工业网络联接IP化技术与实践2021

打造先进工业网络加速工业互联网创新发展 工业网络联接IP化技术与实践白皮书 前言工业网络联接IP化技术与实践白皮书 白皮书在工业互联网产业联盟 （AII）IPv6+特设组的指导下完成 指导组成员： 田辉（中国信通院）郭奇（金川集团）耿亮（华为） 联合编写单位及编写组成员： （排名不分先后） 华为技术有限公司： 李兴、唐新兵、徐前锋、韦乃文 中国信息通信研究院： 赵峰、马丹尼 上海宝信软件股份有限公司： 钱卫东、秦凯运、许海峰、杨海荣 东风设计研究院有限公司： 张志瀚、赵君、丁荣旺、陈世昌 金川集团股份有限公司： 吕苏环、杨鹤年、戚建梅 上海交通大学： 戴文斌 北京亚控科技发展有限公司： 张泽、张硕、周朵 上海乐异自动化科技有限公司： 吕炜旻、赵俊 前言 PREFACE 工业互联网体系架构中，网络是基础。2021年初，工信部发布的《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》将“网络体系强基行动”列为首要任务，再次体现了网络对工业互联网创新发展的重要性。2021年4月，中国信通院、华为、中国第一汽车集团有限公司、上海汽车集团股份有限公司乘用车公司、东风通信技术有限公司、金川集团公司、重庆大学、镍钴资源综合利用国家重点实验室八家单位共同发布了《网络体系强基展望白皮书》，明确提出了“打造先进工业网络，加速工业互联网创新发展”。白皮书指出工业互联网的先进工业网络，应该具备“工业设备网联化、联接IP化、网络智能化”的特点。 工业互联网的创新发展，离不开互联网协议（IP协议）。工业网络联接的IP化不是一蹴而就的，而是一个由外向内、自上而下的发展过程，工厂外网首先实现了IP化，工厂内网的IP化正在自上而下逐步推进，推动信息技术（IT）网络与生产控制（OT）网络融合，加速工业数据采集、分析和人工智能技术深入工厂、车间和生产线，实现远程集控，孵化现场少人化、无人化生产的新业态。新一代机器视觉装备、AGV自动导引车等设备都已经支持IP协议，传统工业设备也将逐步支持IP协议，最终实现IT/OT网络的完全融合。我们认为，IT/OT融合的、IPv6一网到底的先进工业网络是智能制造的关键基础，实现“数据上得来、算力下得去、上下游贯通”，这也将成为下一代智能工控系统架构的关键特征。 IPv6的规模部署、IPv6+持续创新，将进一步推进工业网络联接走向IP化的进程。2021年7月，网信办、发改委、工信部印发《关于加快推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署和应用工作的通知》，要求强化物联网终端IPv6部署应用，推动新生产的工业联网设备、传感器节点等生产物联网终端支持IPv6，默认开启IPv6功能，加快企业物联网应用平台IPv6改造和存量老旧物联网终端升级替换，明确了物联网IPv6连接数2023年达到2亿、2025年达到4亿的目标。2021年9月，工信部联合中央多个部委联合印发了《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021-2023年）》，要求加速推进全面感知、泛在连接、安全可信的“物联网新型基础设施”，推进IPv6在物联网领域的大规模应用，2023年物联网的连接数量突破20亿。 本白皮书阐述了工业网络联接向IP化发展的趋势、价值、挑战等；重点介绍了支撑网络IP化的新技术、以及IP化实施路径及实施架构，对企业的工厂网络IT/OT融合建设提出建议。限于时间和能力，若有内容疏忽及考虑不周之处，请各位读者批评指正。 