(shí)現(xiàn)良性運(yùn)行的保障。發(fā)展至今，許多工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用需要實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)延和可靠性的要求非常嚴(yán)格。但是，現(xiàn)有的大部分自動(dòng)化控制解決方案都是基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，而且各大廠商還研發(fā)了一些附加的技術(shù)機(jī)制，形成不同廠家間的技術(shù)壁壘，從而導(dǎo)致各大廠商的協(xié)議互不兼容。傳統(tǒng)以太網(wǎng)的解決方案市場(chǎng)嚴(yán)重分散，無(wú)法支持未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。隨著工業(yè)4.0的提出，TSN受到越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師、工程師和最終用戶的關(guān)注。因?yàn)門SN迎合了工業(yè)以太網(wǎng)的需求，代表了可靠和標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展方向，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一底層通信標(biāo)準(zhǔn)打下了基礎(chǔ)。TSN是一種基于IEEE802.1的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。顧名思義，TSN專注于時(shí)間，它可以確保信息在固定且可預(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)55g數(shù)據(jù)傳輸5G在uRLLC場(chǎng)景下，擁有極短的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。5G與TSN融合，能充分發(fā)揮5G的靈活性和TSN的低時(shí)延特性，從而解決工業(yè)生產(chǎn)中的主要需求。例如，有效減少工廠內(nèi)的電纜鋪設(shè)、實(shí)現(xiàn)廠房?jī)?nèi)移動(dòng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用等。而TSN的核心思路是在數(shù)據(jù)流發(fā)送前，由一個(gè)中央網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)責(zé)規(guī)劃數(shù)據(jù)流的路由路徑，確認(rèn)沿途各交換機(jī)需要的資源配置以及數(shù)據(jù)流的時(shí)延。類似火車、地鐵運(yùn)營(yíng)的時(shí)刻管理，各數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)分組通過(guò)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間提前規(guī)劃，避免擁塞和減少緩存，從而給予數(shù)據(jù)流與傳統(tǒng)以太網(wǎng)不相同的“確定性”。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中將傳感器、作業(yè)設(shè)備和車輛等工業(yè)設(shè)備以無(wú)線方式通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)連接到工業(yè)控制器，為了支持端到端的服務(wù)質(zhì)量(QualityofService，QoS)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與TSN進(jìn)行強(qiáng)有力的互聯(lián)，提供一種端到端的TSN數(shù)據(jù)流。而5G幾乎是目前乃至將來(lái)一段時(shí)期內(nèi)的最優(yōu)方案，端到端的TSN流示意圖如圖3所示。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G接入網(wǎng)具有高可靠低時(shí)延特性，可實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)機(jī)器不受電纜安裝限制就能接入工廠內(nèi)TSN，同時(shí)又能像有線連接一樣滿足工業(yè)端到端控制所需的無(wú)縫連接和高穩(wěn)定性。例如，通過(guò)為工廠內(nèi)的機(jī)器臂、裝配線和作業(yè)車等部署支持5G接入的傳感器，接入與TSN設(shè)備互聯(lián)的控制器，即可實(shí)現(xiàn)幾乎時(shí)間同步的遠(yuǎn)程控制隨著各大廠家關(guān)注TSN，新興的TSN標(biāo)準(zhǔn)逐步被整合到5G網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)一步發(fā)展了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。TSN與5G融合技術(shù)通過(guò)5G支持時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使得傳感器、執(zhí)行器等工業(yè)設(shè)備，可以與可編程邏輯控制器進(jìn)行無(wú)線的、確定性的通信。這符合智能工業(yè)的要求，還可降低成本，催生新的商業(yè)模式，并簡(jiǎn)化工廠運(yùn)營(yíng)流程。融合技術(shù)包括基于5G系統(tǒng)的TSN同步、支持TSN的以太網(wǎng)、5G的uRLLC傳輸技術(shù)(尤其針對(duì)低時(shí)延循環(huán)數(shù)據(jù)流)和5G點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的QoS管理及智能調(diào)度程序算法。