工业无源光网络技术白皮书.docx

1、工业无源光网络技术白皮书工业无源光网络 PON 2.0 白皮书前 言推动互联网与工业融合创新，驱动工业网络化、数字化、智能化发展，是我国制造行业未来发展的主流方向，是应对当前发达国家“高端制造回流”与发展中国家“中低端制造分流”对我国制造行业发展影响的有效方案。工业互联网目前已上升为我国“制造强国”的国家战略，国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见、工业和信息化部关于贯彻落实的行动计划（2015-2018 年）等一系列指导性文件提出要坚持以供给侧结构性改革为主线，加快发展数字经济，推动实体经济和数字经济融合发展，推动互联网、大数据、人工智能同实体经济深度融合，做好信息化和工业化深度融合这

2、篇大文章，推动制造业加速向数字化、网络化、智能化发展。旨在推动互联网与工业融合创新，形成多重优势叠加，驱动工业数字化网络化智能化发展，走具有中国特色的新型工业化道路，建设制造强国和网络强国。无源光网络（PON）技术目前在公众客户接入网中得到了广泛部署，实现了我国光纤到户（FTTH）覆盖范围达到世界领先水平，助力公众客户的平均接入带宽从 100Mbps 向 1Gbps 及更高带宽迈进。基于 PON 技术，结合工业场景业务和技术特点，工业 PON 是一套全新的安全、可靠、融合、先进的工业网络综合解决方案，是工厂内车间数据采集组网的全新方案。本白皮书将对工业 PON 的总体架构、与数据采集功能的集成

3、、网络可用性保障、智能管理平台、典型应用场景和演进思路等方面进行阐述。第一章 工业 PON 2.0 总体架构1.1工业 PON 2.0 整体思路1.1.1.背景介绍中国制造业经过近几十年的飞速发展，规模已经跃居世界第一。随着制造业规模的日趋壮大，传统的工厂内网络性能、稳定性、维护成本、业务改造升级等方面已经逐渐无法跟上制造业本身的发展步伐。同时，工业设备种类繁杂、工业通信协议格式各异，协议承载和分析的成本巨大，工业企业急需灵活、智能的协议分析解决方案。随着智能制造云化、边缘计算等新兴技术方案的兴起，如何搭建一张实现从现场总线到云端平台的端到端网络，实现智能制造所涉及的各类生产元素之间的互联互通

4、，是实现智能化的基础条件。为实现生产过程中的设备联网以及全流程的数据采集、流动及智能化生产， 工业互联网领域的 PON 技术已成为工厂内网络的一种主要方向。工业 PON 技术是采用先进的无源光纤通信技术和工厂自动化融合而构建的一个新兴的网络平台， 是构建未来工厂智能化的基础。工业互联网 PON 技术可以有效解决智能工厂和数字车间的通信交流，构造安全可靠的工厂内网络，完成智能制造基础设备、工艺、物流、人员等各方面基础信息采集，解决困扰企业的工业协议繁多和异构网络互联问题，实现工业现场协议的灵活转换和统一格式，同时为企业上云做好基础网络和数据服务。工业 PON 技术相比传统以太网交换机技术，是一套

5、全新的安全、可靠、融合、先进的工业网络综合解决方案，是工厂内车间数据采集组网的全新方案。但目前工业 PON 技术大多数实现方式沿用民用通信的现有成熟技术，仅仅满足民用通信领域的相关技术指标要求，对于工业场景中高可靠性、倒换保护、工业协议转换、工业环境指标支持能力等方面特有需求的支持程度仍存在较大差距。同时，在工业协议转换方面，工业中各种生产线的协议多达上百种，这些协议不可能都提前预装到设备上，工业数据采集网关须以灵活的方式按需升级/安装支持各类协议转换，才能适应各种生产线的快速安装上线需求。以上背景下，基于现有已在公众客户接入网中广泛应的 PON 技术，本白皮书文档将探讨研究如何将其应用在工业

