工业信息技术在工业网络中的应用

工业信息技术在工业网络中的应用

1金融科技战略推动智能制造成为国家战略焦点工业互联网作为第四次轻工业革命的重要基础，其发展受到国内外有关各方的高度重视和积极推动。自国务院2017年发布《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》以来，一系列如《工业互联网发展行动计划(2018—2020年)》《工业互联网网络建设和推广指南》《工业互联网平台建设与推广指南》《关于印发加强工业互联网安全工作的指导意见的通知》等工业互联网政策不断出台，全国31个省(自治区、直辖市)也陆续出台政策，因地制宜推动工业互联网产业，积极培育本地特色产业优势工业互联网是行业互联网的一部分，包含了工业制造行业、能源行业、车联网行业等诸多典型行业。近年来，我国政策不断加速推动工业制造的改革进程，智能制造更是成为国家战略焦点。工业互联网是智能制造最关键的承载基础，作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，工业互联网发展空间巨大，在推动工业改造升级、培育新动能方面，将发挥更大的作用，并不断催生新模式、新业态和新产业。2工业互联网网络与连接技术工业互联网本质上是机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人的全面互联，是网络、平台、安全的有机融合，最终实现智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化转型的目标。工业和信息化部、国家标准化管理委员会组织制定的《工业互联网综合标准化体系建设指南》中指出，工业互联网的网络与连接技术主要包括工厂外网、内网等网络互联技术以及异构协议数据间互通技术。其中，工厂外网包含生产资源、商业资源以及用户、产品的互联网、专网及虚拟专用网等公共网络，包括基于多协议标签交换、光传送网和软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)等技术的虚拟专用网，以及基于蜂窝技术的窄带物联网等无线网络。工厂内网即工业设备、控制系统、信息系统之间的内部网络，包括工业以太网、工业无源光网络、时间敏感网络(TimeSensitiveNetwork，TSN)、确定性网络、SDN、工业无线网络、低功耗无线网络，以及5G工业应用等关键网络。目前，我国在工厂外网的相关产业及技术基础较好，而在工厂内网相关产业及技术方面的基础相对薄弱，工厂内网的基础建设以及技术积累尚处于起步阶段。35g需要实现工业互联网在传统的理解中，5G主要为智能手机、平板电脑等消费设备提供了更快的网速，而实际上工业才是发挥其最核心价值的领域。5G的三个关键性能指标分别是增强型移动宽带、大规模机器通信和高可靠低时延通信(UltraReliable&LowLatencyCommunication，uRLLC)。要想提高工厂效率，实现工业互联网，就需要完成工业自动化控制，而这需要端到端毫秒级的低时延和接近100%的高可靠性通信做保障。因此，uRLLC场景的应用是5G能在工业领域发挥重要作用的助推器。工业互联网的使命，归结起来是工厂的无线网络化与智能化。以工业4.0为代表的全球第四次工业革命愈演愈烈，机器设备、人和产品等制造元素不再是独立的个体。从过去的人与物相连，逐步过渡到物与物紧密联系在一起，从而实现协调、高效和智能化的制造系统。5G拓宽工业互联网示意图如图1所示。在工业互联网中，5G技术拓宽了互联网的影响范围，贯穿工业制造应用场景的全过程，覆盖供应链管理、自动导引车(AutomaticGuidedVehicle，AGV)、生产过程控制、机器协作、库存管理和产品分发管理等各个环节。5G贯穿工业制造各环节示意图如图2所示。4tsn是工业联网的一种实时表现一直以来，自动化在某种程度上始终是工厂实现良性运行的保障。发展至今，许多工业自动化应用需要实时传输数据，对时延和可靠性的要求非常严格。但是，现有的大部分自动化控制解决方案都是基于传统以太网实现的，而且各大厂商还研发了一些附加的技术机制，形成不同厂家间的技术壁垒，从而导致各大厂商的协议互不兼容。传统以太网的解决方案市场严重分散，无法支持未来工业网络的发展。随着工业4.0的提出，TSN受到越来越多的设计师、工程师和最终用户的关注。因为TSN迎合了工业以太网的需求，代表了可靠和标准化工业通信技术的发展方向，为工业互联网统一底层通信标准打下了基础。TSN是一种基于IEEE802.1的实时以太网标准。