淺析工業網際網路推動工廠網路與網際網路融合發展論文
淺析工業網際網路推動工廠網路與網際網路融合發展論文
1 工業製造領域的網路發展現狀
當前，工業生產過程的控制已經實現了從模擬訊號到數字訊號的飛躍，以微處理器為核心的智慧生產控制系統得到了廣泛的應用。伴隨著生產過程控制的自動化和數字化，數字通訊網路已經延伸到工業控制領域。隨著企業資訊化的發展，連線資訊終端與IT 系統的資訊網路也成為工廠網路的重要組成部分。
總體來看，工廠網路呈現“兩層三級”的結構。“兩層”是指存在“IT 網路”和“OT 網路”兩層技術異構的網路;“三級”是指根據目前工廠管理層級的劃分，網路也被分為“現場級”、“車間級”、“工廠級/企業級”3 個層次，每層之間的網路配置和管理策略相互獨立。工業控制網路，或稱為操作技術(OT)網路，主要用於連線生產現場的控制器，如可程式設計控制器(PLC)、過程控制系統(DCS)、分散控制系統(FCS)等，以及感測器、伺服器、監控裝置等部件。工業控制過程對網路的主要需求是網路的確定性(包括對時延、時延抖動的嚴格要求，以及時間同步要求等)和可靠性(網路的丟包率與可用性)。工業控制網路的主要實現技術分為現場匯流排和工業乙太網兩大類。工廠資訊網路，或稱為資訊科技(IT)網路，主要由IP 網路構成，並透過閘道器裝置實現與網際網路和現場網路的互聯和安全隔離。
1.2 OT 網路的技術與產業現狀
OT 網路技術主要包括現場匯流排和工業乙太網兩類。現場匯流排技術出現於20 世紀80 年代初，目前在工業控制領域佔有60%以上的市場份額。雖然經歷了30 多年的標準化努力，現場匯流排技術標準仍呈現“諸侯割據，各自封閉”的狀況，許多國際製造業的巨頭形成並把控了各自不同的現場匯流排技術標準，並應用在不同的工業領域，如西門子的PROFIBUS、施耐德的Modbus、博世的CAN 匯流排等。在現場匯流排國際標準IEC61158 的第4 版中，包括了20 種不同的現場匯流排技術，也體現了目前工業控制領域各自為戰的局面。
隨著工業生產過程中資訊化水平的不斷提高，現場匯流排正在向能夠相容網際網路通訊技術的工業乙太網演進。工業乙太網使基於IP 技術的資料採集、監控能力一直延伸到工業生產現場。目前工業乙太網雖然都是基於標準的乙太網(IEEE802.3)技術，但其技術體系也呈現“各自獨立”的局面，主要有西門子的PROFINET、羅克韋爾/思科的Ethernet/IP、倍福(Beckhoff)的EtherCAT 等標準。總體上看，在工業控制領域中工業乙太網的市場份額(2015 年為34%)仍然低於現場匯流排，但近年來一直呈現緩慢上升的趨勢，預計到2017 年其市場份額將達到38%。
中國在工業控制領域一直處於比較弱勢的地位，雖然由浙江大學、浙江中控技術有限公司、中國科學院瀋陽自動化研究所等提出的面向工廠自動化的乙太網(EPA)技術已經在2005年被列入IEC61158 標準，但在產業中實際市場份額較低。
2 工廠網路存在的問題
目前工廠網路中這種技術體系和網路結構相互隔離的狀況使IT 系統與生產現場之間的通訊存在很多障礙，難以滿足智慧製造的需要，主要體現在以下3 點：
(1)工業控制網路與企業資訊化系統網路技術體系各異，難以融合互通。智慧化生產需要企業資訊化系統充分收集生產現場的資料資訊，以實現智慧化的決策反饋。但目前工業企業內部在網路結構上呈現“工業控制網路”和“企業資訊網路”的兩級網路劃分，工業控制網路以工業匯流排、工業乙太網等技術為基礎，企業資訊網路則以IP/乙太網為基礎。兩級網路之間由於技術體系的差異難以實現充分的資訊互動，而且由於目前工業控制網路技術呈現“七國八制，諸侯割據”的狀態，採用不同標準的系統之間的互通也存在極大障礙。因此，亟需在保障生產環節安全的前提下，打通企業資訊網路與工業控制網路，實現生產現場資料的有效採集和流動。
(2)工業生產全流程存在大量“資訊死角”，亟需實現網路全覆蓋。智慧製造是設計、生產、銷售、維護全流程的資訊化、網路化，但目前從機器裝置、控制系統，到產供銷各流程還有大量沒有實現網路化，或“智慧化使能”的環節。在工業企業內部，由於沒有充分的網路覆蓋，大量與生產、管理相關的資料無法生成和採集，使企業資訊化系統變成是資訊死海中的一個個“孤島”，難以發揮其作用。