6、/制造业，利用广泛覆盖的 PON 网络，为工业企业提供一张高质量/高可靠/高安全性的通信网络，提供各种工业接口和工业协议对接支持，实现工厂各种工业设备的互联，以及工厂办公及和监控网络的融合承载，打通工厂生产管理网络到生产车间/现场网络之间的屏障，提升全流程生产效率、提高质量、降低成本，提高生产管理的效率和生产制造的智能化水平， 达到改进行业各环节生产质量、提升行业全流程生产效率、提高全产业链协作效能的战略目标。1.1.2.工业 PON 1.0 架构和面临的主要问题现有的工业 PON1.0 系统，技术方案基于现有公众接入网的 PON 系统，关键技术指标和业务功能方面，与公众接入网 PON 系统的

7、相应指标保持基本一致。工业 PON1.0 系统，主要针对工业场景的需求，在 PON 终端设备用户侧接口方面提供了对于工业常用接口的支持（例如 RS485 等接口）；在 PON 设备所能支持的环境指标参数，例如高低温范围、湿度、防尘、供电方式等方面进行了相应的加强和改进；同时针对工业组网特点，提供了类环形手拉手保护等组网方式。但是，原有的工业 PON1.0 系统技术方案基本沿用运营商大网的 PON 系统设计，关键技术指标和业务功能基本一致；虽然针对工业场景，增加了一些常用接口，优化了环境参数和保护方式，但与主流数据采集和协议转换设备仍然相互独立，基本上还是两套独立的系统：PON 系统提供底层网络

8、承载，数据采集和协议转换设备提供工业数据采集/协议网关。示意如下：图 1.1 工业 PON 1.0 的组网示意图1.1.3.工业 PON 2.0 的定义以及解决的问题针对现有工业 PON1.0 系统存在的不足，中国电信联合国内主流 PON 设备厂商，面向工业制造业企业网络升级演进的实际需求，提出了工业 PON2.0 的概念和整体系统架构。工业 PON2.0 的核心理念，是提供一套满足工业场景指标需求、提供工业协议采集转换开放平台的工厂内网络连接综合解决方案，满足各种行业、各类规模企业的网络应用需求。在工业 PON 局端设备 OLT 侧，提供完备的保护倒换功能，提供高可靠性的业务能力。在工业 P

9、ON 终端侧，提升环境指标、保护倒换、工业协议灵活转换等工业场景下特有的性能，满足工业场景性能需求。研制开放性的协议转换网关平台， 整合现有协议转换和处理技术，实现协议灵活转换功能，和现有车间数据采集网关实现融合，减少网络层级和复杂度，降低协议转换的实现成本。云平台侧，配合相应的工业云平台，实现工业 PON 数采终端与工业云平台的有效整合，在平台测实现对工业数据的解析计算和协议转换等功能。图 1.2 工业 PON 1.0 向工业 PON 2.0 的演进和能力提升1.2工业 PON 2.0 总体架构1.2.1.工业 PON 2.0 系统架构工业 PON 接入网关(ONU)实现多种工业设备、传感器

10、的接入,通过工业 PON 网络实现多种设备通信数据和协议的接入和传输，汇聚设备 OLT 将工业数据汇聚并传送到云平台应用层。工业 PON2.0 网关采用配置/脚本/非标协议学习三种方式，通过两类 ONU 实现对数百种标准/非标准工业协议和信号的随需加载/转换，减少了网络层级和复杂度，降低了协议转换成本；能更好匹配各行业数据采集/流程生产/离散生产的快速需求。图 1.3 工业 PON2.0 架构图1.2.2.工业 PON 2.0 在工业互联网体系中的位置工业 PON 2.0 设备在工业互联网体系架构中处于车间级网络位置，通过工业级接入网关（ONU）设备实现光网络到设备层的连接，通过光分配网络实现

11、工业设备数据、生产数据等到汇聚网关（OLT）的集中，最终通过汇聚网关（OLT）与企业IT 网络的对接，从而实现企业OT 和IT 融合组网及工业数据的可靠有效传输。图 1.4 工业 PON2.0 在工业互联网体系中的位置1.2.3.工业 PON 2.0 与工业 PON 1.0 之间的关系工业 PON2.0 相比工业PON1.0，在系统组成、功能实现等方面有了长足的改进和提高，更加契合广大制造业企业对于工厂内有线网络的应用需求。但是，上述两者之间并不是产品取代和替换的关系，由于工业行业众多，应用场景和功能实现需求繁多，同时企业规模和信息化需求存在较大差异，目前没有一种单独的工业 PON 解决方案可

