工厂网络架构组网方案工业5G及上云关键技术解析智能制造之家

　　写在前面（文中超链接仅在微信公众号＂智能制造之家＂有效）
　　大家好，我是李孟宦，号主小智前同事~
　　在OICT（OTIT和CT）大融合的今天，工业网络越来越受到大家的重视, 今天我们整体聊一聊工业网络与工业互联网时代的工业网络技术~
　　内容目录：
　　1　工厂网络概述
　　1.1　工厂网络定义、范围
　　1.2　工厂网络特点
　　1.3　工厂网络需求
　　2　新型工厂网络组网及关键技术
　　2.1　工厂全连接组网方案
　　2.2　工业PON网络及关键技术
　　2.2.1　工业PON网络架构
　　2.2.2　工业PON网络关键技术
　　2.3　工业5G网络及关键技术
　　2.3.1　工业5G网络架构
　　2.3.2　工业5G网络关键技术
　　2.4　工厂网络上云关键技术
　　3　结　语
　　1
　　工厂网络概述
　　1.1　工厂网络定义、范围
　　工厂网络泛指在工厂场景下的网络总称，如图1所示，根据网络部署的位置可以分为工厂外网和工厂内网，工厂外网是指以支撑工业全生命周期各项活动为目的，用于连接企业上下游之间，企业与智能产品、企业与用户之间的网络。工厂内网是指在工厂或园区内部，用于生产要素互联以及企业IT管理系统之间连接的网络。
　　图1　工厂内网与工厂外网示意图
　　1.2　工厂网络特点
　　工业场景的多样性对工业网络提出了多种要求，使得工厂网络呈现出多种特点，其中比较典型的特点有：一是网络隔离，＂专网专用＂，尤其是生产网络，必须保证高安全性、高稳定性和高可靠性。二是数据不出厂，考虑到数据安全，工厂更愿意采用对数据进行本地分离，在工厂自己的云设备/服务器上存储数据。三是针对特定生产场景，存在超低时延、超大带宽、稳定时延、高可靠性的要求，配合生产节拍，具体要求略有不同。四是工厂设备多样化，面向工业互联网需要数据上联，突出的问题是数据互通，大量设备采用不同的协议，因此数据协议转化一般需要在设备侧/工厂服务器/平台等完成。五是多数工厂具有私网和公网同时访问的需求，如：不同地区厂区的互联、移动办公的场景。六是伴随着5G商用，5G赋能工业需求日趋旺盛，工厂越来越需要固移融合，同时满足有线连接和无线连接，数据可以协同共享,利用AI技术不断优化工厂管控模型，提升生产效率。
　　1.3　工厂网络需求
　　在工业互联网实践中，设计、生产和运维等全生命周期的精细化管理，降低整体的人力成本、资源消耗，全面提升生产和运营效率等越来越受到重视，这对网络基础设施提出了更高的要求，工厂外网呈现出云网协同发展的趋势，工厂内网呈现出大带宽、全连接、广泛兼容、便捷部署等趋势。固定宽带网络的优质性能和特点结合工业网络改造升级的迫切需求，为工业互联网发展奠定了良好的连接基础。在已实施的工业项目实践和创新中，涌现出两个特点，一是核心能力不断提升，5G+工业PON的双千兆工厂有效满足工业场景的连接需求，边缘计算、时间敏感网络、AI和大数据能力的融合有效提升生产效率。二是应用场景不断丰富，产线场景、车间场景、工厂场景、工业园区场景和异地工业园区场景，均可通过5G+千兆宽带提供高质量网络实现协同制造、高效运营和智能管理。
　　2
　　新型工厂网络组网及关键技术
　　传统工厂网络主要采用封闭局域网方案，在工厂数字化转型过程中存在传输协议分散，设备上网率低、设备差异大且信息化水平普遍较低、网络管控水平低、信息化系统管理差异大、信息孤岛现象严重等问题，严重制约了工厂发展数字化、信息化和智能化的高质量制造业能力，需要通过对工业企业实施新型网络改造来满足智慧工厂转型升级的需求。
