工业设备网联化技术与实践白皮书

前言ACE 白皮书在工业互联网产业联盟（AlIl）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） 自工信部印发《工业互联网创新发展三年行动计划（2018-2020）》以来，经过近几年卓有成效的发展，我国工业互联网体系已初步形成，平台应用译勃发展，生态荣，对工业数据上通下达，工业网络开放互通不断提出新的要求。由于传统工业网络先天存在的互通难、开放性差等问魅，如何实现IT与OT端到端灵活组网，实现万物互联与万物智联，让数据上得来，算力下得去，是工业互联网实现叠加倍增发展必须解决的问题。 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：吴应根、侯方明、严海峰 中国信息通信研究院：赵峰、马丹尼 北京亚控科技发展有限公司：张泽、张颈、周朵 在工业互联网体系架构里，措出网络是工业互联网的基础。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）》文件中提出了11项重点任务，将“网络体系强基行动”列为首要任务，体现了国家对工业互联网网络发展的重视。 鹏城实验室：杨沙洲，刘永恒，丁振兰 美的集团股份有限公司：陈俊、章宏达、王军 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、镍钻资源综合利用国源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。 东风设计研究院有限公司：秦希青、周欢，陈鹏 广东工业大学冯广 广汽本田汽车有限公司：杨松玲、刘迪、郑文江、何建锋、柴占雷 围绕“先进工业网络的三个特点，技术专家们规划了“先进工业网络三部曲”，本书是三部曲的第一部，阐述了工业设备网联化的现状及技术发展趋势，并提出了设备网联化及数据采集的解决方案，对企业的工厂网络建设及数据采集提供指导性建议。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。 华南理工大学：薛泉季飞 金川集团公司：程少逸，吕苏环 目录ENTS 网络体系强基从工业设备联网开始01 工业设备网联化现状及趋势022工业设备网联化现状02工业设备网联化的技术发展趋势04 3目标网络架构及方案60设备数采方案11设备网联安全方案14 工业设备网联化产业实践15 上汽宁德打造全联接智能工厂15华为南方工厂实现基于Wi-Fi6实现全连接16宁波舟山港基于5G连接实现智能化17 网络体系强基从工业设备联网开始 人类的工业发展走过了蒸汽时代、电器时代、信息化时代，发展到现在的智能时代，通过对人、机、物、系统等的全面连接，将5G、人工智能等新技术融入到工业制造中，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和股务体系。而工业互联网(industrialnternet）是新一代信息通信技本与工业经济深融合的新型基础设施，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径。 数据是工业互联网的关键，数据采集是第一步。目前工业企业仍面临着网联化程度低，数据大量沉淀的问题。这里的网联化措的是工业设备可以联网跟工业应用系统互通，可以通过企业内网或外网进行数据采集或控制。“要转型，先修路”，网络是工业互联网的基出，是实现人机料法环测全量全要求的数据采集、实现设备全互联、打造方物智联的工业互联网网络基座；是让数据上得来，算力下得去，工业互联网实现叠加倍增发展的保障。 工信部发布的《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》文件中提出了11项重点任务，其中第一项重点任务的“网络体系强基行动”明确提出：加快工业设备网络化改造及企业内网升级，要求：“支持工业企业对工业现场“哑设备”进行网络互联能力改造，支撑多元工业数据采集。