智能工厂IT/OT网络融合

北京恩易通技术发展有限公司

网络改造技术篇/成熟技术/工厂内网改造

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。

1.1.1 IDN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 (Ethernet over Ethernet）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 Deterministic Network)。

图1 EOE数据帧格式

1.1.2 IDN网络工作原理

IDN网络工作原理流程如图2：

图2 IDN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。

1.1.3 IDN与现有实时网络对比

表1 IDN与TSN网络对比

1.2 实施目标

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

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

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。

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。