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                  智能工廠的工業網絡設備為何非“工”不可?

                  發布時間:2021-10-26 10:04:58 來源:精企智能 作者:admin

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                  來源:工業4點0


                  微信圖片_20211026103230.jpg

                  導 讀 ( 文/ e-works楊培 )


                  穩定、可靠、安全的工業通信網絡才是互聯互通的基石?!疚臑閑-works編輯記者楊培專訪Moxa智能制造專案經理榮海生。


                  作為實現智能制造的重要載體,智能工廠已被視為制造業企業轉型升級,實現可持續、高質量發展的必由之路。近年來,在工業互聯網、大數據、云計算、邊緣計算、AI、5G等新興技術的推動以及數字化轉型與智能制造迫切需求的驅使下,國內外眾多制造企業都紛紛開啟了智能工廠建設實踐。


                  智能工廠是利用數字化、網絡化、智能化等技術與制造技術相互融合而建立的高效、節能的現代化工廠。這其中,廠內網絡作為基礎設施,是實現工廠設備聯網與數據采集,建設智能工廠的基礎和前提,甚至成為關乎智能工廠能否真正落地并發揮實效至關重要的環節。


                  作為工業通信領域的全球**廠商,Moxa一直在參與***智能制造試點項目。目前已成功完成了包括山東某中央空調產線網絡改造、東風某工廠 MES 項目升級、河北某工廠第 6 代AMOLED 面板生產線廠務系統等上百個智能制造項目,提供了從規劃到部署的整廠工業網絡解決方案。為了更好地指導智能工廠的工業網絡建設,讓企業少走彎路,e-works專訪了Moxa 智能制造專案經理榮海生,并請他就智能工廠的工業網絡建設的誤區和熱點問題分享了其經驗與見解。


                  智能工廠的建設離不開工業網絡。那么,Moxa作為工業通信的****,是如何看待企業工業網絡建設呢?

                  榮海生:網絡是工業互聯的基礎。關于智能工廠的網絡建設,工信部發布的《國家智能制造標準體系建設指南(2018年版)》(以下簡稱《指南》)中就指出“工業網絡主要對應生命周期維度的全過程,系統層級維度的設備、單元、車間和企業,以及智能特征維度的互聯互通?!薄?】將工業網絡作為一個重要的環節來看待。


                  微信圖片_202110261032302.jpg

                  圖1:工業網絡在智能制造系統

                  架構中的位置【摘自《指南》】


                  從上圖中我們可以看出,工業網絡實施的好壞,會關乎到智能制造的整體效果。每一個功能、每一個設備都是由工業網絡連接起來,如果網絡不能穩定可靠地傳輸數據,則指令無法正確送達,甚至生產也無法進行。


                  即使我們從工業互聯網的視角來看,網絡的作用也一樣是至關重要的。在工業互聯網產業聯盟(AII)發布的《工業互聯網標準體系(版本2.0)》(以下簡稱《體系2.0》)中提到“網絡是工業互聯的基礎,將連接對象延伸到工業全系統、全產業鏈、全價值鏈,可實現人、物品、機器、車間、企業等全要素,以及設計、研發、生產、管理、服務等各環節的泛在深度互聯?!薄?】


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                  圖2:工業互聯網體系架構

                  【摘自《體系2.0》】


                  從上圖可見,整個工業互聯網應用是建構在網絡、平臺、安全三大建設體系基礎之上的。與此相同,與工業互聯網架構一樣,工業通信網絡也是智能工廠數字化建設中必不可少的一環,所以我們說工業通信網絡是智能工廠的基石。


                  什么是智能工廠的工業網絡?它與我們常說的互聯網或者商業網絡有什么區別?

                  我們認為,智能工廠的網絡由兩部分組成,一個是商用網絡,一個是工業網絡。廠內的商業網絡,也稱為辦公網絡,主要用于企業業務信息交互,應用系統包括企業資源管理(ERP)、產品生命周期管理(PLM)、物資需求計劃(MRP)、辦公自動化(OA)等,其需求特點為大帶寬、短連接、突發數據流量較多,對時間敏感性較弱。


