數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能技術(shù)：生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與通信 課件第8章 智能制造網(wǎng)絡(luò)集成案例

第8章智能制造網(wǎng)絡(luò)集成案例演講人2024-07-051場景描述某學校需要搭建一個工業(yè)4.0學習工廠用于教學與科研，該學習工廠的核心產(chǎn)線由訂單管理系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)、產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)和智能產(chǎn)線構(gòu)成。其中智能產(chǎn)線由以下4個智能工站組成：智能倉儲工站、智能加工工站，智能裝配工站、視覺檢測工站，及配套的中央控制臺、激光Slam導航AGV構(gòu)成，可以實現(xiàn)印章與齒輪軸兩種產(chǎn)品的混線和個性化生產(chǎn)，如圖8-1所示。在此背景下，設(shè)計一個智能制造車間網(wǎng)絡(luò)集成方案，確保生產(chǎn)的可靠性、安全性和靈活性。1場景描述圖8-1產(chǎn)線示意圖2需求分析工業(yè)4.0倡導智能化、數(shù)字化和自動化生產(chǎn)，這要求各種工業(yè)設(shè)備、傳感器和系統(tǒng)之間能夠相互通信和協(xié)作，而網(wǎng)絡(luò)作為它們之間的橋梁和紐帶，扮演著至關(guān)重要的角色。工業(yè)4.0中，數(shù)以千計的傳感器、設(shè)備和控制系統(tǒng)需要即時地交換各種數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息等。而網(wǎng)絡(luò)負責傳輸這些數(shù)據(jù)，確保信息能夠及時、準確地到達目的地。這在實現(xiàn)智能化監(jiān)控、預測性維護等方面至關(guān)重要。在工業(yè)4.0時代，各種工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)需要能夠互相通信和協(xié)作，以實現(xiàn)智能化、自動化的生產(chǎn)流程。為了實現(xiàn)工業(yè)4.0時代的生產(chǎn)需求，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要具備以下特點：高可靠性：工業(yè)生產(chǎn)對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性要求非常高，需要能夠支持大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸和實時通信，以確保生產(chǎn)線不受網(wǎng)絡(luò)故障影響。2需求分析靈活性：工業(yè)生產(chǎn)具有多樣化的設(shè)備和系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)需要能夠支持各種設(shè)備的連接和通信，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的靈活性和可擴展性。而在當前系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的可靠性、靈活性都受到了一定的挑戰(zhàn)，無法有力的支撐工業(yè)4.0的建設(shè)。比如系統(tǒng)常見的鏈路故障、路由器故障等帶來的可靠性問題；系統(tǒng)擴建時網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不易改變導致的靈活性問題。2需求分析2.1鏈路故障產(chǎn)線運轉(zhuǎn)的過程中往往會有操作人員在產(chǎn)線附近走動巡檢，而產(chǎn)線各個工站間的通訊通過網(wǎng)線連接維持的，每當操作人員不慎踩踏或者牽扯到網(wǎng)線很容易引起網(wǎng)線接口的松動而導致產(chǎn)線的通信故障。在以往工業(yè)3.0中OT與IT的結(jié)合尚未有現(xiàn)在工業(yè)4.0般緊密，暫時的通訊中斷往往也將是影響部分工站的運轉(zhuǎn)。而在工業(yè)4.0的環(huán)境中，OT與IT結(jié)合的愈發(fā)緊密。每個工站可能都會與很多智能系統(tǒng)緊密連接，網(wǎng)絡(luò)通訊中斷的影響也由以往的OT擴散到了IT中，導致的問題也越發(fā)嚴重，后續(xù)的維護和恢復成本也更高。因此我們需要對我們進行一定的設(shè)計來保證即使網(wǎng)絡(luò)中部分鏈路突然發(fā)生故障也不會導致大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)癱瘓。2需求分析2.2路由器設(shè)備故障在一個較大的工廠中可能存在著眾多的不同或者相同的產(chǎn)線同時在進行生產(chǎn)和運作，此時一套IT系統(tǒng)可能需要對接多套OT系統(tǒng)。若是還采用單工站的模式將所有的設(shè)備放入一個子網(wǎng)中則存在了風險管控麻煩、擴展性差等問題。所以我們會將眾多的OT系統(tǒng)劃分為一個個的子網(wǎng)來管理，然后在工廠中配備一定數(shù)量的路由器來進行路由。在此背景下路由器是IT系統(tǒng)和眾多OT系統(tǒng)間的橋梁，所有系統(tǒng)間的通訊都得依賴于路由器來提供路由。每個設(shè)備隨著使用時間的增長都會需要維護也都可能會出現(xiàn)問題，但是對于整個工廠而言路由器的維護或者故障將會導致眾多系統(tǒng)間的通訊全部中斷致使整個工廠陷入癱瘓。因此我們需要對網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計，即使在某一兩臺路由器發(fā)生故障或者需要維護時，也可以保證各個系統(tǒng)間的通訊。2需求分析2.3網(wǎng)絡(luò)可擴展性工廠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及設(shè)備情況不是一成不變的，隨著市場的變化工廠會動態(tài)的調(diào)整工廠的規(guī)模。