智能工厂工业PON网络与数据采集解决方案

中国电信集团有限公司

网络改造技术篇/成熟技术/工厂内网改造

1 概述

1.1 背景

随着无源光网络（PON）技术在电信、电力行业的广泛应用，工业PON网络已成为工业数据采集领域的一种新型组网技术。PON网络是串联车间各项业务、各类生产设备与控制系统，实现信息交互等工作的基础。通过PON可以完成智能设备与业务分析平台之间的网络连接，从而实现智能设备指令数据远程下发控制及监控数据采集能力。

1.2 实施目标

智能工厂工业PON网络与数据采集解决方案旨在提供工业设备智慧互联、适配多种工业设备PLC接口的工业数据采集、工业数据分析应用与技术方案。包括：

• 工业PON网络：建设符合工业标准的车间网络，将智能工厂的设备联网；

• 工业数据采集：适配各种PLC及数控机床，采集设备数据；

• 工业数据分析：实现设备的预测性维护分析，设备效率分析及产品过程质量分析等。

1.3 适用范围

本解决方案前期已经在工业互联网产业联盟第一批测试床进行验证通过（测试床名称为：02工业网络互联与数据采集），该测试床将工业PON技术、工业数据采集技术及工业数据分析技术在某制造企业的发动机制造工厂进行了试点，验证了该解决方案可以适用于典型的离散制造业工业互联网场景，未来可以在离散型制造业企业进行推广应用，具有良好的可复制性。

1.4 在工业互联网网络体系架构中的位置

图1 工业互联网互联示意图

本解决方案属于工业互联网网络体系架构中的智能工厂内部网络，具体对应上面架构图中的1、2、3、5种网络连接。采用工业PON网络对工厂车间生产线的所有设备进行网络互联，然后对设备进行工业数据采集，并传输到控制中心，并在控制中心对工厂设备运行状态进行展示和预测分析。

2 需求分析

目前工厂内部网络“两层三级”技术体系和网络结构相互隔离的状况使 IT 系统与生产现场之间的通信存在较多障碍。一是工业控制网络与工厂信息网络的技术标准各异，难以融合互通。 二是工业生产全流程存在大量“信息死角”，亟需实现网络全覆盖。同时，在工业大数据的实施过程中，企业数据源较差，尤其是对于机器设备、生产线等实时生产数据采集数量、类型、精度以及频率方面存在较大提升空间，因此对于工业数据采集网络传输的质量提出了新的要求。

现有车间生产信息网常用通信技术为无线和有线通信技术，由于有线通信技术可满足未来智能设备之间双向交互、高宽带、低时延等需求，已广泛应用。现阶段有线技术有工业PON网络技术和工业以太网技术为主流技术，工业PON网络与工业以太网相比，工业PON网络技术在组网可靠性、安全性、带宽分配、维护成本、网络可拓展等方面均有优势，适合在高温、高强电等车间环境下接入使用。

3 解决方案

3.1 方案介绍

智能工厂工业PON网络与数据采集解决方案首先对工厂车间的工业设备，采用工业PON网络进行网络互联，然后对设备进行工业数据采集，并传输到控制中心，并在控制中心对工厂设备运行状态进行展示和预测分析。

3.2 系统架构

智能工厂工业PON网络与数据采集解决方案采用新型工业互联网网络架构，采用工业级PON网络技术实现工厂内数据采集网络和多种工业互联网协议适配，支持RS232/485串口、以太网等多种工业设备接口和通信协议。系统架构如下图所示：

图2 智能工厂工业PON网络与数据采集解决方案系统架构

3.3 网络拓扑设计

工业PON网络通过灵活的网络配置，完成对工业设备数据采集和传输，以实现生产设备监控、信息集采、生产控制等功能。

工业PON网络的拓扑结构可与各车间信息节点无缝结合，可根据需要组成多链路备份的树形结构、环形结构等传送网络。网络拓扑图如下所示：

图3 智能工厂工业PON网络与数据采集解决方案网络拓扑

1) 在车间布放ONU；

2) 将各个车间的生产设备通过网线、双绞屏蔽线连接到ONU；

3) OLT汇聚管理设备部署于通讯机房，为各车间ONU提供业务汇聚和传送；

4) OLT通过n*GE上联接口连接到中心机房，工业PON网络将各生产设备端口透传到网管上的管理平台，对所有设备统一管理。

3.4 功能设计

主要系统功能包括 ：

• 车间工业互联网基础网络建设，对工厂车间生产线的所有设备，通过工业PON网络进行网络互联；

• 全业务通信整合能力：系统提供FE、GE、CAN、RS485、CVBS(BNC接头)等多种业务接口，满足各种业务的接入;

• 车间工业互联网设备数据采集建设，对设备进行工业数据采集，并传输到控制中心；

• 在控制中心对工厂设备运行状态进行展示和预测分析。

3.5 安全及可靠性

• 采用安全易维护设备：两套OLT最多可以组30个独立的ODN环网，可以把各业务或者站点组到不同的环网中，提供安全性；ONU设备支持远程调试、检测，不需要维护人员亲临现场。

• 多种保护方式提高安全性：汇聚设备OLT和ONU接入器使用单纤双向环网技术，主备链路快速切换；设备的关键模块都使用双备份，在主用板发生故障情况下，系统会快速自动切换，不影响业务使用；使用主备电源供电；ONU接入器具备自交换能力，在设备两边的光纤全部断掉的情况下，这个点上的设备之间仍可以通讯。

4 成功案例

本方案在潍柴智能工厂工业设备联网与数据采集项目中得到了成功应用。潍柴车间内设备种类繁多，各种设备接口及协议不统一，导致数据采集困难。该项目采用工业PON网络技术，在潍柴1号工厂进行智能车间改造试点，在总装车间、试车车间等8个车间部署工业PON网络，涵盖了加工、装配、试车、涂装四个部分试点整套装备系统，对420余台智能设备进行网络联网，实现了RS232/485串口、以太网等多种工业设备接口接入，并通过集成各种主流的工业协议（Profibus/Profinet、Modbus、OPC DA/UA等），为潍柴实现了各种先进制造设备的数据采集，为潍柴智能工业互联网建设打下坚实的网络基础。网络架构如下图所示。

图4 潍柴智能工厂工业设备联网与数据采集网络架构

该项目通过工业PON及数据采集技术，将制造车间产线、制造质量工艺等数据通过网络传输至本地服务器存储。工业互联网大数据平台定期远程采集到存储在服务器中的原始数据，获取之后进行对原始数据的采集、清洗并完成入库操作。通过数据采集后对螺栓拧紧的拧紧方式、参数进行分析，从扭矩、角度、斜率等结果来判断螺栓一致性，从而可以及时发现螺栓拧紧中出现的问题，降低了产品的缺陷率，提升了产线生产效率。

通过该项目实施，潍柴实现了试点车间内的设备的联网及数据采集，通过利用生产数据进行预测性维护分析及产品过程质量分析等应用分析，提高产线生产效率10%，降低缺陷产品率40%，降低设备故障停机时间50% ，取得了良好应用效果。