                  廠內工業網絡,也稱為工業系統網絡,既包括部署于工廠生產現場及車間的控制與采集網絡,也包括用于將各個系統連接和打通的系統管理通信網絡。前者用于連接現場傳感器、執行器、控制器等設備,實現PLC、CNC、DNC、智能機器等與各個數據服務器的信息交互,后者將各個生產及輔助生產的應用進行跨系統連接,這些系統包括制造運營管理系統(MOM)/制造執行系統(MES)、倉儲管理系統(WMS)、能源管理系統(EMS)、數據采集與監控系統(SCADA)、分布式控制系統(DCS)等,其需求特點為長連接,數據通信不可中斷,對時間的敏感性較強。


                  因為二者在需求特點等方面存在顯著差異,對通訊設備及運行環境等要求也截然不同。因此,在工廠中我們會將辦公網絡與工業網絡分開部署。


                  廠內網絡

                  連接應用系統

                  需求特色

                  部署地點

                  辦公網絡

                  ERP、PLM、MRP、OA

                  大帶寬、短連接、突發數據流量多

                  辦公室

                  工業網絡

                  MOM/MES、WMS、EMS、SCADA、DCS

                  長連接,數據通信不可中斷

                  工廠及車間


                  既然工業網絡與辦公網絡存在這些差異,那么,我們在選擇工業網絡產品時應該注意什么呢?

                  在工廠內部署工業網絡,與機器最接近的是接入層設備,一般的工業現場不會配備空調還可能存在粉塵或油污顆粒,甚至設備會工作在腐蝕性環境中。


                  微信圖片_20211026103335.jpg

                  ◎ 圖源來源于網絡


                  Moxa依據多年工業通信產品的設計經驗,在設計時就采用無風扇設計方案,避免了機械部件帶來的高故障率。同樣的,工業生產現場通常有很多大型機械和大功率電動機在動作時會產生電壓波動、電磁干擾、突波浪涌等異常電信號,這也要求通信設備需針對抗電壓波動、抗電磁干擾、抗突波浪涌以及抗電源短時中斷等作特殊處理,以避免因設備無法承受此類影響而導致數據丟失、錯亂,甚至因芯片燒毀而提前報廢。

                  然而,商業級通信設備往往難以滿足廠內工業網絡以及工業生產環境的要求。在廠內工業網絡中使用商業級通信設備,也通常會出現通訊中斷、數據獲取不完整、設備使用壽命縮短,甚至設備損壞等問題,從而影響工廠的正常生產進度。在進行廠內工業網絡產品選擇時,應選擇工業級通信設備以獲得更高可靠度與穩定性,確保企業正常的生產活動。


                  除了需具備更高強度的防護與環境適應性以外,在廠內部署工業網絡還應該注意什么呢?

                  一般情況下,部署商用網絡時的習慣是直接從一臺交換機端口連接到下一臺交換機,層層連接,如此重復從而組成星型或樹形網絡連接,乍看之下沒毛病,但這樣的構建方式往往忽略了工業生產對通信的冗余性要求,同時也易形成因關鍵節點中斷而造成大面積斷網,導致全廠數據通信不順暢等故障情況。


                  所以廠內工業網絡在初始設計時就必須考慮采用冗余性網絡架構設計才能保障生產正常進行,即使出現設備通信中斷,也要求網絡通信必須在短時間內恢復,其恢復時間要小于PLC、CNC等設備的掃描周期,以確保安全穩定生產。


                  您提到廠內的工業網絡和商業網絡無論是在需求特點、運行環境,還是在架構設計、部署方式上都有顯著的區別。那么,在運維方式上,廠內的工業網絡和商業網絡也存在區別嗎?

                  在運維方式上,廠內工業網絡與廠內辦公網絡也有很大不同。廠內辦公網絡的運維基本上就是檢查網線接口是否松脫,網絡配置是否正常等,無法預知網絡將在何時出現狀況,只有在網絡出現問題后才會進行修補與處理,網絡何時恢復也完全依賴于運維人員的應對處理能力。


                  廠內工業網絡則不同,由于其部署于車間及工廠需要進行生產,因此有固定的設備檢修保養周期;到了設備保養周期,不管通信設備是否出現狀況都會進行巡檢,發現問題及時維修或更換,未發現問題則“防患于未然”;而未到設備保養周期,即使設備出現狀況,如數據中斷等,只要不影響正常生產一般都不允許進行設備維修及處理,否則輕則原材料報廢,重則設備損壞或出現生產事故。這同樣要求廠內工業網絡需具有自愈能力,如采用冗余環網設計,一旦出現網絡斷開即可在系統通信周期內通過迅速切換實現網絡自愈,到了設備保養周期再進行設備維修或更換,以避免對工廠生產造成影響。


                  對于智能工廠的網絡建設,Moxa可以提供哪些解決方案?

