智能工厂IOT网络融合方案.docx

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智能工厂IOT网络融合方案

工业互联网

智能工厂IT/OT网络融合方案

智能工厂IT/OT网络融合

1概述

1.1背景

随着工业4.0概念的火热以及“中国制造2025”行动纲领的提出，越来越多的新技术、新概念呈现在我们面前。

其中“智能制造”“柔性制造”“个性化定制”是被提及最多的几个，同时这也是各大制造厂商升级和转型中的重点方向。

那么，提到以上这些新兴名词时，就不得不提多年以来不变的一个话题，也是制造厂商一直的痛点：

“IT和OT的融合”，由于现有以太网技术的局限性，使得自动化工厂面临一个尴尬的局面就是IT和OT不能完全融合在一起。

而随着工业4.0的步伐越走越快，IT和OT的融合又是一个不可避免的形势。

因此，如何将IT和OT很好的融合，成了摆在各个做工厂自动化的厂商面前的一个问题。

1.1.1IDN网络定义

那什么是IDN网络？

在解释这个问题前，我们要先提出一个全新的概念：

EOE（EthernetoverEthernet）假如我们将通信看成在公路上开车,传统的以太网只标记这辆车（网络接入设备）,但EOE网络将车和路（交换机）都进行了标记。

应用EOE技术实现的网络就是智确定性网络IDN（Intelligent

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DeterministicNetwork）。

1.1.2IDN网络工作原理

图1EOE数据帧格式

IDN网络工作原理流程如图2：

图2IDN网络工作原理流程

工作过程：

SW模块数据传输上来后首先会添加EOE私有帧头，然后会对其进行校验，校验失败，会丢弃此数据，校验通过后，转给判断模块，判断模块对私有帧头部分进行判断，来决定数据的去向。

判断模块的逻辑框图如下：

图3判断模块的逻辑框图

IDN网络的通讯逻辑：

标准的数据帧从交换机模块送入，上

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EOE网络前会加上私有的8个字节的帧头组成私有协议的帧，向判断模块发出请求，由判断模块给出判断结果，再由转发模块发向环网模块的两个端口。

1.1.3IDN与现有实时网络对比

表1IDN与TSN网络对比

对比项

IDN网络

TSN网络

区别

在IOS七层结构中的位置

第二层,数据链路层

第二层,数据链路层

IDN与TSN相同，也仅是对MAC层定义。

区别在于需重新定义的范围，TSN需重新定义MAC的设备是所有设备，包括发数据送端、交换机、数据接受端。

IDN仅重新定义交换机的MAC层，数据发

送与接受不需要重新定义。

核心任务

（1）IDN的核心是“智能路由”，时钟同步不是必须前提。

但IDN为用户提供时钟同步解决方案。

（2）IDN通过通道机制实现高带宽与低时延

（3）IDN将路由算法集成到交换机的芯片中，用户系统实现“零”配

置

1）.所有通信问题均基于时钟，确保时钟同步精度是最为基础的问题，TSN工作组开发基于IEEE1588的时钟

（2）.数据调度机制：

为数据的传输制定相应的机制，以确保实现高带宽与低延时的网络传输。

（3）.系统配置方法与标准，为了让用户易于配置网络

IDN技术体系不依赖于对时系统，对于以往没有对时功能的用户系统，易用性大大增强。

用户终端也不用为了配合TSN的调度算法而增加接入模块以及业务流程修改。

组网结构

任意组网

目前仍是传统的二层

组网；如星型，总线

就目前TSN形成的标准来看，并没有增加

二层组网能力的描述，集成传统二层组

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型，环型

网的局限性。

IDN的智能路打破组网的局限性，可以任

意组网。

在用户系统中，可以根据实际设备的布置、距离、要求，灵活调整。

精准时间同步

用户接口是B码接入、输出。

支持冗余路径以及冗余主站

基于1588对时方式

（IEEE802.1ASrev-）

增加对聚合链路的支持以及冗余路径和冗余主站

1588协议是相当复杂的协议，用户需要一定的研发实力以及投入才能完成。

并且1588需要硬件的支持，提高设备成本。

B码对时已普遍应用，可直接集成成熟模

块，基本没有研发投入。

确定性网络实现

通道机制

IEEE802.1Qbv时间感知队列；IEEE802.1Q

bu&IEEE802.3br转发与队列机制

时间调度表

TSN:

简单说，就是说有设备先把时间调整到一致，仲裁机构为所有设备分发时间表。

设备只有在被安排的时间段才能发数据。

当高优先级的数据与低优先级设备碰撞时，低优先级的数据将被丢弃，然后重发。

IDN：

在数据进入到网络之前，已经被放入不同的通道；快速通道的数据可以截断普通通道数据，快速数据在网络中所有节点都没有等待、排队的时间，所有时延以及抖动是可以保障的。

与TSN不同是，普通通道的数据虽然被截断，但不需要重发，碎片将在邻近的交换机进行重组，不浪费带宽以及普通数

据的性能。

数据冗余

多路径传输方式，不止2条路径，实现零自愈

IEEE802.1CB冗余数据

传输

双路径（HSR、PRP）传输方式

实现零自愈

TSN的时间调度机制与双路径HSR\PRP的结合方式还没有明确的方法，只提了一个方向，能否完美实现还需大量验证。

IDN不是简单双路径，而是多路径。

双路径只能用在单一环网上，不需要智能路由算法；多路径可应用在所有组网拓扑

上，需要完备的智能路由算法。

1.2实施目标

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在传统的以太网中，IT和OT并非整的不可以融合的，而是工厂“不敢”把IT和OT融合到一起。

