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智能工廠工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集解決方案

中國電信集團有限公司

網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)篇/成熟技術(shù)/工廠內(nèi)網(wǎng)改造

1 概述

1.1 背景

隨著無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)在電信、電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)已成為工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的一種新型組網(wǎng)技術(shù)。PON網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)車間各項業(yè)務(wù)、各類生產(chǎn)設(shè)備與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)信息交互等工作的基礎(chǔ)。通過PON可以完成智能設(shè)備與業(yè)務(wù)分析平臺之間的網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)智能設(shè)備指令數(shù)據(jù)遠程下發(fā)控制及監(jiān)控數(shù)據(jù)采集能力。

1.2 實施目標

智能工廠工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集解決方案旨在提供工業(yè)設(shè)備智慧互聯(lián)、適配多種工業(yè)設(shè)備PLC接口的工業(yè)數(shù)據(jù)采集、工業(yè)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用與技術(shù)方案。包括：

? 工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)：建設(shè)符合工業(yè)標準的車間網(wǎng)絡(luò)，將智能工廠的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)；

? 工業(yè)數(shù)據(jù)采集：適配各種PLC及數(shù)控機床，采集設(shè)備數(shù)據(jù)；

? 工業(yè)數(shù)據(jù)分析：實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測性維護分析，設(shè)備效率分析及產(chǎn)品過程質(zhì)量分析等。

1.3 適用范圍

本解決方案前期已經(jīng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟第一批測試床進行驗證通過（測試床名稱為：02工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集），該測試床將工業(yè)PON技術(shù)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)及工業(yè)數(shù)據(jù)分析技術(shù)在某制造企業(yè)的發(fā)動機制造工廠進行了試點，驗證了該解決方案可以適用于典型的離散制造業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景，未來可以在離散型制造業(yè)企業(yè)進行推廣應(yīng)用，具有良好的可復(fù)制性。

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

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

本解決方案屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的智能工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，具體對應(yīng)上面架構(gòu)圖中的1、2、3、5種網(wǎng)絡(luò)連接。采用工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)對工廠車間生產(chǎn)線的所有設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，然后對設(shè)備進行工業(yè)數(shù)據(jù)采集，并傳輸?shù)娇刂浦行模⒃诳刂浦行膶S設(shè)備運行狀態(tài)進行展示和預(yù)測分析。

2 需求分析

目前工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)“兩層三級”技術(shù)體系和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相互隔離的狀況使 IT 系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場之間的通信存在較多障礙。一是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與工廠信息網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標準各異，難以融合互通。 二是工業(yè)生產(chǎn)全流程存在大量“信息死角”，亟需實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。同時，在工業(yè)大數(shù)據(jù)的實施過程中，企業(yè)數(shù)據(jù)源較差，尤其是對于機器設(shè)備、生產(chǎn)線等實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集數(shù)量、類型、精度以及頻率方面存在較大提升空間，因此對于工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁|(zhì)量提出了新的要求。

現(xiàn)有車間生產(chǎn)信息網(wǎng)常用通信技術(shù)為無線和有線通信技術(shù)，由于有線通信技術(shù)可滿足未來智能設(shè)備之間雙向交互、高寬帶、低時延等需求，已廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段有線技術(shù)有工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)為主流技術(shù)，工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)相比，工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在組網(wǎng)可靠性、安全性、帶寬分配、維護成本、網(wǎng)絡(luò)可拓展等方面均有優(yōu)勢，適合在高溫、高強電等車間環(huán)境下接入使用。

3 解決方案

3.1 方案介紹

智能工廠工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集解決方案首先對工廠車間的工業(yè)設(shè)備，采用工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，然后對設(shè)備進行工業(yè)數(shù)據(jù)采集，并傳輸?shù)娇刂浦行?，并在控制中心對工廠設(shè)備運行狀態(tài)進行展示和預(yù)測分析。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能工廠工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集解決方案采用新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用工業(yè)級PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)工廠內(nèi)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和多種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議適配，支持RS232/485串口、以太網(wǎng)等多種工業(yè)設(shè)備接口和通信協(xié)議。系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

圖2 智能工廠工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集解決方案系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)通過靈活的網(wǎng)絡(luò)配置，完成對工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸，以實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、信息集采、生產(chǎn)控制等功能。

