梳理:工業互聯網的八大關鍵技術

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沒有應用網絡。雖然業界正專注于工業互聯網平臺的培育,網絡側的“互聯互通”缺失卻不容忽視

在工業互聯網系統中,網絡是基礎,數據是核心,安全是保障?!秶鴦赵宏P于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》提出組織實施工業互聯網工業企業內聯網,工業企業外聯網和標識分析系統的建設和升級。

在“看得見的手”的推動下,自上而下的工業互聯網絡改造項目正式啟用。本文解構了工業互聯網中的通信技術。

5G:搭建比馬達還快的機器連接

自上而下的工業轉型正在悄然發生。

2012年,國際制造業巨頭通用電氣(GE)首次提出工業互聯網的概念,稱未來將通過設備、互聯網與大數據相結合,促進更先進的設備和更完善的服務產生,工業互聯網將成為繼工業革命和互聯網革命之后的下一個全球商業浪潮。

隨后,德國,中國等國際大國將工業互聯網置于重要戰略地位,工業互聯網之戰即將瀕臨。

然而,當所有各方都打算抓住工業互聯網的機遇時,5G可以被視為工業互聯網的“助燃劑”,因為它具有高速,低延遲和大規模連接。

那么,5G是如何助燃工業互聯網?據報道,為了節省工廠效率并實現工業互聯網,需要完成工業自動化的工業控制,這需要端到端的毫秒超低延遲和近100%的高可靠性通信。

5G網絡切片技術可為工業應用分配專用的低延遲,高可靠性切片,并通過切片內部參數監控,根據業務需求的變化自動優化網絡參數,并可針對不同企業的不同產品需求進行細粒度切片。因此,可以以較低的成本滿足垂直工業需求。

雖然5G還沒有進入現實狀態,但華為,中興,愛立信和諾基亞等國際主流設備廠商正積極與垂直行業合作,同時加大對5G技術的研發力度,利用其端到端無線網絡試水工業互聯網

華為旋轉CEO徐志軍已公開表示,5G可以大大提升用戶體驗。例如,在5G網絡中,下載6G高清電影只需2秒,并且可以實現1000億的連接。同時,5G也有工業級??煽啃院蛯崟r性將為工業互聯網提供強大的網絡支持。

值得一提的是,在最近結束的2018年MWC上,華為展示了5G電源智能制造的縮影,以實現靈活生產。據報道,該應用程序通過無線網絡連接“工廠”中的九個WAVE機器人。它們通過無線網絡形成分工,可以根據需要快速組裝三個不同的圓珠筆,甚至可以在筆中刻上買主的名字。在殼上。

此外,愛立信還將工業互聯網作為5G的殺手級應用,并在MWC2018上與中國移動共同展示了智能工廠。該應用程序是使用5G網絡切片功能來支持生產線產品的定制組裝能力。通過云人工智能實時采集,識別和匹配附件信息,并根據識別結果驅動機械臂完成產品裝配。

同時,諾基亞還在中國移動的工業自動化領域展示了5G網絡切片的應用場景。移動網絡實現了液壓自動化的高精度控制和運行現場的實時監控,展示了工業自動化領域的5G網絡切片技術。應用實踐。

可以發現,雖然工業互聯網方興未艾,5G仍然在路上,但5G與工業互聯網結合已是必然,也必將創造更大的價值。

邊緣計算:海量工業應用的計算基石

工業互聯網離不開邊緣計算(MEC)。

IDC Statistics,截至2020年將有超過500億終端與設備聯網,未來超過50%的數據需要在網絡邊緣側分析、處理與儲存。邊緣計算提供靠近源或數據源附近網絡邊緣的邊緣情報服務,滿足敏捷連接,實時服務,數據優化,應用智能,安全和隱私中的行業數字化的關鍵需求保護。

虛擬空間和物理實體可以通過邊緣計算的資源和功能緊密集成。

在工業制造領域,要實現數字化制造、網絡化協同、智能化轉型,離不開物聯網、大數據和云計算,更離不開邊緣計算。

換句話說,邊緣計算接近于行業中分布式自律的概念。在基于Internet的異構分布式計算環境中,集中和分散的結合不僅有效地利用了Internet的資源,而且保證了用戶系統的自律性和安全性。堅固耐用。