                  作為邊緣連網、工業計算及工業網絡基礎建設解決方案的****,Moxa依托30余年的工業連網經驗,可為客戶量身定制廠內工業網絡解決方案,可提供廠內工業網絡的咨詢、規劃與方案設計,能有效滿足離散型智能制造、流程型智能制造、大規模個性化定制智能制造以及遠程運維型智能制造等的廠內工業網絡建設需求,同時我們在設備智能化和產線聯網、智能物流、智能倉儲、廠務管理等領域與場景也都積累了非常豐富的實踐經驗與案例。


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                  在設備層,Moxa不僅提供串口通訊產品以及串口轉網絡型產品,方便早期的機床、PLC、HMI等設備能通過串口通信;而且還提供智能型遠程I/O,方便對機床的三色燈狀態進行采集并計算設備綜合效率(OEE)。此外,Moxa還可提供各類工業協議轉換器,便于不同協議的設備直接通信;而設備通信協議轉換后,Moxa也提供工業網絡交換機進行網絡連接。


                  在產線互聯中,Moxa可提供嵌入式電腦、工業無線AP、網橋及客戶端等產品。其中,嵌入式電腦主要滿足生產線監控以及邊緣計算需求。工業無線AP以及網橋及客戶端則主要用于完成AGV等的無線通信。


                  您前面提到,工業網絡主要部署于工廠現場及車間,因此,對工業網絡而言,高穩定性、高可靠性和高安全性是必然要求。那么,MOXA有哪些技術可以保障工業通信的穩定、可靠、安全運行?

                  在整個車間網絡的接入層和核心層,Moxa可提供帶有Turbo Ring/Chain特性工業網絡交換機,并且可用工業網絡交換機組成高度可靠的冗余環網,Moxa冗余環網的自愈能力在20ms以內。核心層的工業網絡交換機,作為工業網絡的核心樞紐,通過搭配Moxa的網絡管理軟件,可以完成對多達20,000個IP的大型網絡監控。而在廠內工業網絡與廠內商業網絡的連接上,Moxa則可提供工業級網絡防火墻,以防止商業網絡的異常流量向工業網絡滲透。此外,Moxa也非常重視研發工業通信的新技術并關注新的發展方向,我們已有基于TSN的量產型產品,為面向未來的工業系統網絡解決方案打下堅實基礎。


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                  圖3:TSN組網示意 【摘自:《時間敏感網絡如何助力工業自動化革命》Moxa白皮書】


                  談及網絡,安全是避不開的話題。特別是連接的設備價值很高時,安全防護更是重中之重。在確保通信設備及連網解決方案的安全性方面,Moxa遵循“縱深防御”的防護理念,提供增強的安全免疫能力,并依照國際權威工業安全標準IEC 62443來進行網絡設計與安全提升。目前,Moxa已取得IEC 62443-4-1認證,是第一個獲得安全認證的工業網絡設備供應商。而為了應對勒索病毒等惡意程序的入侵和攻擊,Moxa還推出了工業級入侵防御系統(IPS),不僅能非常有效地監控并阻斷惡意程序傳播,還能通過虛擬補丁技術,修復老舊設備的安全漏洞,解除老舊設備的安全隱患。此外,Moxa還將陸續推出下一代工業防火墻和工業安全管理軟件等安全防護產品。


                  總之,Moxa具有為客戶提供整廠的廠內工業網絡解決方案的能力,我們可以為客戶量身定制安全、穩定、可靠的工業網絡,能讓客戶用得貼心、安心和放心。5年的質保讓客戶免除了2-3年左右就要更換通信設備的煩惱。自國家2015年首提智能制造示范項目名單以來,Moxa目前已合計完成了上百個國家和省級智能制造試點項目,并贏得客戶青睞。Moxa也希望能與更多制造業企業進行合作,以逾30年的工業通信經驗以及量身定制的廠內工業網絡解決方案,推動智能工廠真正落地,助力企業向智能制造大踏步邁進!


                  引用出處:

                  1.《國家智能制造標準體系建設指南(2018年版)》,工信部

                  2.《工業互聯網標準體系(版本2.0)》,工業互聯網產業聯盟(AII)





                  --- THE END ---

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