提升异构工业网络互通能力，推动工业设备跨协议互通。支持工业企业运用新型网络技术和先进适用技术改造建设企业内网，探系在既有系统上叠加部署新网络、新系统，推动信息技术（IT）网络与生产控制（OT）网络融合”。多个省市出台的《工业互联网创新发展三年行动计划（2021-2023年）》中也纷纷体现通过5G、IPV6等技术进行内网改造升级，实现设备网联化。 随着干行百业数字化转型的不断如速，工业互联网网络也将在数字经济发展中扮演愈发重要的角色。面向“工业设备网联化、联接IP化、网络智能化”发展的工业互联网新要求，以“网络体系强基”为目标打造先进工业网络，正在开启工业互联网“十四五”发展周期的新纪元。 工业设备网联化现状及趋势 √2.1工业设备网联化现状 一个完整的工业系统通常会包括工业设备、网络、平台、应用几部分。通常工业设备的网联是指设备通过网络与工业平台及应用互通。我们常见的工业设备包括车间里的工业机床、仪器、仪表，储里的传送机、AGV等一切为生产产品服务的机器与物料。 以某厂商手机生产的一个智能车间为例，具体见下表，工业设备包括：PLC、边缘检测类设备、自动化测试设备、AGV、生产RF/PAD终端、各传感器（能耗采集、环境监测、ESD检测等）、无线定位类设备及终端、AR类终端、有线/无线类CPE、摄像头等。 根据《智能制造发展指数报告2020》，2020年，我国工业设备数字化率为50%，设备联网率仅为23%，远远低于同期的消费互联网联网率70%。 一方面约80%的设备没有联网，老旧设备多、数字化水平低，很多工厂里存在大量传感器、机器人、仪表、阀门等哑终端，这些哑终端大部只支持RS485/RS232、DI/DO、USB等接口，无法直接连接网络进行数据传输，需要网关进行接口转换及数据封装，改造工作量大且成本高额，难以接入网络。 另一方面23%的设备联网了，但通信协议不统一，全球各类自动化厂商、研究机构、标准化组织围绕设备联网推出了成百上种现场总线协议、工业以太网协议和无线协议，协议标准众多且相对封闭，各成体系(如Profibus、Profinet、EtherCat、Ethernet/IP、Modbus等），互联互通困难，形成了“烟窗式"的封闭和碎片格局，极大的阻碍了工业的发展。 工厂中设备连接类型越来越多，设备连接量越来越大，逐步呈现出全连接的趋势。工厂需要具有对设备、对网络和对业务的整体管控方案，以满足工厂灵活调配网络适应业务的需求，以及智能化故障预测诊断及远程运维的需求。 工业设备网联化技术与实践白皮书 >2.2工业设备网联化的技术发展趋势 技术的发展是由业务应用驱动的，当前工业互联网网络正在与边/云共同构筑基础没施层，提供大带宽、低时延、高可靠的网络入口和高速管道。同时，企业业务正在向云化发展，导致设备也要与云端联网；企业设备生产效率及质量的提升，需要用到大量的新兴技术，业务流的变化，带来新日网络的共存或融合；企业的个性化定制服务需求需要柔性的产线，导致生产设备从有线连接向无线连接改变。这三条发展路线正在共同驱动制造企业走向数字化、智能化。 设备网联化的技术发展路线 业务需求：业务数字化，云化发展，控制集中化 技术发展路线：总线->以太->P化 业务需求：设备生产效率及质量提升，用到AGV、光学质检等新技术 技术发展路线：IT/OT分离->IT/OT融合、多网合一 业务需求：个性化定制服务需求需要柔性的产线 技术发展路线：生产设备从有线连接->无线连接 （一）技术协议发展路线： 工业总线：在上个世纪80年代末，人们带望产线不同设备的运行参数与信息，通过产线内部不同设备的数据交换，实现操作控制。工业总线应运而生，它主要解决工业现场的仪器仪表、控制器等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和控制系统之间的信息传递问题。但由于每种总线有着不同的物理接口、传输机制，彼此难以互通。 