6工業(yè)控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)和實(shí)體系統(tǒng)將緊密聯(lián)系在一起，也就是工廠網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的處理器和傳感器連接起來(lái)，使得工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備之間可以進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)互相溝通，形成智能工廠。智能工廠是5G和TSN等工廠內(nèi)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一。6.1u3000tsn和5g協(xié)同性測(cè)試2019年11月，博世和高通在德國(guó)紐倫堡的智能生產(chǎn)解決方案交易會(huì)上，展示了通過(guò)實(shí)時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)使用TSN的工業(yè)設(shè)備完成兩種工業(yè)設(shè)備協(xié)同工作。雙方聯(lián)合展示了兩個(gè)工業(yè)終端通過(guò)無(wú)線連接，并以時(shí)間同步的方式運(yùn)行，表明了TSN和5G的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)精確同步，無(wú)需有線連接該演示使用了5G工業(yè)測(cè)試終端使兩個(gè)博世的核心控制器在5G測(cè)試網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。用戶可以通過(guò)無(wú)線連接，查看以時(shí)間同步運(yùn)行的兩個(gè)工業(yè)設(shè)備(博世電機(jī)和工業(yè)閃光燈)。其中TSN核心控件還可指定3.7～3.8GHz頻段，通過(guò)5G實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。這一頻段目前已被德國(guó)指定用于工業(yè)企業(yè)作為5G專網(wǎng)使用。這為5G+TSN實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)互聯(lián)打下基礎(chǔ)。6.2基于tsn的生產(chǎn)測(cè)試英特爾聯(lián)合博世建立了TSN與5G融合技術(shù)早期概念驗(yàn)證項(xiàng)目。該項(xiàng)目以英特爾的5G原型解決方案為基礎(chǔ)，用以滿足智能工廠的遠(yuǎn)程控制、生產(chǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)控需求。這一概念驗(yàn)證了包括支持5G通信的用戶設(shè)備、5G接入網(wǎng)及5G核心網(wǎng)，三者可直接與博世的TSN可編程邏輯控制器配合，驗(yàn)證技術(shù)可行性。英特爾TSN與5G融合技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目如圖5所示。在這一項(xiàng)目中，通過(guò)工廠的有線基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行支持，兩套TSN可編程邏輯控制器采用開(kāi)放平臺(tái)通信的統(tǒng)一架構(gòu)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行5G通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備移動(dòng)角度的控制和高速轉(zhuǎn)輪速度同步。就具體性能而言，該項(xiàng)目展示的基于5G系統(tǒng)的TSN同步，定時(shí)誤差遠(yuǎn)低于1μs，時(shí)間關(guān)鍵動(dòng)作控制指令的單向時(shí)延最長(zhǎng)只有4ms，同時(shí)專用的5G工業(yè)頻段下更可進(jìn)行4K超高清視頻流直播。該項(xiàng)目是首批展示TSN與5G融合技術(shù)功能的項(xiàng)目之一，實(shí)現(xiàn)了5G系統(tǒng)下的基于802.1as的同步和基于802.1qbv的關(guān)鍵數(shù)據(jù)包的時(shí)間感知送達(dá)，以及支持5G的uRLLC場(chǎng)景下，設(shè)備到設(shè)備的QoS調(diào)度程序可以滿足時(shí)間的“確定性”關(guān)鍵數(shù)據(jù)包送達(dá)的要求。此外，項(xiàng)目還展示了微秒級(jí)的時(shí)間同步、毫秒級(jí)的最差時(shí)延和99.999%的可靠性。工廠系統(tǒng)整體通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工業(yè)時(shí)間同步，可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在多個(gè)工廠站點(diǎn)之間完美地統(tǒng)一運(yùn)行，這是靈活自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵要求。7g+tsn聯(lián)動(dòng)助推工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐下的智能工廠將大幅改善勞動(dòng)條件，減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，提高生產(chǎn)過(guò)程可控性。最重要的是借助于信息化技術(shù)打通企業(yè)的各個(gè)流程，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)生產(chǎn)到銷售各個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源的整合優(yōu)化。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，以此為基礎(chǔ)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要不斷更新技術(shù)，以滿足帶寬、互聯(lián)互通和時(shí)延方面更高的要求。5G+TSN的融合為這些需求提供了一種可行