工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集測試床案例

1、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集測試床案例引言 ：企業(yè)概況1、中國電信集團公司中國電信順應(yīng)信息通訊業(yè)智能化發(fā)展趨勢，明確了未來十年的轉(zhuǎn)型 3.0 戰(zhàn)略，著重推進網(wǎng)絡(luò)智能化、業(yè)務(wù)生態(tài)化、運營智慧化，引領(lǐng)數(shù)字生態(tài)，致力于做領(lǐng)先的綜合智能信息服務(wù)運營商，助力網(wǎng)絡(luò)強國，服務(wù)社會民生。2016 年 7 月16 日，中國電信聯(lián)合中國信息通信研究院正式發(fā)布工業(yè)連接計劃白皮書，該計劃通過研究兩融合過程中的“痛點”，提出了工業(yè)連接的兩類應(yīng)用、四大場景、八項連接需求，并制定了具體的目標和實施步驟，幫助制造企業(yè)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、協(xié)同化和智能化轉(zhuǎn)型。2、濰柴動力股份有限公司濰柴動力參考德國工業(yè) 4.0 和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，按照

2、“我國信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃（2013-2018）”和“中國制造 2025”等行動計劃，針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進行了整體規(guī)劃，制定了智能工廠建設(shè)、智能管理與決策分析平臺、智慧后服務(wù)建設(shè)及智能產(chǎn)品建設(shè)等四大方向，進一步提升企業(yè)效率，提高生產(chǎn)智能化程度，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化轉(zhuǎn)型。一、關(guān)鍵詞工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集測試床旨在驗證工業(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)用場景與技術(shù)方案。關(guān)鍵詞：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，工業(yè)數(shù)據(jù)采集，工業(yè)數(shù)據(jù)分析二、測試床項目概述行業(yè)痛點描述目前工廠內(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

3、。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。當前方案實現(xiàn)目標工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集測試床旨在驗證工業(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)用場景與技術(shù)方案。包括：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：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)

4、備的預測性維護分析，設(shè)備效率分析及產(chǎn)品過程質(zhì)量分析等。三、測試床項目解決方案解決方案總體架構(gòu)圖 1：本測試床總體架構(gòu)圖本測試床首先對工廠車間生產(chǎn)線的所有設(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)娇刂浦行模徊⒃诳刂浦行膶S設(shè)備運行狀態(tài)進行展示和預測分析。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) ；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?；在控制中心對工廠設(shè)備運行狀態(tài)進行展示和預測分析。主要創(chuàng)新點包括：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

5、廠內(nèi)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)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)議工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)探索及實踐，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)進行設(shè)備運行分析及預測性維護。重點系統(tǒng)/創(chuàng)新點描述 ，安全及可靠性分析基于工業(yè)PON 的新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)數(shù)字化智能車間生產(chǎn)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)車間各項業(yè)務(wù)相互協(xié)同、各類生產(chǎn)設(shè)備與控制系統(tǒng)信息交互等工作的基礎(chǔ)。在現(xiàn)有濰柴車間通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，由于關(guān)鍵車間在初期網(wǎng)絡(luò)部署建設(shè)時間較早，濰柴現(xiàn)有車間網(wǎng)絡(luò)僅能滿足企業(yè)信息業(yè)務(wù)的需求，較多數(shù)字化智能設(shè)備存在大量網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)的需求。為了能夠?qū)崿F(xiàn)濰柴工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標，需要進行車間級生產(chǎn)控制及信息采集網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，實現(xiàn)

6、機器與機器間，機器與控制網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，使得數(shù)據(jù)可以統(tǒng)一匯聚至企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺進行分析。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?，F(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)，其中工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用上下行不同波長的單纖波分復用技術(shù)，一跟光纖通過多級光分路送給做多 64 個節(jié)點，傳輸距離可達 20 公里，適用于樹型、星型、總線型、冗余型等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備為OLT（光線路單元）、ONU(光網(wǎng)絡(luò)終 端)和ODN 分光器；而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機的以太光口進行串接，