(3)工業製造過程與網際網路的融合不足，難以催生新模式，新業態。無論是個性化定製還是網路化協同，以及製造業的服務化轉型，網際網路都在其中發揮了連線產業環節，實現資源最佳化配置的重要作用。目前，中國的工業企業對網際網路的融合利用還很不足，對網際網路的應用大多數僅限於資訊釋出等簡單形式，“網際網路+製造”所引發的新模式、新業態還遠未得到開發。
3 工廠網路與網際網路的融合發展
3.1 工業網際網路帶動工廠網路與網際網路的融合
工業網際網路對現有生產過程的改造一方面體現在覆蓋工業生產生命週期的資訊採集與分析，另一方面體現在利用網際網路實現工業生產的資源配置、協同合作和延伸服務。這些願景需要工廠網路與網際網路實現充分的融合。工廠網路與網際網路的融合使工業網際網路呈現以3 類企業主體，7 類互聯主體，9 種互聯型別為特點的互聯體系。
3 類企業主體包括工業製造企業、工業服務企業和網際網路企業。工業製造企業提供基本的產品設計、生產、維護能力;工業服務企業利用對智慧產品的資料採集、建模、分析形成創新的使用者服務模式與業態;網際網路企業利用其平臺資源優勢實現工業生產全生命週期的資源最佳化配置。在工業網際網路體系中，這3 類企業的角色是不斷滲透、不斷轉換的。
7 類互聯主體包括在製品、智慧機器、工廠控制系統、工廠資訊系統、智慧產品、協作企業和使用者。在目前的工業生產模式中，機器、控制系統、資訊系統等主體已經具備了一定的互聯能力，工業網際網路將互聯主體進一步擴充套件至在制產品、智慧產品、使用者等工業生產生命週期各環節、各層面的主體之中，這也需要新型感測裝置、物聯網等使能技術的支撐。
9 種互聯型別包括了7 類互聯主體之間複雜多樣的互聯關係，目前已梳理出的互聯型別可能還不能完全體現工業網際網路中互聯關係的複雜性。這些互聯關係體現出工業生產過程中的網路互聯已經遠遠超出了傳統OT 系統或IT 系統互聯的範疇，成為連線生產能力、設計能力、商業能力以及使用者服務的複雜網路系統，其支撐技術也涵蓋了已有的工業控制網路、網際網路、物聯網等技術。
3.2 工廠內部網路與網際網路技術的融合
面向工業網際網路的需求，工廠內部網路正逐步與網際網路技術實現融合，呈現“三化(IP 化、扁平化、無線化)+靈活組網”的發展趨勢。IP 化是指OT 網路的IP 化，以實現從機器裝置到IT 系統的端到端IP 互聯，進而實現整個製造系統更大範圍、更深層次的資料互動與協同。IP 網路是目前網際網路和企業資訊系統普遍採用的網路技術，透過“IP 到底”實現工業生產全過程資訊採集是合理的技術選擇。目前以PROFINET、Ethernet/IP 等為代表的工業乙太網協議已經支援為現場裝置分配IP 地址，並實現IP 流量與控制資訊的共線傳送。
扁平化是減少工廠內資料傳送的層級，實現工業資料在生產現場和IT 系統間的快速流通，並支援實時或準實時的資料分析與決策反饋，從而實現智慧化生產。扁平化有兩層含義：一是OT 層面的扁平化，將傳統上現場級、車間級、控制級等複雜分層的OT 網路統一為扁平化的二層網路;二是IT、OT 的融合化，透過業務閘道器類裝置實現IT 層和OT 層的資料融合互通。
無線化是利用各種無線技術支援工廠內更加廣泛的資訊採集與傳送，消除工廠內的“資訊死角”。目前傳統的2G/3G/LTE、WiFi 及zigbee 等無線技術已經逐步在工業互聯中獲得一定規模的應用;同時針對於工業場景的工業無線技術也開始出現，如WIA‐PA、WirelessHART 及ISA100.11a 等。但工業無線的應用總體還處於初期階段，實際應用部署較少，且主要在流程工業領域。隨著工業網際網路的發展，工業無線技術將逐步成為有線網路的重要補充，但還需要解決電磁通道干擾、低功耗、可靠性等關鍵問題。5G 技術在場景設計中已經考慮到低功耗、大連線、高可靠的物聯網應用場景，未來可能在工業無線領域發揮更大作用。靈活組網是面向柔性生產的需要，透過網路資源的動態調整，實現生產過程的靈活組織及生產裝置的“即插即用”。目前的工業生產(主要指離散工業)基本上都是“剛性生產”模式，其網際網路絡也是“剛性網路”，製造環節中機器、裝置、輔助工具等需要按照預先的設定進行互聯。未來工業生產大規模定製化的特點需要資源組織更加靈活，更加智慧，以軟體定義網路(SDN)為基礎的新型網路技術可實現網路資源的動態調整，打破工廠內部網路剛性組織的侷限，適應智慧機器自組織和生產線敏捷部署的要求。
