智能工厂的工业网络设备为何非“工”不可?

发布时间:2021-10-26 10:04:58 来源:精工智能 作者:admin

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导 读 ( 文/ e-works杨培 )


稳定、可靠、安全的工业通信网络才是互联互通的基石。——本文为e-works编辑记者杨培专访Moxa智能制造专案经理荣海生。


作为实现智能制造的重要载体,智能工厂已被视为制造业企业转型升级,实现可持续、高质量发展的必由之路。近年来,在工业互联网、大数据、云计算、边缘计算、AI、5G等新兴技术的推动以及数字化转型与智能制造迫切需求的驱使下,国内外众多制造企业都纷纷开启了智能工厂建设实践。


智能工厂是利用数字化、网络化、智能化等技术与制造技术相互融合而建立的高效、节能的现代化工厂。这其中,厂内网络作为基础设施,是实现工厂设备联网与数据采集,建设智能工厂的基础和前提,甚至成为关乎智能工厂能否真正落地并发挥实效至关重要的环节。


作为工业通信领域的全球**厂商,Moxa一直在参与***智能制造试点项目。目前已成功完成了包括山东某中央空调产线网络改造、东风某工厂 MES 项目升级、河北某工厂第 6 代AMOLED 面板生产线厂务系统等上百个智能制造项目,提供了从规划到部署的整厂工业网络解决方案。为了更好地指导智能工厂的工业网络建设,让企业少走弯路,e-works专访了Moxa 智能制造专案经理荣海生,并请他就智能工厂的工业网络建设的误区和热点问题分享了其经验与见解。


智能工厂的建设离不开工业网络。那么,Moxa作为工业通信的****,是如何看待企业工业网络建设呢?

荣海生:网络是工业互联的基础。关于智能工厂的网络建设,工信部发布的《国家智能制造标准体系建设指南(2018年版)》(以下简称《指南》)中就指出“工业网络主要对应生命周期维度的全过程,系统层级维度的设备、单元、车间和企业,以及智能特征维度的互联互通。”【1】将工业网络作为一个重要的环节来看待。


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图1:工业网络在智能制造系统

架构中的位置【摘自《指南》】


从上图中我们可以看出,工业网络实施的好坏,会关乎到智能制造的整体效果。每一个功能、每一个设备都是由工业网络连接起来,如果网络不能稳定可靠地传输数据,则指令无法正确送达,甚至生产也无法进行。


即使我们从工业互联网的视角来看,网络的作用也一样是至关重要的。在工业互联网产业联盟(AII)发布的《工业互联网标准体系(版本2.0)》(以下简称《体系2.0》)中提到“网络是工业互联的基础,将连接对象延伸到工业全系统、全产业链、全价值链,可实现人、物品、机器、车间、企业等全要素,以及设计、研发、生产、管理、服务等各环节的泛在深度互联。”【2】


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图2:工业互联网体系架构

【摘自《体系2.0》】


从上图可见,整个工业互联网应用是建构在网络、平台、安全三大建设体系基础之上的。与此相同,与工业互联网架构一样,工业通信网络也是智能工厂数字化建设中必不可少的一环,所以我们说工业通信网络是智能工厂的基石。


什么是智能工厂的工业网络?它与我们常说的互联网或者商业网络有什么区别?

我们认为,智能工厂的网络由两部分组成,一个是商用网络,一个是工业网络。厂内的商业网络,也称为办公网络,主要用于企业业务信息交互,应用系统包括企业资源管理(ERP)、产品生命周期管理(PLM)、物资需求计划(MRP)、办公自动化(OA)等,其需求特点为大带宽、短连接、突发数据流量较多,对时间敏感性较弱。


厂内工业网络,也称为工业系统网络,既包括部署于工厂生产现场及车间的控制与采集网络,也包括用于将各个系统连接和打通的系统管理通信网络。前者用于连接现场传感器、执行器、控制器等设备,实现PLC、CNC、DNC、智能机器等与各个数据服务器的信息交互,后者将各个生产及辅助生产的应用进行跨系统连接,这些系统包括制造运营管理系统(MOM)/制造执行系统(MES)、仓储管理系统(WMS)、能源管理系统(EMS)、数据采集与监控系统(SCADA)、分布式控制系统(DCS)等,其需求特点为长连接,数据通信不可中断,对时间的敏感性较强。