目录 CONTENTS 01 工业网络联接IP化快速发展 1.1工业网络联接IP化，加速工业数字化发展 1.1.1实现数据无缝流转，加速智能化制造 1.1.2支持远程集控，助力现场少人化、无人化生产 1.1.3打破工控网络七国八制，降低建网成本 1.1.4加速生产系统分级上云，促进网络化协同 1.1.5提升客户参与感，促进服务化延伸 1.2他山之石：网络IP化焕发行业创新活力 02 工业网络联接IP化的挑战与机遇 2.1工业网络联接IP化面临的挑战 2.1.1推动工业终端加速向智能化演进 2.1.2IP网络需要满足工业对确定性时延的需求 2.1.3运维管理需要更加智能 2.1.4物联终端的安全风险需要有效应对 2.2IPv6+技术创新加速工业网络联接IP化 2.2.1灵活以太网技术 2.2.2确定性IP技术 2.2.3SRv6源路由技术 2.2.4随路网络测量技术 2.2.5AI增强的设备指纹识别 P01 P01P01P02P03P03P04 P05 P07 P07P07P08P08P09 P09P09P10P11P11 P12 工业网络联接IP化的实施路径 03 04 工业网络联接IP化的实施架构 4.1工厂外网网络架构 4.2工厂内网网络架构 4.2.1新增模式下的网络架构 4.2.2存量模式下的网络架构 4.2.3融合模式下的网络架构 05产业实践 5.1中国宝武：践行智慧制造，“四个一律”驱动IPv6+技术创新与应用 5.2金川集团构建多元数据融合的统一IP网络 06总结与展望 术语和缩略语P27 07 P13 P16 P16P19 P19P20P21 P23 P23 P25 P26 01工业网络联接IP化快速发展 工业网络联接的IP化不是一蹴而就的，而是一个由外向内、自上而下的发展过程，工厂外网首先实现了IP化，工厂内网的IP化正在自上而下逐步推进，推动信息技术（IT）网络与生产控制（OT）网络融合，加速工业数据采集、分析和人工智能技术深入工厂、车间和生产线，实现远程集控，孵化现场少人化、无人化生产的新业态。在工业互联网“网络体系强基行动”中，网络联接的IP化将有力推动信息技术（IT）网络与生产控制（OT）网络的融合，推进企业内网升级改造，加速工业数字孪生、AI机器视觉等新技术、新装备的普及，实现数据上得来、算力下得去、上下游贯通。 1.1工业网络联接IP化，加速工业数字化发展 如果说“设备网联化”是工业互联网的基础，那么“联接IP化”则是智能制造发展的前提。工业生产中的人、机器、装备、物料等资源通过有线或无线的方式彼此连接或与互联网相连，形成便捷、高效的工业互联网信息通道，实现工业数据的互联互通，拓展了机器与机器、机器与人、机器与环境之间联接的广度和深度；实现数据在现场与边缘、云端的无缝流转，实现算力从云端下沉到边缘，下沉到端侧。总结来讲，联接IP化的价值就是要实现“数据上得来、算力下得去、上下游贯通”，达成“智能化制造、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、数字化管理”的目标。 1.1.1实现数据无缝流转，加速智能化制造 利用网络信息技术和先进制造工具来提升生产流程的智能化，从而完成数据的跨系统流动，包括数据的采集、分析与优化，实现设备性能感知、过程优化和智能排产，是工业4.0智能化生产的基本要求。 目前ISA-95（企业系统与控制系统集成国际标准，由仪表、系统和自动化协会ISA在1995年投票通过）的五层架构中，数据采集需要“逐层上送”，每一层的数据传递过程都存在较多的数据信息损失，难以满足智能化生产的需要。智能化生产的基本要素就是海量的数据。只有数据充分地采集、流转，并减少数据信息损失，才能真正发挥大数据的作用。同时，为了实现AI机器视觉质检、智能排产、过程优化，算力也需要能下沉到边缘甚至现场，将数据和智能充分融合起来，更高水平地实现智能化制造、预测性生产、过程控制优化。 无论物理层介质是有线还是无线，绝大多数IT信息系统都采用互联网协议（IP协议）实现互联互通，IP协议已经成为通用的网络协议技术。工业网络联接IP化，可以实现端到端的、跨空间、跨系统的互联互通，实现数据的充分流转，从而实现对工业生产过程全要素的建模、分析、优化和预测。 01 工业生产过程全要素的建模、分析、优化和预测 数据全面深度感知 实时数据交换 快速计算处理 图1-1：数据无缝流转，加速智能化制造 某矿业集团生产环境复杂，环节众多，各个系统采用的协议及接口各不相同、协同配合复杂度高，导致企业各系统之间数据流转非常困难。