工业设备网联化技术与实践白皮书

打造先进工业网络加速工业互联网创新发展 工业设备网联化技术与实践 白皮书 吕 HUAWE CAICT亚控科技 中国信通院WWellinlech Midea 广汽 HONDA JINCHUAN:JII 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） 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 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 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 华南理工大学： 薛泉季飞 金川集团公司： 程少逸，吕苏环 工业设备网联化技术与实践白皮书 前膏 前言 ACE 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 须解决的问题。 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 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 络发展的重视。 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 重点实验室八家单位共同发布了（网络体系强基展望白皮 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 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。 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 处，请各位读者批评指正。 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 工业设备网联化技术与实践白皮书 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 02 工业设备网联化现状 2 02 工业设备网联化的技术发展趋势 04 工业设备网联化解决方案 60 目标网络架构及方案 3 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 5 未来展望 18 工业设备网联化技术与实战白皮书 网络体系强基从工业设备联网开始 01 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 倍增发展的保障。 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 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。 工业设备网联化环状及超势 02 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。 工业设备网联化环状及超势 设备分类 级应用场 数量 联网情况 备注 PLC类 码探机PLC、螺钉机PLC、点胶机PLC等 55 60%已联网，40%末联网 部分机台自带PLC采用工业协议，未联网 AGV类 AGV➶车 70 已联网 已无线化 边续机器视觉检测类 围框边缘A检测、自动码垛设备边缘A检测、点胶检测、整机检测、包装检测、logo检测、外观缺陷检测等 399 80%已联网，20%未联网 少量机台自带检测设备末联网 自动化测试类 手机老化测试、手机摄像头测试、手 机升级包在线加载、款件/程序类测试 已联网 定位类 资产盘点、人员技能防果、生产资源 实时调度、WIP透明可视 6100 已联网 已无线化 AR类 AR远程支持、维修工段AR辅助、AR观广验 119 已联网 AR报镜/投影收，有 线+无线 物联类 各类传感器（温度、湿度、有害气 体）、规顾监控、门禁、 PDA/RF/PAD等手持终端 902 70%已联网，30%未联网 部分传感器尚未联网 表2-1某厂商手机智能生产车间设备联网情况 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。 及远程运维的需求。 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 >2.2工业设备网联化的技术发展趋势 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 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 技术协议 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 IT/OT 融合 技术发展路线：IT/OT分离->IT/OT融合、多网合一 连接方式 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 图2-2工业设备网联化技术发展路线 （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 工业设备网联化环状及势 不确定性✁随机网络，难以胜任高速实时性数据通信。为此，世界上✁各大公司纷纷开发出自已✁实时工业 以✎网，例如：PROFINET、EtherCAT等。而TSN(TimeSensitiveNetwork)-时间敏感型网络✁出 现，解决了用单一网络连➓不同工业以✎协议✁问题，并与OPC-UA结合实现了IT与OT✁融合通信。 IT Services RT Services IT Services RT Services TCP/ UDP Special Special Process Data Process Data Protocol IP I Standard Standard SpecialRT 物理相同 Ethernet/MAC Ethemet/MAC Ethernet/MAC CategoryA CategoryB CategoryC StandardEthernetTCP/IP, Powerlink,Sercos EtherCat,Profinetv3 ,Profinetv2 支持IEEE1588 Protocol IP IP TCP/ UDP TCP/UDP IT/RTServices 标准以✎/定制硬件+ 标准IP/定制协议 标准以✎+标准IP/ 定制协议 L2标准以✎+标准IP 图2-3大部分工业实时以✎协议舍弃TCP/P层 广域IP化：大部分✁工业以✎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✎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✁集中控制室完成生产任务，也让大型企业得以在更大范困