7、形成串形或環(huán)形組網(wǎng)的通信技術(shù)。工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)相比，具有以下優(yōu)勢：高帶寬：全光接入，雙向大帶寬，下行 2.5Gbit/s，可升級到 10Gbit/s；長距離：僅需單根光纖線 傳輸，最遠覆蓋 10 公里范圍網(wǎng)絡(luò)時延短：上行不超過 1.5ms； 下行不超過 1ms（一般在 0.3ms）高可靠：無源器件組網(wǎng)，避免電磁干擾和雷電影響。 自愈環(huán)形網(wǎng)絡(luò)支持并聯(lián)型，切換時間短、抵抗能力強。高安全：設(shè)置 ONU 安全注冊機制；下行數(shù)據(jù)傳送天然加密，上行數(shù)據(jù)傳送時分機制隔離。組網(wǎng)靈活：點到多點傳輸結(jié)果，終端并行接入（多點分光），部署靈活。多業(yè)務(wù)承載：支持數(shù)據(jù)、視頻、語音、時間同步等多種業(yè)務(wù)；支持RJ

8、45接口、以太網(wǎng)光纖接口、CAN 接口、RS485、RS232 等多接口。可維護性高：網(wǎng)絡(luò)維護比較簡單，易于分析故障點；靈活插卡式設(shè)計， 易于更換安裝。帶寬靈活調(diào)配：動態(tài)給每個ONU 終端配置特定的帶寬，帶寬利用率高。本測試床項目采用工業(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)，具備設(shè)備數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的遠程自動采集及遠程交互控制能力，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)。圖 2：本測試床網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖適配各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的工業(yè)數(shù)據(jù)

9、采集濰柴車間內(nèi)設(shè)備種類繁多，各種設(shè)備接口及協(xié)議不統(tǒng)一，導致數(shù)據(jù)采集困難。本測試床項目通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)及工業(yè)PON 的 ONU 設(shè)備實現(xiàn)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（如： 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。圖 3：本測試床數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)通過工業(yè)PC 或?qū)I(yè)芯片，集成各種主流的工業(yè)協(xié)議（如： Profibus/Profinet、Modbus、OPC DA/UA 等），適配不同廠商設(shè)備的接口，實現(xiàn)通信協(xié)議的解析與轉(zhuǎn)換。同時支持邊緣計算能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式

10、計算分析，形成本地的實時優(yōu)化決策。面對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，通信接口的多樣化的問題。作為工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)的接入部分光網(wǎng)絡(luò)單元ONU，是工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，該設(shè)備可以提供以太網(wǎng)（光口、電口）、POTS、CAN、RS485、RS232 和CVBS 等各種接口，適應(yīng)各種工業(yè)設(shè)備智能信息傳送及各種專用接入系統(tǒng)應(yīng)用場合的要求，通過工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)匯總到匯聚設(shè)備OLT，然后傳送到平臺應(yīng)用層，并對不同的設(shè)備傳輸協(xié)議進行解析，避免不必要的中間環(huán)節(jié)。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析本測試床項目通過工業(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

11、通過中間機進行遠程方式采集到存儲在服務(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。圖 4：本測試床工業(yè)數(shù)據(jù)分析功能架構(gòu)圖本測試床項目中的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺通過數(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。圖 5：螺栓一致性分析示例圖對普通螺栓：通過螺栓的擰緊過程數(shù)據(jù)，評判螺栓的一致性，并進行批次之間、供應(yīng)商之間的橫向比較分析通過螺栓的擰緊過程數(shù)據(jù)，以及螺栓扭矩的上限及下限，計算出螺栓轉(zhuǎn)角區(qū)間對高強度螺栓新螺栓，定扭矩后，轉(zhuǎn)角范圍的確定通過螺栓的擰緊過程數(shù)

12、據(jù)，評判螺栓的一致性測試床應(yīng)用效果，實施效果通過本測試床項目的實施，中國電信協(xié)助濰柴實現(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。1. 測試床驗證了 AII 架構(gòu)中的以下環(huán)節(jié)四、測試床項目價值提取圖 6：AII 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖本測試床項目驗證了AII 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)模塊中的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接）、數(shù)據(jù)模塊中的產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)采集交換、數(shù)據(jù)集成處理以及產(chǎn)業(yè)建模和分析等環(huán)節(jié)功能。新標準/新技術(shù)/新應(yīng)用/新模式提取基于本測試床項目的試點應(yīng)用，在AII 技術(shù)標準組中完成了工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)EPON 系統(tǒng)技術(shù)要求聯(lián)盟標準的制定與發(fā)布，并在CCSA TC6 中完成了工業(yè)PON 系列標準的立項。中國電信已經(jīng)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界進行工業(yè)PON 新技術(shù)和新應(yīng)用的推廣?？蓮椭泣c/可復制行業(yè)本測試床項目將工業(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)在濰柴的發(fā)動機制造工廠進行了試點，驗證了該技術(shù)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