眾所周知,“工業4.0”的核心是CPS,結合網絡,計算,存儲和應用核心功能的邊緣計算顯然是CPS的核心。因此,邊緣計算被視為“工業4.0”核心的核心。

在目前廣泛使用的基于PLC,DCS,工業計算機和工業網絡的控制系統中,位于底層并嵌入在設備中的許多計算資源是用于邊緣計算的資源。

作為邊緣計算的具體表現,工業CPS通過工業服務適配器將現場設備封裝到底層的Web服務中;在基礎設施層面,現場設備通過工業無線和工業SDN網絡以平面互連的方式連接到工業數據平臺。在數據平臺中,根據生產線的流程和流程模型,現場設備通過服務組合動態管理和組合,并與MES和其他系統對接。工業CPS系統可以支持生產 ,靈活適應生產線資源的變化,舊制造設備的快速更換和新設備的推出。

以冶金行業為例,規模以上冶金企業的信息化已經非常有效,但缺乏的正是最終的智能化。冶金數據經常出現完整性和一致性問題,分辨率差可能會給能源管理和智能管理帶來困難。

此外,冶金物流跟蹤是典型的CPS,在此過程中物理和化學形式經常發生變化,控制過程也很困難。邊緣計算可以在幫助物理互聯網成為工業物聯網技術的,有效補充方面發揮重要作用。

顯然,通過引入邊緣計算,它可以提供制造:靈活的設備更換;靈活的生產 ;快速部署新流程/新模型。進一步推動智能制造的實現。

未來,作為工業物聯網分析和處理應用程序的引擎,邊緣計算將會發展得更快。此外,邊緣計算技術公司也正在成為資本市場的下一個投資目標。隨著從汽車,無人機,醫療設備到機器人技術的連接設備數量不斷增加,越來越多的公司正在采用邊緣計算。

SDN:工廠靈活組網的

像所有網絡一樣,物聯網時代即將到來工業互聯網正在沿著IP化、扁平化、無線化、靈活組網的方向演進。

在這種背景下,SDN和NFV可以為傳統的網絡剛性架構帶來新的活力,將成為工業互聯網網絡技術發展的重要方向。

眾所周知,目前的分層工業控制網絡架構嚴重阻礙了信息的高效互聯,需要構建新的扁平工業控制網絡架構。與此同時,工業互聯網的工業內部網正朝著IT和OT融合的趨勢發展。

因此,基于SDN的工業融合互聯網架構可以實現IT和OT的扁平化和完美集成,進入工業互聯網的發展。

未來工業SDN融合網絡架構將包含三大特征:

首先是融合接入,工業以太網的專有協議和標準以太網的通用協議可以通過該網絡統一訪問。

第二是融合互聯,因為現有的工業控制網絡系統仍然存在,并且原有系統和原始生態系統中的專有,網絡協議仍然占據相當大的市場份額和空間。因此,融合互連將能夠支持標準以太網協議之間的互連,并且還支持工業以太網專有的互連。

第三是融合管理,未來的工業互聯網顯然需要統一網絡中的統一拓撲管理,設備管理,策略管理和業務管理功能。

工業SDN應用正在興起。最近,中國科學院沉陽自動化研究所成功地在網絡,層建立了一個參考sdn概念的扁平化架構。在該架構中,傳輸和轉發的網絡設備可以以融合的形式連接在一起,并且通過統一的ICT控制器來執行整個網絡的統一管理和調度。

將來,用于工業生產的所有IT和OT設備都可以連接到這樣的網絡,SDN的北向接口與工業控制系統相關聯。系統將產生什么樣的通信需求,以及可用的流量??梢酝ㄟ^北向接口向控制器發送什么樣的實時和可靠性要求,然后由控制器控制所有調度和管理,并將生成策略傳送到扁平交換機。通過這種架構,可以大大提高網絡可擴展性和靈活性,并且可以確保對現有ITOT服務的需求。

隨著國家工業互聯網發展戰略的進一步推進,未來我國工業互聯網產業必將進一步探索面向工業環境的有線無線,融合組網以及工業制造領域sdn技術。

響應工業互聯網大規模連接,安全性和可靠性的新需求,加速5G,軟件定義網絡(SDN),網絡功能虛擬化(NFV)的技術創新和應用,不斷提高網絡寬帶接入和傳輸速率,加大推進識別力度分析系統建設,建立支持工廠和企業全面信息互聯的關鍵基礎設施。