因为二者在需求特点等方面存在显著差异,对通讯设备及运行环境等要求也截然不同。因此,在工厂中我们会将办公网络与工业网络分开部署。


厂内网络

连接应用系统

需求特色

部署地点

办公网络

ERPPLMMRPOA

大带宽、短连接、突发数据流量多

办公室

工业网络

MOM/MESWMSEMSSCADADCS

长连接,数据通信不可中断

工厂及车间


既然工业网络与办公网络存在这些差异,那么,我们在选择工业网络产品时应该注意什么呢?

在工厂内部署工业网络,与机器最接近的是接入层设备,一般的工业现场不会配备空调还可能存在粉尘或油污颗粒,甚至设备会工作在腐蚀性环境中。


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◎ 图源来源于网络


Moxa依据多年工业通信产品的设计经验,在设计时就采用无风扇设计方案,避免了机械部件带来的高故障率。同样的,工业生产现场通常有很多大型机械和大功率电动机在动作时会产生电压波动、电磁干扰、突波浪涌等异常电信号,这也要求通信设备需针对抗电压波动、抗电磁干扰、抗突波浪涌以及抗电源短时中断等作特殊处理,以避免因设备无法承受此类影响而导致数据丢失、错乱,甚至因芯片烧毁而提前报废。

然而,商业级通信设备往往难以满足厂内工业网络以及工业生产环境的要求。在厂内工业网络中使用商业级通信设备,也通常会出现通讯中断、数据获取不完整、设备使用寿命缩短,甚至设备损坏等问题,从而影响工厂的正常生产进度。在进行厂内工业网络产品选择时,应选择工业级通信设备以获得更高可靠度与稳定性,确保企业正常的生产活动。


除了需具备更高强度的防护与环境适应性以外,在厂内部署工业网络还应该注意什么呢?

一般情况下,部署商用网络时的习惯是直接从一台交换机端口连接到下一台交换机,层层连接,如此重复从而组成星型或树形网络连接,乍看之下没毛病,但这样的构建方式往往忽略了工业生产对通信的冗余性要求,同时也易形成因关键节点中断而造成大面积断网,导致全厂数据通信不顺畅等故障情况。


所以厂内工业网络在初始设计时就必须考虑采用冗余性网络架构设计才能保障生产正常进行,即使出现设备通信中断,也要求网络通信必须在短时间内恢复,其恢复时间要小于PLC、CNC等设备的扫描周期,以确保安全稳定生产。


您提到厂内的工业网络和商业网络无论是在需求特点、运行环境,还是在架构设计、部署方式上都有显著的区别。那么,在运维方式上,厂内的工业网络和商业网络也存在区别吗?

在运维方式上,厂内工业网络与厂内办公网络也有很大不同。厂内办公网络的运维基本上就是检查网线接口是否松脱,网络配置是否正常等,无法预知网络将在何时出现状况,只有在网络出现问题后才会进行修补与处理,网络何时恢复也完全依赖于运维人员的应对处理能力。


厂内工业网络则不同,由于其部署于车间及工厂需要进行生产,因此有固定的设备检修保养周期;到了设备保养周期,不管通信设备是否出现状况都会进行巡检,发现问题及时维修或更换,未发现问题则“防患于未然”;而未到设备保养周期,即使设备出现状况,如数据中断等,只要不影响正常生产一般都不允许进行设备维修及处理,否则轻则原材料报废,重则设备损坏或出现生产事故。这同样要求厂内工业网络需具有自愈能力,如采用冗余环网设计,一旦出现网络断开即可在系统通信周期内通过迅速切换实现网络自愈,到了设备保养周期再进行设备维修或更换,以避免对工厂生产造成影响。


对于智能工厂的网络建设,Moxa可以提供哪些解决方案?

