1 概述

1.1 背景

推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新，驅(qū)動(dòng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展，是我國(guó)制造行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主流方向。隨著制造業(yè)規(guī)模的日趨壯大，傳統(tǒng)的工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性、維護(hù)成本、業(yè)務(wù)改造升級(jí)等方面已經(jīng)逐漸無(wú)法跟上制造業(yè)本身的發(fā)展步伐。同時(shí)，工業(yè)設(shè)備種類(lèi)繁雜、工業(yè)通信協(xié)議格式各異，協(xié)議承載和分析的成本巨大，工業(yè)企業(yè)急需靈活、智能的協(xié)議分析解決方案。隨著智能制造云化、邊緣計(jì)算等新興技術(shù)方案的興起，搭建一張實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)到云端平臺(tái)的端到端網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能制造所涉及的各類(lèi)生產(chǎn)元素之間的互聯(lián)互通，是廣大制造業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)條件。

工業(yè)PON技術(shù)相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)，是一套全新的安全、可靠、融合、先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)綜合解決方案，是工廠(chǎng)內(nèi)車(chē)間數(shù)據(jù)采集組網(wǎng)的全新方案。同時(shí)，在工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換方面，工業(yè)中各種生產(chǎn)線(xiàn)的協(xié)議多達(dá)上百種，這些協(xié)議不可能都提前預(yù)裝到設(shè)備上，工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)須以靈活的方式按需升級(jí)/安裝支持各類(lèi)協(xié)議轉(zhuǎn)換，才能適應(yīng)各種生產(chǎn)線(xiàn)的快速安裝上線(xiàn)需求。

1.2 實(shí)施目標(biāo)

基于現(xiàn)有已在公眾客戶(hù)接入網(wǎng)中廣泛應(yīng)的PON技術(shù)，中國(guó)電信將PON技術(shù)推廣應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域中，為工業(yè)企業(yè)提供一張高質(zhì)量/高可靠/高安全性的通信網(wǎng)絡(luò)，提供各種工業(yè)接口和工業(yè)協(xié)議對(duì)接支持，實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)各種工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)，以及工廠(chǎng)辦公及和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的融合承載，打通工廠(chǎng)生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)到生產(chǎn)車(chē)間/現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之間的屏障，提升全流程生產(chǎn)效率、提高質(zhì)量、降低成本，提高生產(chǎn)管理的效率和生產(chǎn)制造的智能化水平，達(dá)到改進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)生產(chǎn)質(zhì)量、提升行業(yè)全流程生產(chǎn)效率、提高全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作效能的戰(zhàn)略目標(biāo)。

1.3 適用范圍

本解決方案，適用于承載不同企業(yè)規(guī)模的離散型、流程型制造業(yè)的各類(lèi)工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。通過(guò)工業(yè)PON終端設(shè)備提供工業(yè)場(chǎng)景下的不同類(lèi)型物理接口，可為工業(yè)控制、信號(hào)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音通信、視頻監(jiān)控、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)承載等各種業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支持。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置

圖2-1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

本解決方案位于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的智能工廠(chǎng)范圍內(nèi)，如圖2-1所示，具體處于圖中1和4所示的位置，作為工廠(chǎng)內(nèi)車(chē)間級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)控制系統(tǒng)與智能機(jī)器之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)采集匯聚、多個(gè)智能機(jī)器之間的互聯(lián)互通等功能。

2 需求分析

隨著我國(guó)企業(yè)制造業(yè)水平的提升，傳統(tǒng)的基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性、維護(hù)成本、業(yè)務(wù)改造升級(jí)等方面，以及無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)用戶(hù)的應(yīng)用需求，同時(shí)，隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)設(shè)備種類(lèi)進(jìn)一步增多，各廠(chǎng)商的工業(yè)設(shè)備通信協(xié)議各異，協(xié)議數(shù)據(jù)分析和解析的成本巨大，企業(yè)急需一種新型的工廠(chǎng)內(nèi)有線(xiàn)承載網(wǎng)絡(luò)，滿(mǎn)足性能、穩(wěn)定性和成本等方面的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的工業(yè)協(xié)議解析轉(zhuǎn)換功能，提升企業(yè)生產(chǎn)制造效率。

目前基于以太網(wǎng)技術(shù)的工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案，在網(wǎng)絡(luò)性能、安全性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等方面難以滿(mǎn)足企業(yè)的發(fā)展需求，同時(shí)缺乏相應(yīng)的工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換和解析功能，需要配備單獨(dú)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集分析網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)層級(jí)較為復(fù)雜，同時(shí)成本難以有效降低。