原因是传统网络是以“尽力服务”的方式在工作的，在融合后会产生一些工厂不可以接受的弊端。

例如，IT的数据流量会影响到OT的控制系统。

众所周知，在一个工厂中，控制系统是整个工厂的生命线，任何情况下，任何数据都不可以影响到工厂的控制系统。

在“个性化定制”的家电新模式下，将产品制造与用户联起来，让用户全流程参与需求交互、产品设计、生产制造、物流交付等产品全过程，在这种体系下用户"既是消费者也是设计者、生产者"，用户“个性化”与制造“规模化”之间的矛盾自然也迎刃而解。

而在这个用户自定义的过程中，工业以太网环节可以说起着举足轻重的作用，用户从自己设计，到车间下料生产，再到产品出厂送到用户手中，这个过程一定是实时而且准确的。

那么这就要求现场生产时要考上层的软件去控制的，也就是我们所提的IT和OT的融合问题。

1.3适用范围

IDN网络适用于任何以以太网为数据载体的系统内，在网络架构比较大的情况先IDN网络优势会更加的明显，在数据“确定性”“安全性”要求较高或者很高的网络中IDN网络几乎是不可替代的。

1.4在工业互联网网络体系架构中的位置

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图4工业互联网互联示意图

在图4中，此解决方案属于1、5、6的范围。

方案主要的硬件组成有：

工业以太网交换机、总线交换机、服务器以及数据采集、显示软件。

工业以太网交换机和总线交换机负责将IT数据和OT的数据接入到服务器或工厂云服务器（工厂云）中，进行数据处理、存储以及数据显示。

实现IT和OT的融合。

2需求分析

用户需求：

工厂IT和OT的融合，是工业4.0的必然趋势。

然而，传统的解决方案，无法实现IT和OT的融合，如前面提到的现有网络的机制问题，想要实现工厂自动化IT和OT的融合，必然是出现新的技术才能实现的。

那么，IDN网络就是这样的创新，就是迎着工业4.0的大风，杨帆起航的帆船。

3解决方案

3.1方案介绍

在工业现场，IT和OT的融合，存在着诸多的挑战和壁垒，想要突破这些壁垒，现有的技术是行不通的，所以必定要用新

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的技术来实现。

那么，IDN网络在IT和OT融合的解决具有很大的优势，这也是现在自动化工厂转型所真正需要的网络架构。

IDN网络，具备6项特征：

1）双通道机制：

确保IT和OT的数据互不影响，并可以协同工作，达到融合的目的。

2）数据传输多路径：

确保整个网络数据多条路径可达，在某条路径，或多条路径出现问题时不影响设备的正常工作。

3）精准对时作为网络服务无处不在、无时不在：

为工业大数据所采集的信息加了一个时间的维度，这在数据分析意义重大。

4）整体网络趋向二层传输，提升网络效率：

提高网络的带宽，给工厂提供更有效的网络服务。

5）复杂的拓扑：

让工厂的网路更加安全可靠。

6）零配置组网：

让工厂的施工更加简单易用。

以上的这些网络的特性，是现有网络所不完全具备的，因此要想实现真正的网络融合，网络的这些特性是必不可少的。

有了IDN网络让厂商做工厂自动化的IT和OT的融合成为了可能。

因此，中国制造2025、“智能制造”“柔性制造”“个性化定制”就在我们的眼前了。

3.2网络拓扑设计

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图5网络架构

如图所示，IT层的网络和OT层的网络通过IND网络融合到了一起，就网络架构观察，整个网络方案不仅提供了线路冗余，同时也提供了设备冗余。

3.3功能设计

OT的数据有很多为PLC的控制数据，对网络的要求相对很高，那么它在IDN网络中的优先级可以设为“快速数据”，这样它在IND的网络中将“畅通无阻”，经过每一条交换机的时延在0.8us到3us之间。

而IT的数据，是相对对确定性要求不那么高的数据，但是IDN网络在保证“快速数据”确定的情况下，不影响IT数据的工作。

复杂的网络拓扑，让网络的可靠性大大的增加，数据多路径的传输，让数据几乎可以说是零丢失的。

如此复杂的网络是由全二层的网络搭建成的，这在业界更是“不可思议”的事情，这位客户节省了布置网络的成本。

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组网的零配置，使工厂的网络建设再也没有难度，不需要专业的网络工程师，只要电工就可以为您组一套这样的安全、可好、实用的网络。

3.4网络安全

网络安全一直是工业互联网火热的话题之一，IND网络提供了白名单锁定的安全保护机制，在工业现场布置完成之后，工厂网络趋于稳态，可以将用户认证过的MAC地址加入到白名单中，然后锁定交换机的白名单，这样，除去这些认证过的MAC地址的数据可以上IDN网络以外，其他没有认证的数据统统丢掉。

4成功案例

图6海尔滚筒洗机生产工厂网络拓扑

海尔滚筒洗机工厂，厂区的网络采用了IDN技术的IND网络，实现了IT和OT的融合，在不影响生产的情况下，办公网和MES以及视频服务器都在互联互通。

采用IND网络给海尔工厂带来的好处是，在原有3套网络的方案，缩减为1套网。

多网的融合，让MES系统更加实时的计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理。