3.3 工業生產與網際網路業務模式的融合
目前工業生產生命週期與網際網路的結合主要是商業銷售環節的結合，並催生出“淘工廠”等新業態。隨著網路和資訊科技、服務模式的發展，原來侷限在工廠內的工業生產過程逐步走向外部網路，體現為工廠內系統、網路與工廠外網路(網際網路)逐步實現融合，以實現更為靈活的生產組織、更加最佳化的產業分工、更加便捷的產業鏈協作，或形成以往無法實現的新的服務業態。
工業生產與網際網路業務模式的融合體現為四大類：IT 系統與網際網路的融合、OT 系統與網際網路的融合、企業專網與網際網路的融合、產品服務與網際網路的融合。IT 系統與網際網路融合從網路層面來看是工廠內部IT 網路向外網的延伸。企業將其IT 系統(如企業資源計劃(ERP)、客戶關係管理系統(CRM)等)託管在網際網路的雲服務平臺中，或利用軟體即服務(SaaS)服務商提供的企業IT 軟體服務。目前美國的Autodesk、法國的達索，以及中國的數碼大方等企業已經開始面向中小企業提供這類雲服務。
OT 系統與網際網路融合從網路層面看是OT 系統網路向外網的延伸。在一些人力較難達到，且又需要實現生產過程調整和維護的場景下，需要透過可靠的網際網路連線，實現遠端的OT 系統控制。目前瀋陽機床廠的`“i5”平臺可以初步實現對不同地理位置機床的遠端監控，就是這類服務的雛形，但不同的OT 業務流對網路要求不同。目前網際網路的質量對於時延、抖動、可靠性有極高要求的實時控制和同步實時控制還很難承載。企業專網與網際網路融合是將在公眾網路中為企業生成獨立的網路平面，並可對頻寬、服務質量等進行定製。這類業務場景不僅需要為企業提供獨立的鏈路資源(VPN)，還需要提供獨立的網路資源控制能力，開放的網路可程式設計能力，以及定製化的網路資源(如頻寬、服務質量等)。目前的網際網路尚不支援此類業務場景，需要網路虛擬化及軟體定義技術的進一步發展與部署。產品服務與網際網路融合將透過智慧工業產品的資訊採集和聯網能力為工業企業提供新的產品服務模式。目前IBM、微軟、GE 等公司紛紛推出各自的工業網際網路資料分析平臺，工業企業基於這些平臺可以為使用者提供產品監測、預測性維護等延伸服務，從而延長了工業生產的價值鏈。這類業務的基礎是對海量產品的資料採集與監測，需要透過無線等技術實現工業產品的泛在接入。
3.4 工廠網路與網際網路融合發展的技術需求
基於我們目前的研究，工廠網路與網際網路的融合仍將基於目前以IP 技術為基礎的網際網路技術體系。另外由於工業網際網路需要連線大量的無處不在的企業、使用者、智慧產品(如汽車、工程機械)等，需要依託公眾網路，因此從網路建設部署的角度看，工業網際網路應和公眾網路融合在一起，部分環節有可能採用專網或虛擬專網。
雖然工業網際網路引發的工廠網路與網際網路融合尚在發展初期，但一些關鍵技術需求或方向已經顯現，包括以下6 個方面：(1)支援控制資訊與資料資訊共線傳送的高可靠工業乙太網技術;(2)面向工業生產的無線解決方案;(3)支援生產現場控制網路靈活組網的SDN 技術;(4)包括NB‐IoT、5G 在內的面向海量產品泛在接入的無線網路技術;(5)生產現場資料向雲端整合的資訊傳送技術;(6)支援骨幹網路多租戶隔離的網路虛擬化和軟體定義網路技術。
4 加快中國工業網際網路發展的建議
(1)利用科研專項等方式加快中國自主智慧財產權的工業控制網路技術研發及標準化，並以產業聯盟的形式集中工業企業、IT 企業、網際網路企業以及研究機構的力量，儘快實現規模應用，形成產業生態。
(2)利用中國ICT、網際網路產業技術方面的比較優勢，加強ICT 新技術與工業領域融合技術的研究，在一些新興技術領域形成我們自己的突破點，佔據國際技術研究的前沿。
(3)鼓勵中國企業、科研機構等積極參與國際工業網際網路相關產業、標準組織活動，緊跟國際工業網際網路技術進展的步伐，並爭取對其發展方向產生影響。(4)建立國家級工業網際網路創新平臺，圍繞工業網際網路整體技術架構、網路技術、標識解析、工業大資料、工業雲平臺、安全防護等領域的技術、標準、產品驗證，構建工業網際網路技術和產業創新服務體系，開展產業轉化與推廣，引領和支撐中國工業網際網路技術與產業的發展。