NB-IoT:特定場景的連接利器

作為物聯網在工業領域的重要應用,工業互聯網與物聯網密不可分。

“工業互聯網可以說是物聯網的一部分,但大多數工業互聯網場景要求網絡實現毫秒級的端到端延遲和100%的高可靠性。這意味著工業互聯網具有普遍性物聯網,但是,在延遲和可靠性方面,對物聯網的要求高于一般物聯網?!耙晃徊幌胪嘎缎彰母呒壒I互聯網專家告訴《通信產業報》(網)記者。

同時,具備超高可靠、超低時延特性的窄帶物聯網(NB-IoT)也將作為工業互聯網重要連接技術。

據媒體報道,從2018年開始,中國將在推動工業企業內部網絡升級升級的基礎上,逐步在工業領域部署窄帶物聯網(NB-IoT)等先進技術,形成成熟的工業?;ヂ摼W應用和生產系統。

然后,NB-IoT如何助力工業互聯網?

眾所周知,NB-IoT是一種空中接口標準,主要是終端與基站eNB之間的協議,包括物理層和數據鏈路層的一些設計規則,不同之處在于它可以實現低延遲和高可靠性。主要優點是終端功耗低,待機時間長,成本低,覆蓋范圍更廣,連接數量多。

因此,對于工業信息采集和控制場景,如低功耗,廣覆蓋和大連接,NB-IoT將成為最適合的連接技術

由于NB-IoT的巨大優勢,中國也在政策層面推動NB-IoT的建設。去年6月,工業和信息化部在文件中提出,到2017年底,應完成NB-IoT網絡,覆蓋市,首都等主要城市?;?達到40萬臺;到2020年,NB-IoT網絡將在全國范圍內關閉并面向內陸。交通道路網,地下管網和其他使用場景都覆蓋了覆蓋范圍,基站 達到150萬。

同時,在NB-IoT核心標準被凍結后,三大運營商大力推動NB-IoT網絡的部署。

據報道,中國聯通去年完成了NB-IoT核心網的建設,并 在今年5月建設30萬個NB-IoT基站,基本實現全國覆蓋。中國移動還表示將在全國346個主要城市地區實現NB-IoT的持續覆蓋。

與此同時,中國電信去年宣布,它已建成了世界上第一個覆蓋面最廣的NB-IoT網絡,并升級了31萬個基站。

顯然,隨著NB-IoT商用步伐的加快,將助推工業互聯網落地。

TSN:智能工廠的“中央樞紐”

網絡在智能工廠中扮演舉足輕重的角色,各種傳感器和設備機臺都需要通過工業網絡互相鏈接,才能實現智慧工廠的愿景。

在工業企業內部網,傳統工業現場總線,工業以太網等網絡技術,標準和產品主要集中在少數發達國家。近年來,中國提出了工廠自動化以太網(EPA),工業過程/工廠自動化無線網絡(WIA-PA/FA)等技術,但工業化和商業化程度較低。

目前,時間敏感網絡(TSN)和工業軟件定義網絡(SDN)等新技術的研究和產業化已成為國際產業關注的新熱點。

“現有的工業以太網對現有的工業設備來說已經綽綽有余了,但如果要實現未來的工業4.0,云服務器要控制全球工業系統的愿景,就需要依靠TSN?!币患夜I企業說。

TSN是Time Sensitive Networking的縮寫。這是一個IEEE工作組項目。其核心技術包括網絡帶寬預留, 時鐘同步和流量整形,以確保低網絡延遲和高可靠性。需求等。

作為底層通用架構,TSN支持異構網絡的實時數據交換。

TSN支持通過以太網實時控制和同步。例如,在移動應用程序和機器人之間,TSN可以同時支持制造應用程序中的其他常見應用程序。數據通訊。

TSN使得更多企業可以在此架構上實現OT和IT的融合。過去,人們可以通過IT和OT連接的各種障礙獲得清晰可行的解決方案,最終實現工業互聯。在此基礎上,可以實現大數據應用,人工智能分析等。

