构建“双千兆”数字工厂的研究.pdf
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1、编辑I梅雅鑫Technology技术构建“双干兆”数字工厂的研究中国信息通信研究院王阿城随着科技的迅速发展和工业生产环境的变革,工厂数字化已经成为制造业转型升级的重要趋势。数字工厂以信息技术为核心,通过将传感器、物联网、大数据分析和人工智能等先进技术与制造过程相结合,实现生产流程的智能化、高效化和灵活化。在这一背景下,构建高速、可靠的网络基础设施成为数字工厂的重要需求,以支持实时数据传输和处理,从而实现管理决策和生产优化。为满足这一需求,研究工业环境下的干兆光网和5 G的组网方案、网络架构和关键技术变得至关重要。本文旨在深入研究工业环境中干兆光网和5 G的应用,探讨其在构建高速、可靠的网络基础
2、设施方面的潜力和优势。重点关注数字工厂中大规模数据传输和实时应用的需求,通过提供支持和解决方案,推动工厂的智慧化、信息化和自动化发展。这将有助于进一步推动数字工厂的发展,促进制造业向更高效、更智能的方向迈进。数字工厂网络需求分析数字工厂网络是连接厂内各种设备、传感器和计算机系统的关键基础设施,能够实现数据传输、实时监测和控制等,推动生产流程的智能化和高效化。它分为工厂外网和工厂内网,前者用于企业与供应链伙伴、用户间的协作与信息交换,后者实现工厂内部各设备和系统的互联。工业网络需具备以下特点:一是网络隔离确保安全性;二是本地存储以保护数据;三是满足超低时延、高带宽、稳定时序和高可靠性需求,实现不
3、同设备间的数据协议转化。同时,工业网络需要支持私网与公网访问,融合5 G技术满足有线与无线连接需求,借助人工智能优化管控模型和提升效率,应对不断增长的工业需求。随着工业互联网的迅速发展,工厂对于设计、生产和运营等全生命周期的精细化管理需求逐渐增加。这种趋势背后的目标在于降低人力成本、资源消耗,同时提升整体运行效率。因此,工厂对网络基础设施的要求也日益提高,具体需求如下。一是高带宽需求。随着工厂的数字化进程,大量的设备和系统不断产生数据,这些数据通常需要实时传输和处理例如,高清视频监控、远程操作和3 D建模等都需要大量的带宽。因此,工厂网络不仅要满足当前的带宽需求,还要预留足够的空间以满足未来需
4、求的增长。二是低延迟需求。生产环境中的许多关键操作,如机器人协同、实时质检和远程控制等,都对延迟有严格的要求。网络的任何微小延迟都可能导致生产中断或出现品质问题。因此,工厂网络需要低延迟,确保所有任务都可以得到实时响应,并保证操作的准确性和同步性。三是稳定性和可靠性需求。工厂生产通常是2 4小时不间断的,任何网络的中断都可能导致巨大的经济损失。为此,需要利用多路径几余、自动故障转移和持续的健康检查等技术确保网络始终在线,保证工厂网络的高稳定性和高可靠性。四是安全性需求。工厂网络需要具备足够的安全性,例如数据加密确保数据传输的机密性、访问控制确保只有经过授权的用户和设备才能接入网络,以及网络防火
5、墙和其他安全技术,确保网络不受外部和内部的恶意攻击。五是灵活性和可扩展性需求。工厂的需求和技术是不断变化的,网络应当能够适应这些变化。这意味着当引入新的43技术Technology编辑I梅雅鑫设备、传感器或系统时,网络能够轻松地支持它们,而不需要大规模重构。此外,随着工厂规模扩张,网络应能够无缝地扩展,以满足更大的数据传输需求。六是高密度连接需求。数字工厂的每一个角落都有可能布置网络设备、传感器和终端,它们都需要接入网络。这就要求网络设备(如交换机和路由器等)具备高密度的连接能力,以确保工厂中的每个设备都能够稳定地接入网络。数字工厂网络部署策略数字工厂网络架构在工厂信息化、数字化和智慧化驱动下