3 解決方案

3.1 方案介紹

基于PON技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案，提供了一套符合各類(lèi)工業(yè)場(chǎng)景指標(biāo)需求、提供工業(yè)協(xié)議采集轉(zhuǎn)換開(kāi)放平臺(tái)的工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接綜合解決方案，滿(mǎn)足各種行業(yè)、各類(lèi)規(guī)模企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。

工業(yè)PON技術(shù)基于廣泛應(yīng)用部署的公眾網(wǎng)絡(luò)PON技術(shù)，在技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)鏈可控性、規(guī)模成本等方面具備優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景的環(huán)境指標(biāo)、性能功能、物理接口、安全性、網(wǎng)絡(luò)可用性等方面的個(gè)性化需求，對(duì)PON設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性研發(fā)和優(yōu)化，全面滿(mǎn)足工業(yè)場(chǎng)景下的各類(lèi)能力要求。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于PON技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案，由局端設(shè)備OLT、終端設(shè)備ONU以及用于連接和匯聚ONU設(shè)備的點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的無(wú)源光分配網(wǎng)絡(luò)組成（見(jiàn)圖2-2）。

圖2-2 工業(yè)PON設(shè)備在工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中的位置

根據(jù)客戶(hù)企業(yè)的部署和改造需求，工業(yè)PON目前提供了兩種整體解決方案，分別為工業(yè)數(shù)據(jù)采集功能和設(shè)備外置的工業(yè)PON解決方案（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工業(yè)PON1.0），以及工業(yè)數(shù)據(jù)采集功能和設(shè)備內(nèi)置的工業(yè)PON解決方案（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工業(yè)PON2.0）。兩者在其他能力指標(biāo)方面對(duì)于工業(yè)場(chǎng)景均進(jìn)行了針對(duì)性?xún)?yōu)化和提升。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

工業(yè)PON1.0的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2-3所示。

圖2-3 工業(yè)PON1.0的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)示意圖

工業(yè)PON2.0的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2-4所示。

圖2-4 工業(yè)PON2.0的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)示意圖

3.4 功能設(shè)計(jì)

工業(yè)PON1.0和工業(yè)PON2.0的功能設(shè)計(jì)表2-1所示，在滿(mǎn)足工業(yè)場(chǎng)景下特殊能力要求的同時(shí)，針對(duì)工數(shù)據(jù)采集和協(xié)議解析轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)，提供了差異化的解決方案，滿(mǎn)足了不同企業(yè)不同應(yīng)用場(chǎng)景的部署需求。

表2-1 工業(yè)PON1.0和工業(yè)PON2.0的功能設(shè)計(jì)

3.5 安全及可靠性

PON技術(shù)本身在安全性和可靠性方面，相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)，具備明顯優(yōu)勢(shì)。

1) 安全認(rèn)證功能：承載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，下行采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)廣播方式（TDM），上行采用時(shí)分多址接入技術(shù)（TDMA ）；每個(gè)ONU需向OLT安全注冊(cè)；

2) 數(shù)據(jù)安全性：在OLT和ONU之間，可通過(guò)三重?cái)噭?dòng)等加密方式進(jìn)行下行加密，保證數(shù)據(jù)安全性；

3) 傳輸可靠性：全程傳輸采用無(wú)源光器件，不需電源，不受供電影響；

4) 網(wǎng)絡(luò)自愈保護(hù)機(jī)制：支持Type A-D多種保護(hù)倒換方案，提供不同等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)自愈能力；

5) 抗多點(diǎn)失效能力：抵抗能力強(qiáng)，由于PON網(wǎng)絡(luò)為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)且每個(gè)ONU為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間保持獨(dú)立工作，即時(shí)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)失效，其余光節(jié)點(diǎn)仍能保持正常通信。

4 成功案例

某國(guó)內(nèi)知名汽車(chē)配件研發(fā)生產(chǎn)公司部署工業(yè)PON案例分析。

4.1 項(xiàng)目背景及客戶(hù)需求

XX股份有限公司是國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)從事高端汽車(chē)電子零部件電磁元器件制造和技術(shù)研發(fā)的企業(yè)。用戶(hù)希望通過(guò)建設(shè)車(chē)間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)全基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，匯聚到車(chē)間SCADA系統(tǒng)為MES系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