從報告《控制工程》來看,時間敏感網絡有兩個主要優點。首先,它基于標準以太網。其次,可以將時間敏感網絡設置為隨時運行而不會停滯。

這項技術是必不可少的,因為擁有一個中央“樞紐”來指揮所有列車并確保它們在更多設備連接到網絡時準時到達變得越來越重要。

據了解,目前IEEE TSN工作組已經完成了實施TSN所需的核心標準,并且業界已開發出支持TSN技術的首批產品。

NI推出了TSN高級技術平臺,以支持同步和通信操作的新標準技術的開發。通過思科和英特爾的合作,NI幫助客戶構建分布式系統,為分布式控制和測量周期執行同步I/O,程序代碼和 通信操作,所有這些都可以在以太網上完成。

TSN能夠在標準以太網絡上建立分布式、可同步化的Hard Real-Time系統。這些系統使用相同的架構來執行實時控制并傳遞所有標準信息技術(IT)數據,從而推動控制,測量,設置,人機界面(UI)和文件交換架構的集成。其網絡集成,安全控制流量和高性能功能可以完全改變系統的設計和維護。

工業PON:連接每一個生產單元

作為工業互聯網的重要組成部分,工業無源光網絡(PON)受到了業界的廣泛關注。

所謂的工業PON是用于工業環境的全光PON網絡系統,由光線路終端OLT,至少一個光分配網絡ODN和至少一個光網絡單元ONU組成。

工業PON系統可以滿足各種應用場景,如生產控制,過程數據采集,監控和視頻監控?;赑ON技術的工業網絡平臺集產品設計開發,制造,銷售,物流,售后產業化于一體,最終實現CRM,MES,ERP,SCM等企業信息孤島的統一控制和管理。

SCADA

正是由于工業PON在工業互聯網中的核心地位,才促使國家從政策層面鼓勵企業開發和運用工業PON。國務院發布的《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》明確指出,它支持工業企業用IPv6,工業無源光網絡(PON),工業無線技術等改造工業企業內部網,用IPv6,軟件定義網絡(SDN) )和新的移動電話。通信技術升級了工業企業的外部網絡。

在國家政策的大力支持下,中國電信,中興通訊等產業鏈公司紛紛推出了一系列基于各自優勢的工業PON產品和解決方案。

其中,中國電信通過合資浙江公共信息產業有限公司開發了工業PON網絡系統。中興通訊及其合作伙伴已推出工業無源光網絡(PON)2.0解決方案。

據了解,中國電信的工業PON網絡系統是建立在新一代智能通信網絡的基礎上,在研究傳統工業交換系統的基礎上,結合尖端無源光網絡通信技術的發展,創新一。全面,安全,可靠,集成和先進的解決方案。目前,中國電信已成功將上述解決方案應用于江蘇和云南省的制造企業。

中興通訊的工業PON2.0解決方案基于成熟的應用行業PON1.0解決方案,實現了標準的工業協議兼容性,協議容器,多協議轉換,數據采集,遠程數據訪問和安全訪問。這樣的功能,IT,CT,OT三網互連形成了可互操作的內聯網,幫助制造商快速建立工廠范圍內扁平的植物內神經網絡。除了上述成熟的解決方案外,還有更多的產業鏈公司有意進入工業PON領域。

例如,中國聯通 通過固定網絡中的工業PON切入校園內部網。

數千人的 專家,中國聯通大數據首席科學家范吉安博士表示,與傳統以太網相比,工業PON連接距離長,抗干擾能力強,抗污染能力強,性能高安全性,使其在內部網絡中。擁有更強大的解決方案的能力是智能車間,智能工廠和智能園區的重要基礎設施?,F在,聯通主要為工業企業提供內部網絡解決方案,用于新公園,工廠和現有工廠的升級。

雖然工業PON在工業互聯網信息傳輸中發揮著重要作用,而PON技術在通用光通信系統中已經越來越完善,但工業互聯網領域主要廠商的PON技術仍處于探索階段,未來仍有增長。增長的空間。

標識解析體系:工互的關鍵“神經系統”

如同DNS在互聯網中的作用一樣,標識解析體系是工業互聯網的關鍵神經系統。”一位工業互聯網領域的長期專家告訴記者。

識別和分析系統作為識別和管理物品信息和機器的資源,是互連整個網絡的關鍵基礎設施。

目前,國內外有各種識別碼和識別解決方案。由于識別碼尚未統一,中小型企業內部使用大量的定制私人標識,供應鏈管理和涉及流通環節的產品可追溯性等應用,模式逐漸試圖跨越企業公共身份。