6、,远程协助、智能监控、数据采集等诸多技术应用场景不断出现,干兆网络通过稳定的光纤连接,具备出色的传输带宽和抗干扰性能,更适合室内和复杂环境。而5 G网络则凭借高度灵活性和易用性等特点,呈现出显著的技术优势。在由5 G、干兆光网组成的“双干兆”网络中,二者互相补充,互相促进,成为数字工厂的底座。数字工厂网络架构如图1所示。工业干兆光网部署策略基于PON技术构建的工业级干兆光网络,可实现对于企业多个子网的OLT融合承载,从而确保工厂网络的全方位覆盖。PON网络具有强大的连接能力,单台OLT能够接入超过1万个终端,保证工厂所有业务设备的无缝连接。通过XGS-PON技术,支持高达10 Gbit/s的双
7、向数据传输速率,完美适应固定、移动办公以及高清安防监控的大数据流量需求。为了满足多种类型的工业设备接入需求,在接近用户设备的地方部署ONU,确保其多端口和多接口连接需求得到满足。在接近生产线或楼层的地方,设置无源分光器以连接ONU。在车间的核心机房或总工厂机房中,部署OLT,从而集中管理整个工厂的光纤网络以及相关的PON设备。工业干兆光网网络架构如图2 所示。在工业领域中,常常需要融合满足诸如生产网络、办公网络、安防监控和传感器等多个子网络的需求。针对工业应用场景,工业干兆光网可为多种业务提供综合性的差异化承载,确保工业企业网络的高带宽、低延迟、高稳定性和安全性。基于PON网络的网络切片技术,
8、不仅能够为企业的多个子网提供集成的OLT融合承载,从而减少网络建设的总成本、提高设备使用效率;还可以利用网络资源分区和分级管理,确保各个子网之间的数据安全与隔离。工业干兆光网还可以提供智能、易用、可升级的系统,将智能网络与工业生产紧密连接,促进工厂自动化管理。OLT设备作为智能中枢,可以对所有ONU设备进行管理和配置。这种集中管理机制大幅减少了网络管理节点,简化了数据配置、部署和管理流程;兼容开局“即插即用”和维护“即换即通”的特性,提升了网络的效率和灵活性。OLT的集中管理机制支持实时收集、处理整个网络数据,使网络部工厂外网智能云网工厂内网5G无线专网千兆光网Internet/公有云/WAN
9、MECMEP传输UPFMEClaas枢纽私有云APP2路由器APP1福交换机数据平台OLTODN园分光器BBUXGS-PON无线网络信息采集有线网络RRU/PRRUONUNB-IoT/4G/5G天线视频语音智慧工厂口视频监控移动办公口固定办公图1数字工厂网络架构44编辑I梅雅鑫Technology技术设计使得各项网络功能模块更加灵工厂私有云活,能够根据实际需求进行定制和部署。智能运营编排的能力进一步OLTONU生产控制图2 工业干兆光网网络架构署、告警、健康状况等能够快速得到监控、报告和处理,从而实现网络的高效管理和故障的及时感知。无源光纤网络的器件无需独立管理,简化了运维工作。整个网络的管理
10、节点数量显著减少,与传统以太工业网络相比,管理更加便捷。无需独立配置ONU,整个工厂网络的管理节点仅包括少数OLT设备和核心交换机,大大降低了管理的复杂性。新型PONOLT设备端提供边缘计算能力,促进工业数据的高效整合与分析。在OLT设备端引入通用的边缘计算能力,可降低硬件投入。同时,将数据预处理、存储和智能分析置于设备附近的网络边缘,不仅可以减少延迟处理和解决网络阻塞,还能与云端数据分析协同。工业PONONU拥有多重嵌入式数据采集功能(如OPC数据采集和处理),可与PLC、生产管理系统及生产设备通信,实现工业云平台互联。此外,工业PONONU支持集成开源或定制工业应用,实现个性化的数据采集和
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