精选工业互联网体系架构.docx

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,如图1所示。从工业视角看,工业互联网主要表现为从生产系统到商业系统的智能化,由内及外,生产系统自身通过采用信息通信技术,实现机器之间、机器与系统、企业上下游之间实时连接与智能交互,并带动商业活动优化。其业务需求包括面向工业体系各个层级的优化,如泛在感知、实时监测、精准控制、数据集成、运营优化、供应链协同、需求匹配、效劳增值等业务需求。从互联网视角看,工业互联网主要表现为商业系统变革牵引生产系统的智能化,由外及内,从营销、效劳、设计环节的互联网新模式新业态带动生产组织和制造模式的智能化变革。其业务需求包括基于互联网平台实现的精准营销、个性定制、智能效劳、众包众创、协同设计、协同制造、柔性制造等。图1工业互联网业务视图〔二〕工业互联网体系架构工业互联网的核心是基于全面互联而形成数据驱动的智能,网络、数据、平安是工业和互联网两个视角的共性根底和支撑。其中,“网络〞是工业系统互联和工业数据传输交换的支撑根底,包括网络互联体系、标识解析体系和应用支撑体系,表现为通过泛在互联的网络根底设施、健全适用的标识解析体系、集中通用的应用支撑体系,实现信息数据在生产系统各单元之间、生产系统与商业系统各主体之间的无缝传递,从而构建新型的机器通信、设备有线与无线连接方式,支撑形成实时感知、协同交互的生产模式。“数据〞是工业智能化的核心驱动,包括数据采集交换、集成处理、建模分析、决策优化和反响控制等功能模块,表现为通过海量数据的采集交换、异构数据的集成处理、机器数据的边缘计算、经验模型的固化迭代、基千云的大数据计算分析,实现对生产现场状况、协作企业信息、市场用户需求的精确计算和复杂分析,从而形成企业运营的管理决策以及机器运转的控制指令,驱动从机器设备、运营管理到商业活动的智能和优化。“平安'是网络与数据在工业中应用的平安保障,包括设备平安、网络平安、控制平安、数据平安、应用平安和综合平安管理,表现为通过涵盖整个工业系统的平安管理体系,防止网络设施和系统软件受到内部和外部攻击,降低企业数据被未经授权访问的风险,确保数据传输与存储的平安性,实现对工业生产系统和商业系统的全方位保护。工业互联网体系架构如圈2所示。图2 工业互联网体系架构基千工业互联网的网络、数据与平安,工业互联网将构建面向工业智能化开展的三大优化闭环。一是面向机器设备运行优化的闭环,核心是基千对机器操作数据、生产环境数据的实时感知和边缘计算,实现机器设备的动态优化调整,构建智能机器和柔性产线;二是面向生产运营优化的闭环,核心是基于信息系统数据、制造执行系统数据、控制系统数据的集成处理和大数据建模分析,实现生产运营管理的动态优化调整,形成各种场景下的智能生产模式;三是面向企业协同、用户交互与产品效劳优化的闭环,核心是基于供应链数据、用户需求数据、产品效劳数据的综合集成与分析,实现企业资源组织和商业活动的创新,形成网络化协同、个性化定制、效劳化延伸等新模式。〔一〕工业互联网网络体系框架随着智能制造的开展,工厂内部数字化、网络化、智能化及其与外部数据交换需求逐步增加,工业互联网呈现以三类企业主体、七类互联主体、八种互联类型为特点的互联体系,如图3所示。图3 工业互联网互联示意三类企业主体包括工业制造企业、工业效劳企业〔围绕设计、制造、供应、效劳等环节提供效劳的各类企业〕和互联网企业,这三类企业的角色在不断渗透、相互转换。七类互联主体包括在制品、智能机器、工厂控制系统、工厂云平台〔及管理软件〕、智能产品、工业互联网应用,工业互联网将互联主体从机传统的自动化控制进一步扩展为产品全生命周期的各个环节。八种互联类型包括了七类互联主体之间复杂多样的互联关系,成为连接设计能力、生产能力、商业能力以及用户效劳的复杂网络系统。以上互联需求的开展,促使工厂网络发生新的变革,形成工业互联网整体网络架构,如图4所示。图4 工业互联网整体网络体系目标框架 与现有互联网包含互联体系、DNS体系、应用效劳体系三个体系相类似,工业互联网也包含三个重要体系。一是网络互联体系,即以工厂网络IP化改造为根底的工业网络体系。包括工厂内部网络和工厂外部网络“两大网络〞。工厂内部网络用千连接在制品、智能机器、工业控制系统、人等主体,包含工厂IT网络和工厂OT(工业生产与控制〕网络。工厂外部网络用于连接企业上下游、企业与智能产品、企业与用户等主体。二是地址与标识体系,即由网络地址资源、标识、解析系统构成的关键根底资源体系。工业互联网标识,类似千互联网域名,用千识别产品、设备、原材料等物体。工业互联网标识解析系统,用千实现对上述物体的解析,即通过将工业互联网标识翻译为该物体的地址或其对应信息效劳器的地址,从而找到该物体或其相关信息。三是应用支撑体系,即工业互联网业务应用交互和支撑能力,包含工业云平台和工厂云平台,及其提供的各种资源的效劳化表述、应用协议。〔二〕工业互联网网络互联体系1、工厂内部网络(1)现状分析工厂内部网络是在工厂内部用千生产要素以及IT系统之间互联的网络。