引入工厂设备底层，工业以太网也就随之产生了。工业以太网最大的优势在于：可以满足控制系统各个层次的要求，使得企业的信息网络和控制网络能够实现统一，容易获得众多厂商的支持。但是以太网是一种通信 不确定性的随机网络，难以胜任高速实时性数据通信。为此，世界上的各大公司纷纷开发出自已的实时工业以太网，例如：PROFINET、EtherCAT等。而TSN(TimeSensitiveNetwork)-时间敏感型网络的出现，解决了用单一网络连接不同工业以太协议的问题，并与OPC-UA结合实现了IT与OT的融合通信。 广域IP化：大部分的工业以太在实时处理过程中舍弃了TCP/IP层，因此从本质上进是工业以太总线。进入工业智能时代，工业互联网正在推动企业生产系统走向现场少人化、无人化，控制系统加速走向远程集中控制模式，让操作人员可以在更安全、更舒适的集中控制室完成生产任务，也让大型企业得以在更大范困内实现总部、多基地之间的生产要素调度和优化，为此，工业控制系统需要走向广域云化。工控系统的P化是实现整个网络端到端统一语言都说“普通话”、IT与OT网络合的基础。当然，要实现远程的云化实时控制，一张确定性的广域网络必不可少。 工业设备网联化技术与实践白皮书 （二）IT/OT融合发展路线： 造装备，工厂有大量设备都联网，包括机器人、移动AGV，机床及其它自动化设备，让网络连接诉求变得极其重要。工厂需要一种易于部署、易于管理和易于使用的网络连接解决方案，以实现现场设备快速、轻松地相互信，典型场景： （1）为了提升工厂内货物搬运效率而引入AGV机器人 （2）为了提升检测质量引入AOI光学检测 （3）为了提升智能化引1入越来越多的IOT设备 （4）为了提升生产线柔性制造（需快速变更产线），产设备尽可能无娥化 （5）为了提升企业网络的部曙和运维效率，多张网络逐渐融合 这些业务变化会带来对网络带宽、智能化等更高诉求，IT网络将进一步下移，IT和OT之间的鸿沟正在迅速消散，最终T与OT网络走向融合。 （三）连接方式发展路线： 有线连接：在工业发展之初，有线连接作为技术成熟且稳定可靠的连接介质，被广泛应用于工业场景中。有线连接由多种协议类型、传输介质组成，主要解决生产设备和控制设备之间数据及控制信令的交互也用于环境监控数据的采集。但在工业互联网时代，有线连接的方式也带来了很多显而易见的缺点，例如 部署成本高：所有设备通过有线互连，施工和部署复杂，线缆成本高，施工工期长，影响产线进度； 维护成本高：后期维护也有较大成本（例如线缆因为老化或损坏需要定期更换，而有线电缆很多时候铺设在地下，故障排除难度较大，难以检修）； 重配产线困难：针对未来柔性制造中的产线重配、按需生产，重配产线的复杂度和成本都很高； 移动性受限：设备（例如工业机器人）的移动性因为连接了线缆而受到很大限制，移动范围较小，当设备的操作区域发生变化后，需要完全重新布设有线，限制了设备的应用。 无线连接：进入工业互联网时代，各行业例如工业、电力等行业都在以未来提高灵活性和多功能性、改善资源效率及成本效益为主要目标。这些改进对于解决日益动荡的全球化市场的需求非常重要。所有这些的主要推动因素是基于无处不在且强大的连接和计算基础设施的网络物理生产系统，它以灵活，安全和一致的方式将人员，机器，产品和各种其他设备相互连接起来。基于此，诸多的无线通信技术应运而生。例如：5G、Wi-Fi6、Zigbee、Bluetooth、UWB、RFID等。无线通信可以解决有线的部署和维护问题，降低部署和维护成本，可以支持更高的移动性，更方便产线的灵活配置。在无线通信技术迅速发展的今天，随着 工业设备网联化技术与实践白皮书 工业设备网联化现状及超露 其通信性能越来越接近有线通信性能（例如低时延、高可靠等），越来越多的应用采用无线的方式进行通信，尤其在未来的智能工厂将采用灵活的模块化生产系统，而不是采用静态顺序生产系统的条件下，这包括更多的设备移动和多功能生产资产，这需要强大而有效的无线通信技术和本地化服务。 基于此，建议按照如下方式进行工业设备网联建