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基于TSN與邊緣智能的設(shè)備監(jiān)測(cè)及管理解決方案

中國(guó)聯(lián)通研究院

網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)篇/前沿技術(shù)/工廠內(nèi)網(wǎng)改造

1 概述

隨著我國(guó)智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，傳統(tǒng)以太網(wǎng)逐漸無(wú)法滿足工廠實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中設(shè)備的控制反饋需求也在增加，而另一方面不同協(xié)議的互通對(duì)IT與OT的融合產(chǎn)生了諸多的障礙，企業(yè)客戶(hù)需要更為實(shí)時(shí)、可靠、安全的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和智能邊緣設(shè)備訪問(wèn)方法。

在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，帶寬通常是由多個(gè)設(shè)備共享的，而且所有的發(fā)送端沒(méi)有基于時(shí)間的流量控制，所以發(fā)送端總是選擇盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)幀的策略，這樣來(lái)自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)流就會(huì)在時(shí)間上產(chǎn)生重疊，所有數(shù)據(jù)流重疊/沖突的部分會(huì)遵循QoS優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，就會(huì)產(chǎn)生丟包的現(xiàn)象。基于TSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以解決精準(zhǔn)同步和流量調(diào)度的問(wèn)題，從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控或是實(shí)時(shí)反饋的工業(yè)領(lǐng)域都需要TSN網(wǎng)絡(luò)，如機(jī)器人工業(yè)、深海石油鉆井以及銀行業(yè)等等，TSN還可以用于支持大數(shù)據(jù)的服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

本文提出的方案主要應(yīng)用于工廠內(nèi)網(wǎng)或園區(qū)區(qū)域網(wǎng)的部署，旨在提升網(wǎng)絡(luò)的智能與精準(zhǔn)同步性能，可滿足低時(shí)延和高控制性能的網(wǎng)絡(luò)需求，并實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)云/邊緣云的遠(yuǎn)程的設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制與反饋。

1.1 背景

在冶金、稀土材料等工業(yè)行業(yè)，由于原材料的稀缺性，其原材料管理與原材料處理工藝對(duì)耗損及棒材良率要求更加嚴(yán)格，尤其在復(fù)合材料熱處理、注塑、表面處理、充磁時(shí)對(duì)環(huán)境以及加工設(shè)備的狀態(tài)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊螅壳斑@些環(huán)節(jié)很大程度依賴(lài)人工調(diào)節(jié)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管。另一方面，隨著工廠信息化和智能化建設(shè)的加速，以太網(wǎng)部署已無(wú)法滿足目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)高可靠、高控制性能的要求，源數(shù)據(jù)丟失甚至?xí)鸸ぷ魅藛T的誤判，更加可靠、并且滿足實(shí)時(shí)反饋的網(wǎng)絡(luò)成為了智能制造的基礎(chǔ)需求。

1.2 實(shí)施目標(biāo)

本文的方案將通過(guò)基于TSN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持工廠內(nèi)多種傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與機(jī)械臂或機(jī)器人的同步調(diào)度，同時(shí)可以支持生產(chǎn)應(yīng)用中的其他普通流量，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的同網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。另一方面，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)支持多廠商協(xié)議適配并提供深度協(xié)議解析。

通過(guò)提升工廠網(wǎng)絡(luò)的同步性能和流量調(diào)度能力，以及與邊緣云/現(xiàn)場(chǎng)云的對(duì)接可滿足客戶(hù)對(duì)園區(qū)范圍內(nèi)從云端對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與確定性時(shí)延的反饋控制。

1.3 適用范圍

本文提出的方案主要應(yīng)用于工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，園區(qū)范圍網(wǎng)絡(luò)，以及其他需要實(shí)時(shí)監(jiān)控或?qū)崟r(shí)反饋的廣域工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，例如：智能裝備制造、能源電力、石油與天然氣、軌道交通、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)行業(yè)中從事同步精準(zhǔn)控制、測(cè)量、設(shè)備監(jiān)測(cè)、設(shè)備維護(hù)及控制應(yīng)用的需求。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置

本文提出的方案主要處在工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及相類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò)（例如車(chē)聯(lián)網(wǎng)的車(chē)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等）中的物理層和鏈路層，并與邊緣云/現(xiàn)場(chǎng)云對(duì)接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算的雙彈性配置，以實(shí)現(xiàn)從云端對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)時(shí)延控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)，處于圖1中的第1節(jié)，后續(xù)的應(yīng)用擴(kuò)展也可以覆蓋到第3、5、6、7節(jié)，滿足智能工廠內(nèi)部的通信以及管理需求。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

2 需求分析

本文的方案是江西某企業(yè)智慧工廠的網(wǎng)絡(luò)部分，其制造流程中主要包含的設(shè)備有真空爐，鑄錠磨粉機(jī)床，熱處理熔爐，機(jī)加工（含機(jī)械臂機(jī)器人）以及各類(lèi)傳感器（濃度、溫度、熱敏、光敏等）。網(wǎng)絡(luò)部署需滿足工業(yè)傳感器的實(shí)時(shí)感知，以達(dá)到對(duì)設(shè)備和環(huán)境的監(jiān)測(cè)，以及機(jī)械臂或機(jī)器人的確定性時(shí)延的同步調(diào)度。