总体来看,工厂内部网络呈现“两层三级〞的结构,如图5所示。〞两层〞是指“工厂OT网络〞和“工厂IT网络";"三级〞是根据目前工厂管理层级的划分,网络也被分为“现场级〞、“车间级〞、“工厂级/企业级〞三个层次,每层之间的网络配置和管理策略相互独立。图5 工厂网络连接现状其中,工厂OT网络主要用千连接生产现场的控制器〔如PLC、DCS、FCS)、传感器、伺服器、监控设备等部件。工厂OT网络的主要实现技术分为现场总线和工业以太网两大类。工厂IT网络主要由IP网络构成,并通过网关设备实现与互联网和工厂OT网络的互联和平安隔离。(2)存在的问题目前工厂内部网络“两层三级〞这种技术体系和网络结构相互隔离的状况使IT系统与生产现场之间的通信存在较多障碍。—是工业控制网络与工厂信息网络的技术标准各异,难以融合互通。二是工业生产全流程存在大量〞信息死角〞,亟需实现网络全覆盖。三是工厂网络静态配置、刚性组织的方式难以满足未来用户定制、柔性生产的需要。(3)开展趋势为适应智能制造开展 ,工厂内部网络呈现扁平化、IP化、无线化及灵巧组网的开展趋势。工厂内网络扁平化。—是随着智能机器开展和智能分析的集中,工厂OT系统将逐渐打破车间级、现场级分层次组网模式,智能机器之间将逐渐实现直接的横向互联。二是整个工厂管理控制系统扁平化,包括IT系统和OT系统局部功能融合〔如HMI),或通过工业云平台方式实现,实时控制功能下沉到智能机器,促使IT与OT网络逐步融合为同一张全互联网络。工厂内网络以太网/IP化趋势。随着工业网络技术的开展演进,现场总线正在逐步被工业以太网替代。未来,工业内有线连接将被具有以太网物理接口的网络主导,同时基千通用标准的工业以太网逐步取代各种私有的工业以太网,并实现控制数据与信息数据同口传输。随着以太网的广泛使用,工业网络的IP化趋势将更为凸显,IP技术将由IP网络向OT网络延伸,实现信息网络的IP到底,从而使得IT与OT节点〔机器〕直接可达。而为解决大量支持IP的装备接入问题,1Pv6技术将在工厂内广泛应用。工厂内无线网络成为有线网络的重要补充。无线技术逐步向工业领域渗透,呈现从信息采集到生产控制,从局部方案到全网方案的开展趋势。目前无线技术主要用千信息的采集、非实时控制和工厂内部信息化等,Wi-Fi、Zigbee、2G/3G/LTE、面向工业过程自动化的无线网络WIA-PA、。对千低功耗、广覆盖、大连接等工业信息采集和控制场景,NB-loT将会成为较好的技术选择。同时无线技术正逐步向工业实时控制领域渗透,成为现有工业有线控制网络有力的补充或替代,如5G已明确将工业控制作为其低时延、高可靠的重要应用场景,3GPP也已开展相关的研究工作,对应用场景、需求、关键技术等进行全面的梳理,此外IEC正在制定工厂自动化无线网络WIA-FA技术标准。工厂内网络灵巧化组网。未来基千智能机器柔性生产将实现生产域根据需求进行灵巧重构,智能机器可在不同生产域间迁移和转换,并在生产域内实现即插即用。这需要工厂网络的灵巧组网,实现网络层资源可编排能力,软件定义网络(SDN)是其中实现方式之—。(4)目标架构图6 工厂内部网络目标架构工业互联网场景下工厂内部网络方案将包括五个主要环节,如图6所示,—是工厂IT网络。为适应互联网的发 展趋势,同时也为了工厂内庞大数量的生产、监控终端接入,IT网络应该基千1Pv6或支持1Pv4/1Pv6双栈。二是工厂OT网络。工业以太网将逐步替代现场总线,实现"e网到底,,'同时在以太网向下延伸根底上实现智能机器、传感器、执行器等的IP化或1Pv6化。三是直达智能机器和在制品的连接。智能机器、传感器、在制品等生产现场设备、物品将实现到 IT网络的直达连接以实现对生产现场的实时数据采集等功能。四是泛在的无线连接。生产现场的智能机器、在制品、传感器、运送设备等将通过各类无线技术实现连接,根据设备能耗、传送距离等可采用Zigbee等短距离通信技术或Wi-Fi、LTE增强、NB-loT、5G等无线技术。五是基于SON的IT/OT组网方案。IT网络和OT网络采用SON技术,实现控制平面与转发平面的别离,通过SON控制器与制造控制系统〔如MES等〕协同进行网络资源调度,支撑柔性制造和生产自组织。2、工厂外部网络(1)现状分析工厂外部网络主要是指以支撑工业全生命周期各项活动为目的,用千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。目前,大量工业企业已经与公众互联网之间实现互联,但互联网为工业生产带来的价值仍比较有限。从互联形式上来看,工厂的生产流程和企业管理流程仍封闭在工厂内部,从公众互联网的角度来看,工厂内部仍是—个“黑盒〞。从应用形式上看,工厂与互联网的结合主要是在产品销售和供应链管理等环节,互联网在工业生产全生命周期中的资源优化配置作用仍未充分表达。(2)存在的问题目前以1Pv4公众互联网为主体的工厂外部网络承载未来工业互联网应用存在四个方面主要问题,—是网络性能难以满足。公众互联网没有效劳质量的保证,难以满足工业生产与互联网融合