《工業互聯網體系架構1.0》(以下簡稱“白皮書”)指出,識別分析系統可分為兩大發展路徑,改進路徑和變化路徑。

改進的路徑仍然基于互聯網DNS系統并且得到適當改進。美國GS1/EPCglobal組織為EPC編碼提出的ONS解決方案系統相對成熟。國際主要識別和分析系統已授權在中國設立分支機構,如電子標準化研究所設立的OID注冊中心。文章編碼中心負責國內EPC編碼分發。

與此同時,中國也在積極探索基于DNS系統的其他改進方案,如中國科學院計算機網絡信息中心物聯網異構身份分析的NIOT解決方案,以及中國科學院計算機網絡信息中心的CID編碼系統。中國信息通信研究院。

變革路徑采用區別于DNS的標識解析技術,目前主要是DONA基金會提出的Handle 。采用并行根技術,實現各國對根區文件的聯合管理和維護?,F在它已在國際電聯,美國,德國和中國建立了四個根服務器。

但是,白皮書指出,現有的識別和分析系統仍難以滿足工業互聯網的發展需求。這是因為,與互聯網相比,工業互聯網主題的來源更加復雜,數據更多,敏感信息的比例也很大。

鑒于這些挑戰,識別分析系統將成為一個長期的研究課題。從目前的觀點來看,多個識別分析系統將在一定時間內共存?;诟倪M路徑的方案和基于變化路徑的方案已經在,國內外一定程度上啟動和形成,很難在短時間內實現識別和分析的統一。

白皮書指出公平對等是標識解析體系的重要發展方向。這是因為,在互聯網時代,DNS的最高管理能力掌握在少數國家手中。這種集中的單邊管理機制容易受到黑客攻擊和控制糾紛的影響。在國內外,已經提出并開始采用各種新型的識別和解決系統解決方案。

中國信息通信研究院技術標準研究所副總工程師李海華指出,為了避免DNS受到互聯網時代人們的影響,中國工業互聯網的發展應該集中在創建標簽分析系統。

從頂層設計入手,研究開發識別分析系統的總體結構,制定發展路線圖和時間表,強化整體領導機制,建立國家管理組織。在系統構建方面,改進了根節點,建立了國家頂級節點+支撐支撐系統,構建了各級子解析節點+公共遞歸解析節點。

為了加強話語權,中國應積極參與制定國際規則和技術標準,以建立識別和分析系統。此外,從生態學的角度來看,它促進了創新應用在識別和分析系統中的整合。

IPv6:承載百億機器接入

IPv6是用于替代現行版本互聯網IP協議(IPv4)的下一代IP協議。隨著“互聯網+”,物聯網和工業互聯網等應用的融合,全球對IP地址的需求將繼續增長。據預測,2020年全球連接設備數量將超過300億,中國對IP地址的需求可能超過100億。但是,IPv4只能提供大約40億個網絡地址,這很難滿足需求。

除具備龐大的地址空間,IPv6支持終端即插即用,更匹配物聯網終端應用需求;同時,IPv6可實現更高的安全性,是下一代互聯網發展的重要基礎。隨著中國工業互聯網產業的繁榮,IPv6的發展將成為巨大市場需求的必然結果。

然而,IPv6于1998年首次由CERNET引入中國,至今已有20年,國內IPv6用戶數量僅為2000萬左右。在“2016年全球網絡技術大會(GNTC)”上,中國工程院院士,清華大學教授吳建平曾經說過,中國的IPv6發展“早已發生了很大的變化,并且發生了一個晚期的事件”

在此背景下,2017年底,中央辦公室和國務院發布了《推進互聯網協議第六版(IPv6)規模部署行動 》,并提出到2018年底,IPv6活躍用戶數量將達到2億;到2020年底,新的網絡地址將不再使用私有IPv4地址,IPv6活躍用戶數量將超過5個。到2025年底,向下一代互聯網的平滑演進將全面升級。同時,它將在IPv6環境中構建工業互聯網,物聯網,車聯網,云計算,大數據和人工智能等新興領域的網絡安全功能。

可以預見,大力發展基于ipv6的下一代互聯網將有助于提高中國網絡信息技術的自主,創新能力和行業的高端發展水平,有效支持新興的移動互聯網,物聯網,工業互聯網,云計算,大數據,人工智能等。該領域的快速發展不斷催生新技術和新格式,促進了網絡應用的進一步繁榮,創造了先進,開放的下一代互聯網技術產業生態。

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