为了打通各个系统，集团下决心建设了一张多元数据融合的统一IP网络，将矿山现场采掘设备、运输设备、固定值守设备等连接起来，实现设备数据和环境数据的高效采集、协议转换、实时处理，实现各个IT/OT系统的数据融合、生产系统和管理执行系统的数据融合。 1.1.2支持远程集控，助力现场少人化、无人化生产 传统工厂的工业生产控制室分三个层次，分别是现场的操作室、厂部的调度室、基地的总调度室，其中操作室处于生产一线的现场。化工、冶金等很多行业的现场操作环境恶劣、或者危险，采用远程集控模式实现现场操作少人化、无人化，已经成为趋势。但现有的工业控制系统普遍采用工业以太、工业总线等局域网络架构，无法满足远程集控的诉求。只有采用IP协议组成联接海量设备的大型网络，才能满足远程集控需要的远程连接、大规模组网等需求。 L4/L3 云化 PLC 汇聚交换机 跨园区 接入交换机园区 L2控制室 跨园区 未来阶段 HMI/SCADA 采用IP技术的大规模工业网络 Repeater L1 Repeater OLM/ Repeater PLC从站 驱动器 I/O L0 PLC主站上移至调度室 厂部层调度室 总调度室集团层（MES/ERP） 图1-2：远程集控助力现场少人化、无人化生产 02 宝武集团提出了“四个一律”的智慧制造理念，也就是“操作室一律集中、操作岗位一律机器人、运维一律远程、服务环节一律上线”。在“四个一律”理念的指导下，宝钢股份在智慧制造示范试点项目中，在机组入口拆捆、锌锅捞渣、出口取样、打捆和贴标等作业场景全部应用机器人技术，通过车间网络的IP化联接，实现了车间管控的集控化、库区管理和钢卷驳运等物流作业无人化，试点产线的吨钢能耗下降了15%，综合污染物吨钢下降30%，劳动效率提升30%，产能提升20%，加工成本下降10%。 1.1.3打破工控网络七国八制，降低建网成本 传统的工业现场网络主要是采用现场总线、或工业以太技术，历史上各个行业的独立发展造成了多种各自不同的现场网络技术标准，如ProfiBus/ProfiNet、EtherCAT等。这些不同的工业以太网虽然都是基于IEEE802.3的以太网架构，但其在协议栈设计上并没有完全遵循TCP/IP协议栈模型，往往只是简单地借用以太网报文的帧格式，并且对数据链路层或多或少地做了硬件修改或软件修改，已经不是IEEE802.3的标准以太网了。这也是各种工业以太网协议难以互联互通的根本原因。 CategoryA CategoryB CategoryC Ethernet/MAC Ethernet/MAC 物理相同Ethernet/MAC SpecialRT Standard Standard IP IP IP SpecialProcessDataProtocol TCP/UDP SpecialProcessDataProtocol TCP/UDP TCP/UDP RT Services IT Services RT Services IT Services IT/RTServices EtherCat,Profinetv3 Powerlink,Sercos-III,Profinetv2 StandardEthernetTCP/IP,EtherNet/IP,Modbus/TCP 支持IEEE1588 A类： L2/L3标准，由应用层增加确定性协议 B类： 标准的L2，定制化的L2硬件保障确定性 C类：非标准的L2，硬件保障确定性 特点 应用软件处理确定性低延时，指示若，通常在10ms级别 硬件处理控制周期，指示较好，可以在几ms级别 定制化硬件处理，指标最好，可以达到几十us级别 图1-3：工业以太的协议栈图1-4：工业以太的分类 IP技术是一种设备端到设备端的通信协议，天然就可以实现各种异构介质网络的互联互通，而无需中间的协议转换网关。随着工业智能逐步深入工业现场，控制和智能的融合、实时数据流