　　2.1　工厂全连接组网方案
　　对工业企业来说，需要更加方便和高效的接入方式，需要统一的安全的私有云平台，需要通过加载丰富的工业App能力提升智慧制造的程度和效果，需要＂专网专用＂，把办公、生产、安防等几张网络隔离起来提升网络安全和网络效率。随着5G、物联网、AI技术的发展，在面向工业互联网的工业场景下实现全连接成为明确的趋势，可以有效发挥运营商规模部署的能力，对提升工厂网络整体水平起到重要作用。如图2所示，以工业PON为主承载工厂有线网络业务需求，以工业5G为主承载工厂无线网络业务需求，实现＂双千兆＂工厂网络基础，兼顾企业物联网、办公、上云等需求。
　　图2　全连接工厂网络组网方案
　　2.2　工业PON网络及关键技术
　　PON技术已在运营商网络中规模应用，对实现千兆城市起到重要作用，技术成熟、产链丰富。将PON技术用于工业场景称为＂工业PON＂，利用PON技术已有的优势和工业PON技术研究和突破，以解决数采、多业务承载、保护倒换、安全和数据本地化处理等痛点问题。
　　2.2.1　工业PON网络架构
　　工业PON网络架构如图3所示，在靠近接入终端/设备侧部署ONU，可满足多串口和多接口的工业设备接入需求，向上在靠近产线或者车间楼层的位置部署无源设备分光器，用于连接ONU，继续向上在车间机房或者工厂机房部署OLT，用于管理整个工厂的工业PON网络及PON设备。
　　图3　工业PON网络部署架构
　　2.2.2　工业PON网络关键技术
　　（1）面向工业场景提供多业务差异化融合承载，满足了企业大带宽、低时延、高可靠性以及网络安全等关键业务需求。
　　工业企业普遍存在生产网、办公网、安防监控、传感等多个子网的融合承载的业务需求，尤其是中小企业客户，如果每个子网都需要单独PON OLT设备进行承载，整体网络成本较高，工厂的接受度较低。同时，如果考虑PON设备进行不同子网的综合统一承载，需要解决资源共享、安全隔离、独立管理等方面的技术功能实现。基于PON网络切片技术的融合承载方案，可实现对于企业多个子网的OLT的融合承载，在降低企业网络建设成本，提高设备利用率的同时，采用网络资源划分和管理分权分域，实现不同子网的安全隔离。
　　（2）面向工业企业提供智能化PON网络管控平台，为企业客户提供了一套智能、易用、可升级演进的管理运维系统，实现智能网络与现有工业生产流程及管理的联动及工厂的自服务。
　　为满足工厂对网络可靠性和数据安全性的要求，工业PON网络通常作为工厂内网进行部署，相比运营商传统光网，两者在网络运维技术和网管部署上存在差异，同时，不同工厂差异化极大，需满足个性化管控需求。对于工厂而言现有的PON网络管理系统复杂性较高，难操作，存在大量不适合工厂管控需求的功能。因此，工业PON网管系统需要面向工厂提供适用于企业IT人员操作的简明维护功能，可满足工厂个性化网管功能的定制开发和快速迭代。
　　（3）设计PON OLT设备新型架构，为工厂边缘计算提供通用计算基础设施。
　　在工业互联网场景中，工业生产数据通过工厂内网进行传输和汇聚后，在企业的生产管理系统中进行处理和解析。生产管理系统传统的部署方式是采用独立的通用服务器，需要采购独立的服务器配备额外的机房空间。如图4所示，如果将该业务处理能力通过OLT侧的边缘计算通用基础设施进行实现，可以降低企业的硬件成本。同时，在靠近设备或数据源头的网络边缘侧进行数据预处理、存储以及智能分析应用，可以有效降低处理时延，消除网络堵塞，并与云端数据分析形成协同。
　　图4　OLT新型架构