而在工業(yè)4.0中OT與IT系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)，每當我們需要對工廠進行擴建時我們都需要將新增的部分連入原有的網(wǎng)絡(luò)。而隨著工廠的擴建，我們可能也需要對原有的網(wǎng)絡(luò)進行擴建。而在一個工廠中路由器可能需要負責非常多的網(wǎng)絡(luò)間的路由。若是每次新增路由器都需要人工手動對這些路由信息配置將是一個非常耗時且容易出錯的行為。因此我們需要對網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計，當網(wǎng)絡(luò)進行擴建時可以減少我們在路由器中對路由相關(guān)信息的配置風險。3解決方案為了有力的支撐工業(yè)4.0平臺建設(shè)，滿足其高可靠性、靈活性的需求，解決在實際生產(chǎn)中面臨的鏈路故障、路由器設(shè)備故障等常見問題，我們考慮基于OSPF、VRRP、RSTP等協(xié)議構(gòu)建產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)，其拓撲圖如圖8-2所示。OSPF（開放最短路徑優(yōu)先）是一個開放式的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，它支持動態(tài)路由選擇，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際狀況動態(tài)調(diào)整路由，以提高網(wǎng)絡(luò)的效率和可用性。OSPF可以根據(jù)鏈路狀態(tài)進行最短路徑計算，從而保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的快速傳輸。通過OSPF協(xié)議可以動態(tài)的在路由器間傳遞網(wǎng)絡(luò)路由信息，降低網(wǎng)絡(luò)擴展成本，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。VRRP（虛擬冗余路由協(xié)議）則用于解決網(wǎng)絡(luò)中的單點故障問題。通過VRRP協(xié)議，可以建立虛擬路由器，將多臺路由器組成一個冗余組，其中一臺為主，其余為備用。當主路由器出現(xiàn)故障時，備用路由器會立即接管主路由器的工作，從而保證網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。從而避免單臺路由器故障而導致的網(wǎng)絡(luò)癱瘓，保障設(shè)備的可靠性。3解決方案RSTP（RapidSpanningTreeProtocol）該協(xié)議可應(yīng)用于環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，通過一定的算法實現(xiàn)路徑冗余，同時將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修剪成無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)，從而避免報文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中的增生和無限循環(huán)。通過該協(xié)議可以保證當某一鏈路出現(xiàn)問題的時候，網(wǎng)絡(luò)可以切換到備用鏈路從而避免出現(xiàn)大范圍網(wǎng)絡(luò)癱瘓從而提升網(wǎng)絡(luò)鏈路的可靠性。圖8-2網(wǎng)絡(luò)拓撲圖3解決方案3.1鏈路故障問題處理由問題描述可知，問題主要是發(fā)生在運維操作人員不慎將網(wǎng)絡(luò)鏈路破壞時導致的。所以我們需要網(wǎng)絡(luò)的重要系統(tǒng)間實現(xiàn)一定的網(wǎng)絡(luò)冗余即可。XPET-S1產(chǎn)線中既包含OT系統(tǒng)也包含IT系統(tǒng)，所以我們需要在這兩個系統(tǒng)的連接間保證一定的鏈路冗余；同時OT系統(tǒng)中又包含了多個工站，所以我們在這些工站之間也得配置一定的鏈路冗余。在工業(yè)環(huán)境中，OT系統(tǒng)對于設(shè)備的響應(yīng)時間有很高的需求，所以我們采用恢復時間較短的RSTP協(xié)議來實現(xiàn)鏈路冗余功能。從圖8-2中可得，我們需要在SW1、SW3的端口4、5、6上開啟RSTP協(xié)議，如圖8-3所示。3解決方案3.1鏈路故障問題處理圖8-3SW1、SW3RSTP配置在SW2的端口5、6上開啟RSTP協(xié)議，如圖8-4所示。3解決方案3.1鏈路故障問題處理圖8-4SW2RSTP配置在RT1、RT2的5、6端口上也開啟RSTP功能如圖8-5所示。3解決方案3.1鏈路故障問題處理圖8-5RT1、RT2開啟RSTP功能3解決方案3.2路由器設(shè)備故障問題處理由問題描述可知，我們需要保證在某一路由器從網(wǎng)絡(luò)中退出時仍可以保證網(wǎng)絡(luò)中的跨網(wǎng)段通訊正常。我們可以將已有的兩個路由器做一個路由器組，通過VRRP實現(xiàn)路由的備份。這樣當某一臺路由器從網(wǎng)絡(luò)中退出時，另一個路由器仍然可以為網(wǎng)絡(luò)提供路由服務(wù)。所以我們需要在RT1、RT2中開啟VRRP功能，如圖8-6、圖8-7所示。圖8-6開啟VRRP功能3解決方案3.2路由器設(shè)備故障問題處理圖8-7VRRP配置3解決方案3.3網(wǎng)絡(luò)可擴展性問題處理由問題描述可知，我們需要簡化為網(wǎng)絡(luò)添加路由器時有關(guān)網(wǎng)絡(luò)中路由信息的配置。我們可以考慮避免人工手動對路由器配置這樣麻煩且易錯的方式，可以考慮通過OSPF協(xié)議讓路由器間自動的對網(wǎng)絡(luò)中已有的路由信息進行同步。所以我們需要在RT1、RT2中開啟OSPF功能如圖8-8所示。圖8-8開啟OSPF功能為OSPF添加域如圖8-9所示。3解決方案3.3網(wǎng)絡(luò)可擴展性問題處理圖8-9為OSPF添加一個域為OSPF的域添加接口如圖8-10所示。3解決方案3.3網(wǎng)絡(luò)可擴展性問題處理圖8-10