3 解決方案

3.1 方案介紹

本文的方案主要針對(duì)于工業(yè)企業(yè)所面臨的分布式設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控實(shí)時(shí)反饋等問(wèn)題，利用時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）和邊緣計(jì)算能力對(duì)工廠網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行升級(jí)，克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)同步精度不高，不能滿足工廠精準(zhǔn)控制場(chǎng)景需求等，同時(shí)結(jié)合邊緣智能設(shè)備將海量的設(shè)備信息和流程管理等信息進(jìn)行協(xié)議深度解析和匯聚整合，為后續(xù)大數(shù)據(jù)和人工智能分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，充分挖掘潛在數(shù)據(jù)價(jià)值，釋放潛能，幫助工業(yè)企業(yè)提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提供智慧參考決策。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本方案提出的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖所示：

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

主要包含以下要素：

1）邊緣節(jié)點(diǎn)—智能邊緣設(shè)備，可讓從幾乎任何傳感器和任何類(lèi)型的資產(chǎn)收集傳感數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，原始數(shù)據(jù)分析，管理觸發(fā)保存的報(bào)警和狀況評(píng)估，板載文件管理以及儀器健康狀況的自我監(jiān)測(cè)。該設(shè)備支持TSN，設(shè)備間通過(guò)TSN技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的時(shí)鐘同步及流量管理，可大大提高時(shí)間同步的精準(zhǔn)度。

2）系統(tǒng)軟件—服務(wù)器端：在服務(wù)器端完成監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)管理和通信，同時(shí)允許用戶(hù)指定監(jiān)視設(shè)備的配置，提供在本地理解數(shù)據(jù)所需的可視化工具，整體管理數(shù)據(jù)量。

3）IT基礎(chǔ)架構(gòu)—來(lái)自各個(gè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)匯聚到企業(yè)應(yīng)用程序中，以實(shí)現(xiàn)廣泛的知識(shí)挖掘。可將數(shù)據(jù)分享或部署到云端，與邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配合，邊緣處理數(shù)據(jù)，云端實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化與重建，實(shí)現(xiàn)邊緣與云的協(xié)同；基于匯聚數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)與人工智能分析，釋放數(shù)據(jù)價(jià)值。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

? 設(shè)備感知層：主要包含工廠內(nèi)所涉及的各種生產(chǎn)設(shè)備、傳感器、邏輯控制器件等。

? 智能邊緣設(shè)備：支持TSN技術(shù)，主要用于底層的數(shù)據(jù)采集，可以兼容當(dāng)前的主流工業(yè)協(xié)議。

? 工業(yè)控制器：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，分析等功能，具有一定的邊緣計(jì)算能力，主要是配合智能邊緣設(shè)備完成數(shù)據(jù)的采集分析功能。

? 交換機(jī)：完成底層數(shù)據(jù)的匯聚，同樣支持TSN技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備間的時(shí)間精準(zhǔn)同步。

? 交換機(jī)殼保護(hù)（堡壘機(jī)）：基于安全的考量，對(duì)交換機(jī)進(jìn)行流量審計(jì)和殼保護(hù)，并在應(yīng)用管理平臺(tái)中進(jìn)行身份驗(yàn)證和登陸日志管理。

? 企業(yè)管理系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理，這部分可以直接對(duì)接云平臺(tái)，在云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的積累和模型的優(yōu)化。

3.4 功能設(shè)計(jì)

1）時(shí)間精準(zhǔn)同步

所有的設(shè)備都支持TSN，通過(guò)TSN技術(shù)的引入，可以大大提升分布式設(shè)備的時(shí)間同步精度，提升機(jī)器設(shè)備間的生產(chǎn)控制協(xié)同，降低故障率，提高生產(chǎn)效率。

2）保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸

TSN技術(shù)技術(shù)的引入，確保當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，優(yōu)先保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的按時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備機(jī)器的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，應(yīng)對(duì)未來(lái)海量設(shè)備的接入。

3）邊緣與云協(xié)同

工業(yè)控制器具有一定的邊緣計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)的快速本地化處理，同時(shí)配合云平臺(tái)，依靠數(shù)據(jù)的積累，在云端對(duì)數(shù)據(jù)處理模型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)邊緣與云的協(xié)同。

4）實(shí)現(xiàn)企業(yè)上云

云平臺(tái)將傳統(tǒng)的分布式工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)進(jìn)行集中匯聚融合，并有效地整合和管理這些廣泛不熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)向云端的遷移，通過(guò)大數(shù)據(jù)的匯聚處理，幫助企業(yè)提升效率，做出最優(yōu)決策。

3.5 安全及可靠性

1）硬件設(shè)備的堅(jiān)固性，能適應(yīng)惡略測(cè)試環(huán)境。-40到70°C的工作溫度，50 g抗沖擊、5 g抗振動(dòng)工作

2）星型總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障診斷和隔離容易。中央節(jié)點(diǎn)對(duì)連接線路可以逐一隔離進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，單個(gè)連接點(diǎn)的故障只影響一個(gè)設(shè)備，不會(huì)影響全網(wǎng)。

3）基于TSN的同步方式減少額外冗余的連線，同步精度不受線纜長(zhǎng)度影響。

4）利用白名單技術(shù)使用交換機(jī)殼保護(hù)，對(duì)工廠關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行流量審計(jì)和監(jiān)測(cè)。

4 成功案例

本文的網(wǎng)絡(luò)方案可滿足智聯(lián)工廠、設(shè)備管理、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)排程等場(chǎng)景中企業(yè)客戶(hù)需要更為實(shí)時(shí)、可靠、安全的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和智能邊緣設(shè)備訪問(wèn)需求，可為企業(yè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)提供精準(zhǔn)同步、流量調(diào)度方案，并可對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，管理等。