　　（4）基于容器技术的集成工业数据采集能力的ONU。
　　如图5所示，PON接入网关（ONU）设备与现有的工业数据采集网关为独立的两套系统，造成数据采集和网络承载分离。同时，由于工业现场总线的国际标准繁多，协议互不兼容，工业领域缺乏一套能够兼容、转换多种协议和数据建模分析的综合性解决方案，无法低成本灵活实现对传统工业设备的信息化改造。
　　图5　基于容器技术的ONU架构
　　工业PON ONU支持多种嵌入式数据采集功能，包括OPC数据采集、数据处理等，支持网关与PLC、生产管理系统、生产装备的通信。工业PON ONU支持集成开源或者客户开定制的工业应用，进行个性化工业数据采集和转换处理，可与工业云平台进行交互。
　　2.3　工业5G网络及关键技术
　　2.3.1　工业5G网络架构
　　IMT-2020发布的《5G网络架构设计白皮书》中定义了5G网络架构设计。提出了三朵云的概念，认为5G网络逻辑视图由三个功能平面构成，如图6所示，以三朵云为基础，在工业场景中的目标网络架构是以虚拟化技术为基础，实现控制面和用户面分离，核心网控制面（5GC）集中部署在省会城市或者主要城市，核心网用户面转发节点根据业务需求部署在靠近工业用户侧位置，甚至直接下沉至工业厂区，以便于引入网络切片和边缘计算，满足业务多样性需求，同时支持多种接入方式、网络功能微服务化、运营编排智能化等能力。
　　图6　工业5G部署架构
　　2.3.2　工业5G网络关键技术
　　（1）UPF下沉到工厂，实现5G MEC能力，满足企业低时延业务需求。UPF是核心网的重要网元设备，目前都是集中部署在运营商机房里，保障网络运行的质量和安全性，但在工业场景下针对时延要求极高的业务、用户感知较为敏感的业务和企业本地分流部署的业务，通过把UPF下沉至企业园区/工厂机房，可通过N4接口和SMF通信，为保证核心网安全，UPF出口位置设置防火墙，在SMF入口位置设置防火墙。
　　（2）在工厂场景下使用5G切片技术，实现承载工厂业务的网络切片逻辑隔离，满足工厂不同业务对网络性能要求不同的需求。切片技术是将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络，每一个虚拟网络对应不同的应用场景，针对工业场景中不同业务对网络的需求不同，规划和定制不同的切片，保障各切片间资源隔离且功能按需定制。每个切片是端到端网络，包括RAN，传输网和核心网，需要跨域的切片管理系统。切片需要实现资源隔离，安全隔离和OAM隔离，不同域可以采用不同的技术，如CN采用虚拟化技术。
　　（3）针对工业需求，将5G服务能力提供出来与工业业务深度融合，让工厂对5G网络拥有更多的自主权，能够灵活、按需使用。5G网络赋能工业，除了提供高质量、高性能的网络连接能力，还在于向工业应用提供所需的网络能力。5G网络中由多个网元所能提供的网络能力，包括用户位置信息、网元负载信息、网络状态信息和运营商组网资源等。在工业场景下，网络能力开放让工业企业能够便捷地、动态地、接口化地使用网络能力，管理监测切片虚拟专网运行状态等，提升工业企业申请网络能力、使用网络能力的效率，节省人力成本。
　　2.4　工厂网络上云关键技术
　　＂数据不出厂＂是工业企业保障安全的一个重要需求，因此工业企业数据更多的是存放在企业机房中，由企业自行管理，更容易形成 ＂数据孤岛＂的现象。而工业互联网的实施正是面向未来，在工业企业信息化、数字化和智慧化驱动下，工业数据需要产生更大的价值，同时也需要大量的工业应用能力可以灵活地为工厂服务，云和网高度协同，互为支撑，工业企业上云和云网融合将成为未来的发展趋势，如图7所示的工厂的云网融合架构。一方面，云计算业务的发展需要强大的网络能力来支撑，即云间互联；另一方面，网络能力和资源需要支撑云计算发展，即云网互相协同支持。