12、以满足所有工业企业的需求。因此，工业PON2.0 和工业 PON1.0 的产品，在未来很长一段时间内，都是共存和按需部署的关系。第二章 集成数据采集功能的工业 PON 2.0网关2.1背景介绍当前，工业 PON 接入网关（ONU）设备与现有的工业数据采集网关为独立的两套系统，造成数据采集和网络承载分离。同时，由于工业现场总线的国际标准繁多，协议互不兼容，工业领域缺乏一套能够兼容、转换多种协议和数据建模分析的综合性解决方案，无法低成本灵活实现对传统工业设备的信息化改造。因此，有必要研究一套基于开放式平台的，支持多种工业协议，同时与工厂内网络系统实现有效整合的工业数据采集和转换系统。工业 PON2

13、.0 系统中，接入网关（ONU）作为开放平台，配置多种嵌入式数据采集功能，包括 OPC 数据采集、数据处理等，支持网关与 PLC、生产管理系统、生产装备的通信。同时，ONU 支持集成开源或者客户开定制的工业应用， 进行个性化工业数据采集和转换处理，并与工业云平台进行交互。2.2需求分析集成工业数据采集网关的工业 PON2.0 ONU 应用在工业场景，需要解决以下问题：i.连接性需求连接是工业网关的基础。所连接物理对象的多样性及应用场景的多样性，需要工业网关具备丰富的连接功能，如各种网络接口、网络协议、网络拓扑、网络部署与配置、网络管理与维护功能。ii.多种工业协互联议兼容需要提供对多种工业协议

14、的支持和兼容，工业软硬件系统本身具有较强的封闭性和复杂性，不同设备或系统的数据格式、接口协议都不相同，甚至同一设备同一型号的不同时间出厂的产品所包含的字段数量与名称也会有所差异， 数据无法相互共享。工业数据采集领域存在Profibus、Modbus、CAN、LonWorks、HART、Profinet、EthernetIP、Modbus/TCP、EtherCAT 等多种工业协议标准，各种协议标准不统一。iii.实时性需求生产线的高速运转、精密生产和运动控制等场景对数据采集的实时性要求不断提高，重要信息需要实时采集和上传，以满足生产过程的实时监控需求。工业系统不仅要求数据采集速度快，而且要求数据

15、处理速度快，特别是针对传感器产生的海量时间序列数据，数据写入速度达到了百万数据点/秒-千万数据点/秒。而且数据采集模块还要将实时数据通过有线、无线网络实时传送至系统集成模块，实现企业业务决策的实时性，也就是工业 4.0 所强调的基于“纵向、横向、端到端”信息集成的快速反应。2.3技术要求基于前文的需求分析，工业 PON 数据采集网关需具备如下能力：工业级的环境适应能力、强大的工业接口接入能力、多种工业协议处理、本地智能的网关设备，同时还要支持传统的路由器功能，用以满足更多的应用场景，提供灵活、智能化的管理手段。i.工业级的环境适应能力，可在恶劣的工业环境下长期稳定工作，具备自然散热式，宽温域、

16、低功耗、静音设计、高防护等级等特点， 并应符合工业相关标准。ii.强大的工业接口接入能力。支持多种工业标准的物理接口，如GE/FE/RS232/RS485/DI/DO/CAN 等。iii.开放平台能力，设备支持集成开源或者客户开发的应用，以扩展设备功能。即工业数采网关设备作为一个开放平台，支持客户开发和部署自己的应用。iv.具备二次开发能力，用户可以根据场景选择对应的款型，开发部署自己的应用，采集终端数据进行处理，并与业务平台进行交互。v.具备对下(自动化系统)协议解析能力(通讯协议：Modbus、PPI、MPI、CNC 等;总线协议：CAN、Profibus 等;工业无线协议：WirelessHart、433 等)。vi.通过工业 PON 具备对上(工