工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可與各車間信息節(jié)點無縫結(jié)合，可根據(jù)需要組成多鏈路備份的樹形結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)等傳送網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如下所示：

圖3 智能工廠工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集解決方案網(wǎng)絡(luò)拓撲

1) 在車間布放ONU；

2) 將各個車間的生產(chǎn)設(shè)備通過網(wǎng)線、雙絞屏蔽線連接到ONU；

3) OLT匯聚管理設(shè)備部署于通訊機房，為各車間ONU提供業(yè)務(wù)匯聚和傳送；

4) OLT通過n*GE上聯(lián)接口連接到中心機房，工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)將各生產(chǎn)設(shè)備端口透傳到網(wǎng)管上的管理平臺，對所有設(shè)備統(tǒng)一管理。

3.4 功能設(shè)計

主要系統(tǒng)功能包括 ：

? 車間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，對工廠車間生產(chǎn)線的所有設(shè)備，通過工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；

? 全業(yè)務(wù)通信整合能力：系統(tǒng)提供FE、GE、CAN、RS485、CVBS(BNC接頭)等多種業(yè)務(wù)接口，滿足各種業(yè)務(wù)的接入;

? 車間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集建設(shè)，對設(shè)備進行工業(yè)數(shù)據(jù)采集，并傳輸?shù)娇刂浦行模?/p>

? 在控制中心對工廠設(shè)備運行狀態(tài)進行展示和預(yù)測分析。

3.5 安全及可靠性

? 采用安全易維護設(shè)備：兩套OLT最多可以組30個獨立的ODN環(huán)網(wǎng)，可以把各業(yè)務(wù)或者站點組到不同的環(huán)網(wǎng)中，提供安全性；ONU設(shè)備支持遠程調(diào)試、檢測，不需要維護人員親臨現(xiàn)場。

? 多種保護方式提高安全性：匯聚設(shè)備OLT和ONU接入器使用單纖雙向環(huán)網(wǎng)技術(shù)，主備鏈路快速切換；設(shè)備的關(guān)鍵模塊都使用雙備份，在主用板發(fā)生故障情況下，系統(tǒng)會快速自動切換，不影響業(yè)務(wù)使用；使用主備電源供電；ONU接入器具備自交換能力，在設(shè)備兩邊的光纖全部斷掉的情況下，這個點上的設(shè)備之間仍可以通訊。

4 成功案例

本方案在濰柴智能工廠工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集項目中得到了成功應(yīng)用。濰柴車間內(nèi)設(shè)備種類繁多，各種設(shè)備接口及協(xié)議不統(tǒng)一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集困難。該項目采用工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在濰柴1號工廠進行智能車間改造試點，在總裝車間、試車車間等8個車間部署工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)，涵蓋了加工、裝配、試車、涂裝四個部分試點整套裝備系統(tǒng)，對420余臺智能設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了RS232/485串口、以太網(wǎng)等多種工業(yè)設(shè)備接口接入，并通過集成各種主流的工業(yè)協(xié)議（Profibus/Profinet、Modbus、OPC DA/UA等），為濰柴實現(xiàn)了各種先進制造設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，為濰柴智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)打下堅實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示。

圖4 濰柴智能工廠工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該項目通過工業(yè)PON及數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將制造車間產(chǎn)線、制造質(zhì)量工藝等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至本地服務(wù)器存儲。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺定期遠程采集到存儲在服務(wù)器中的原始數(shù)據(jù)，獲取之后進行對原始數(shù)據(jù)的采集、清洗并完成入庫操作。通過數(shù)據(jù)采集后對螺栓擰緊的擰緊方式、參數(shù)進行分析，從扭矩、角度、斜率等結(jié)果來判斷螺栓一致性，從而可以及時發(fā)現(xiàn)螺栓擰緊中出現(xiàn)的問題，降低了產(chǎn)品的缺陷率，提升了產(chǎn)線生產(chǎn)效率。

通過該項目實施，濰柴實現(xiàn)了試點車間內(nèi)的設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集，通過利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行預(yù)測性維護分析及產(chǎn)品過程質(zhì)量分析等應(yīng)用分析，提高產(chǎn)線生產(chǎn)效率10%，降低缺陷產(chǎn)品率40%，降低設(shè)備故障停機時間50% ，取得了良好應(yīng)用效果。