　　图7　工厂云网融合架构
　　（1）工业云边协同。工业互联网业务是MEC的典型应用场景之一，MEC可以完美解决工业互联网超低时延、超高带宽和超高可靠性的要求。数据的就近处理和下发在工业互联网的应用中极为重要，MEC不仅可以降低时延，而且可以减少网络回传的压力和所需的数据带宽。MEC作为本地服务托管环境，能够支持部署本地更具地理和区域特色、更高吞吐量的工业互联网服务。但综合考虑计算资源、处理能力、设备成本、工业应用灵活部署等因素，企业上云的需求将会增加，大量工业应用将部署在云端。云边之间出现海量数据交换，一方面对工业网络的性能和稳定性提出更高要求，另一方面打造符合工业企业需求的云边协同管理体系至关重要。
　　（2）工业云网融合部署。工厂到云端组网一般有两种方式，第一种方式采用互联网接入，连接到公有云，要求工厂具备互联网出口，能够通过运营商网络访问位于公有云上的应用平台；第二种方式是采用专线接入方式，通过运营商专线接入公有云或者私有云，形成工厂与云的连接，可以采用基于MPLS-VPN的专线接入，也可以采用基于SD-WAN的overlay专线接入。
　　3
　　结　语
　　在面向工业互联网发展的工厂网络研究过程中，发现一方面传统工业网络技术和联网能力相对落后，另一方面我国对传统工业网络核心技术与设备自主掌控能力弱，因此对新型网络的研究和关键技术突破成为实现工业互联网的重要基础。面向工业的新型网络也不只是本文聚焦研究的工业PON网络和工业5G网络，需要更多新型网络技术的深入研究，尤其是网络技术与工业技术、设备和需求深度融合的研究，还需要产业链联合创新和共同推进，培育技术与市场成熟。
　　引用本文 ：孙慧，金嘉亮，甘雨莹. 面向工业互联网的新型工厂网络研究[J].通信技术，2021，54（4）：.
　　作者简介 >>>
　　孙　慧  ，硕士，工程师，主要研究方向为工业PON、工业5G、多接入边缘计算等；
　　金嘉亮  ，博士，工程师，主要研究方向为工业PON、下一代接入网技术等；
　　甘雨莹  ，硕士，工程师，主要研究方向为多接入边缘计算、工业PON等。
　　硬核专辑
　　OT遇见IT—西门子S7-1200/1500官方库直连SQL Sever
　　2021-08-30
　　工业数据采集（MESSCADAPLCIOT传感器..）产业研究报告
　　2021-08-24
　　工控系统行业报告：PLC/DCS/SCADA市场的中国机遇
　　2021-08-08
　　数字化车间网络搭建之PLC间跨网段通讯的4种方法
　　2021-08-03
　　XX数字化工厂MES/SCADA系统规划与实施方案
　　2021-07-07
　　TIA V16+MCD+SIMIT创建自动化系统仿真模型
　　2021-07-01
　　XX集团工厂集成改造MES+SCADA数字化项目实施方案
　　2021-06-21
　　西门子、施耐德、三菱、汇川、中控：2021年中国工控自动化行业纵览
　　2021-06-19
　　某外资工业软件巨头三维数字化工厂完整解决方案
　　2021-06-15
　　工控巨头西门子、施耐德私有S7、UMAS协议解析与PLC密码破解
　　2021-06-12
　　348页最新《中国工业软件产业白皮书》（附PPT解读+下载）
　　2021-06-09
　　102页阿里巴巴数字智能工厂完整解决方案
　　2021-06-07