顾名思义，TSN专注于时间，它可以确保信息在固定且可预测的时间内从一个点移动到另一点55g数据传输5G在uRLLC场景下，拥有极短的网络时延。5G与TSN融合，能充分发挥5G的灵活性和TSN的低时延特性，从而解决工业生产中的主要需求。例如，有效减少工厂内的电缆铺设、实现厂房内移动设备的广泛应用等。而TSN的核心思路是在数据流发送前，由一个中央网络控制器负责规划数据流的路由路径，确认沿途各交换机需要的资源配置以及数据流的时延。类似火车、地铁运营的时刻管理，各数据流的数据分组通过网络各节点的时间提前规划，避免拥塞和减少缓存，从而给予数据流与传统以太网不相同的“确定性”。在工业互联网中将传感器、作业设备和车辆等工业设备以无线方式通过5G网络连接到工业控制器，为了支持端到端的服务质量(QualityofService，QoS)，无线网络与TSN进行强有力的互联，提供一种端到端的TSN数据流。而5G几乎是目前乃至将来一段时期内的最优方案，端到端的TSN流示意图如图3所示。与4G网络相比，5G接入网具有高可靠低时延特性，可实现工厂内机器不受电缆安装限制就能接入工厂内TSN，同时又能像有线连接一样满足工业端到端控制所需的无缝连接和高稳定性。例如，通过为工厂内的机器臂、装配线和作业车等部署支持5G接入的传感器，接入与TSN设备互联的控制器，即可实现几乎时间同步的远程控制随着各大厂家关注TSN，新兴的TSN标准逐步被整合到5G网络中，进一步发展了工业互联网。TSN与5G融合技术通过5G支持时效性网络服务，使得传感器、执行器等工业设备，可以与可编程逻辑控制器进行无线的、确定性的通信。这符合智能工业的要求，还可降低成本，催生新的商业模式，并简化工厂运营流程。融合技术包括基于5G系统的TSN同步、支持TSN的以太网、5G的uRLLC传输技术(尤其针对低时延循环数据流)和5G点对点的QoS管理及智能调度程序算法。6工业控制系统的互联互通随着工业互联网的应用与发展，通信网络和实体系统将紧密联系在一起，也就是工厂网络将生产现场的处理器和传感器连接起来，使得工业生产设备之间可以进行通信，从而实现互相沟通，形成智能工厂。智能工厂是5G和TSN等工厂内网技术的重要应用场景之一。6.1u3000tsn和5g协同性测试2019年11月，博世和高通在德国纽伦堡的智能生产解决方案交易会上，展示了通过实时5G网络使用TSN的工业设备完成两种工业设备协同工作。双方联合展示了两个工业终端通过无线连接，并以时间同步的方式运行，表明了TSN和5G的结合能够实现精确同步，无需有线连接该演示使用了5G工业测试终端使两个博世的核心控制器在5G测试网络下实现实时通信。用户可以通过无线连接，查看以时间同步运行的两个工业设备(博世电机和工业闪光灯)。其中TSN核心控件还可指定3.7～3.8GHz频段，通过5G实现实时交互。这一频段目前已被德国指定用于工业企业作为5G专网使用。这为5G+TSN实现专网互联打下基础。6.2基于tsn的生产测试英特尔联合博世建立了TSN与5G融合技术早期概念验证项目。该项目以英特尔的5G原型解决方案为基础，用以满足智能工厂的远程控制、生产、实时监控需求。这一概念验证了包括支持5G通信的用户设备、5G接入网及5G核心网，三者可直接与博世的TSN可编程逻辑控制器配合，验证技术可行性。英特尔TSN与5G融合技术验证项目如图5所示。在这一项目中，通过工厂的有线基础设施进行支持，两套TSN可编程逻辑控制器采用开放平台通信的统一架构协议标准进行5G通信，实现对工业设备移动角度的控制和高速转轮速度同步。就具体性能而言，该项目展示的基于5G系统的TSN同步，定时误差远低于1μs，时间关键动作控制指令的单向时延最长只有4ms，同时专用的5G工业频段下更可进行4K超高清视频流直播。该项目是首批展示TSN与5G融合技术功能的项目之一，实现了5G系统下的基于802.1as的同步和基于802.1qbv的关键数据包的时间感知送达，以及支持5G的uRLLC场景下，设备到设备的QoS调度程序可以满足时间的“确定性”关键数据包送达的要求。此外，项目还展示了微秒级的时间同步、毫秒级的最差时延和99.999%的可靠性。工厂系统整体通过5G网络进行工业时间同步，可以使网络设备在多个工厂站点之间完美地统一运行，这是灵活自动化生产的关键要求。7g+tsn联动助推工业互联网工业互联网支撑下的智能工厂将大幅改善劳动条件，减少生产线人工干预，提高生产过程可控性。最重要的是借助于信息化技术打通企业的各个流程，实现从设计生产到销售各个环节的互联互通，并在此基础上实现资源的整合优化。要实现这些目标，以此为基础的工业互联网需要不断更新技术，以满足带宽、互联互通和时延方面更高的要求。5G+TSN的融合为这些需求提供了一种可行