車(chē)間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋了生產(chǎn)物料信息采集、設(shè)備數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)工藝信息采集、人員信息采集、產(chǎn)品品質(zhì)信息采集和車(chē)間工況信息采集等。其中設(shè)備數(shù)據(jù)采集是需要突破的難點(diǎn)，涉及到Modbus TCP、Modbus RTU、MQTT、三菱485BD協(xié)議、西門(mén)子PPI協(xié)議、西門(mén)子Profinet協(xié)議和串口自定義協(xié)議等十余種協(xié)議，需要實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)包含：注塑機(jī)、插針機(jī)、繞線(xiàn)機(jī)、熔接機(jī)、特性檢測(cè)機(jī)、熔接組裝機(jī)、折彎?rùn)C(jī)、激光焊接特性檢測(cè)機(jī)、壓裝機(jī)、熔接視像檢查設(shè)備和光纖激光打標(biāo)機(jī)在內(nèi)的全廠(chǎng)百余種設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

4.2 工業(yè)PON技術(shù)方案

中國(guó)電信提供了工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)方案，通過(guò)工業(yè)PON網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和高速傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心和設(shè)備的直連，通過(guò)設(shè)備、系統(tǒng)間的互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集，通過(guò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的構(gòu)建與數(shù)據(jù)匯聚，使生產(chǎn)設(shè)備可視化，提升產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)克服了現(xiàn)場(chǎng)焊接機(jī)等高輻射設(shè)備對(duì)信息傳輸?shù)母蓴_。

圖2-5 工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)部署

圖2-6 工廠(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備側(cè)部署ONU

4.3 工業(yè)PON優(yōu)勢(shì)

1) 實(shí)時(shí)性確定，保障相對(duì)較強(qiáng)，PON網(wǎng)絡(luò)下行采用TDM，上行采用TDMA技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷相對(duì)較大下，可保障帶寬實(shí)時(shí)性。

2) 網(wǎng)絡(luò)支持點(diǎn)到多點(diǎn)，靈活網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，最大支持1：32。

3) 全程傳輸不需電源，不受供電影響；純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，不受電磁干擾和雷電影響。

4) 傳輸延遲時(shí)延短，所有ONU呈現(xiàn)并聯(lián)關(guān)系，只需分光，沒(méi)有經(jīng)過(guò)ONU，未經(jīng)過(guò)光電、電光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，整個(gè)環(huán)路時(shí)延時(shí)間可控。

5) 抵抗能力強(qiáng)，由于PON網(wǎng)絡(luò)為無(wú)源且并聯(lián)，即時(shí)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)失效，環(huán)路網(wǎng)上其余光節(jié)點(diǎn)仍能保持正常通信。

4.4 項(xiàng)目實(shí)施價(jià)值

通過(guò)工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了工廠(chǎng)設(shè)備的全連接，在工廠(chǎng)設(shè)備側(cè)部署ONU集成了數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換的能力，使得數(shù)據(jù)采集更加高效，在設(shè)備側(cè)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。在此基礎(chǔ)上數(shù)據(jù)通過(guò)分析和計(jì)算提升了生產(chǎn)的效率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，方便了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和訂單的管理。

1) 實(shí)現(xiàn)了車(chē)間可視化管理，對(duì)設(shè)備、產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了有效的管理，提高設(shè)備利用率和減少設(shè)備故障率，提升車(chē)間生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)能耗。

2) 實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品品質(zhì)化管理，質(zhì)量判定中能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)的將不良產(chǎn)品剔除，將不良原因、不良數(shù)量記錄下來(lái)，判定為重大不良，或者某一時(shí)間段內(nèi)不良率達(dá)到設(shè)定警戒線(xiàn)時(shí)，可提示停止生產(chǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查、整頓。

3) 實(shí)現(xiàn)了設(shè)備優(yōu)化管理，通過(guò)開(kāi)機(jī)時(shí)間、故障停機(jī)時(shí)間、維修點(diǎn)檢時(shí)間等因素計(jì)算設(shè)備的使用效率，通過(guò)分析設(shè)備的空閑與忙碌的時(shí)間，尋找設(shè)備的最大化使用效率。

4) 實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)訂單，MES系統(tǒng)填寫(xiě)和調(diào)整生產(chǎn)訂單，訂單數(shù)據(jù)按照生產(chǎn)模型分配到不同的設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)的終端看板可同步查詢(xún)。