作为边缘连网、工业计算及工业网络基础建设解决方案的****,Moxa依托30余年的工业连网经验,可为客户量身定制厂内工业网络解决方案,可提供厂内工业网络的咨询、规划与方案设计,能有效满足离散型智能制造、流程型智能制造、大规模个性化定制智能制造以及远程运维型智能制造等的厂内工业网络建设需求,同时我们在设备智能化和产线联网、智能物流、智能仓储、厂务管理等领域与场景也都积累了非常丰富的实践经验与案例。


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在设备层,Moxa不仅提供串口通讯产品以及串口转网络型产品,方便早期的机床、PLC、HMI等设备能通过串口通信;而且还提供智能型远程I/O,方便对机床的三色灯状态进行采集并计算设备综合效率(OEE)。此外,Moxa还可提供各类工业协议转换器,便于不同协议的设备直接通信;而设备通信协议转换后,Moxa也提供工业网络交换机进行网络连接。


在产线互联中,Moxa可提供嵌入式电脑、工业无线AP、网桥及客户端等产品。其中,嵌入式电脑主要满足生产线监控以及边缘计算需求。工业无线AP以及网桥及客户端则主要用于完成AGV等的无线通信。


您前面提到,工业网络主要部署于工厂现场及车间,因此,对工业网络而言,高稳定性、高可靠性和高安全性是必然要求。那么,MOXA有哪些技术可以保障工业通信的稳定、可靠、安全运行?

在整个车间网络的接入层和核心层,Moxa可提供带有Turbo Ring/Chain特性工业网络交换机,并且可用工业网络交换机组成高度可靠的冗余环网,Moxa冗余环网的自愈能力在20ms以内。核心层的工业网络交换机,作为工业网络的核心枢纽,通过搭配Moxa的网络管理软件,可以完成对多达20,000个IP的大型网络监控。而在厂内工业网络与厂内商业网络的连接上,Moxa则可提供工业级网络防火墙,以防止商业网络的异常流量向工业网络渗透。此外,Moxa也非常重视研发工业通信的新技术并关注新的发展方向,我们已有基于TSN的量产型产品,为面向未来的工业系统网络解决方案打下坚实基础。


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图3:TSN组网示意 【摘自:《时间敏感网络如何助力工业自动化革命》Moxa白皮书】


谈及网络,安全是避不开的话题。特别是连接的设备价值很高时,安全防护更是重中之重。在确保通信设备及连网解决方案的安全性方面,Moxa遵循“纵深防御”的防护理念,提供增强的安全免疫能力,并依照国际权威工业安全标准IEC 62443来进行网络设计与安全提升。目前,Moxa已取得IEC 62443-4-1认证,是第一个获得安全认证的工业网络设备供应商。而为了应对勒索病毒等恶意程序的入侵和攻击,Moxa还推出了工业级入侵防御系统(IPS),不仅能非常有效地监控并阻断恶意程序传播,还能通过虚拟补丁技术,修复老旧设备的安全漏洞,解除老旧设备的安全隐患。此外,Moxa还将陆续推出下一代工业防火墙和工业安全管理软件等安全防护产品。


总之,Moxa具有为客户提供整厂的厂内工业网络解决方案的能力,我们可以为客户量身定制安全、稳定、可靠的工业网络,能让客户用得贴心、安心和放心。5年的质保让客户免除了2-3年左右就要更换通信设备的烦恼。自国家2015年首提智能制造示范项目名单以来,Moxa目前已合计完成了上百个国家和省级智能制造试点项目,并赢得客户青睐。Moxa也希望能与更多制造业企业进行合作,以逾30年的工业通信经验以及量身定制的厂内工业网络解决方案,推动智能工厂真正落地,助力企业向智能制造大踏步迈进!


引用出处:

1.《国家智能制造标准体系建设指南(2018年版)》,工信部

2.《工业互联网标准体系(版本2.0)》,工业互联网产业联盟(AII)





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