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工厂网络为何非“工”不可?看完才是真懂了

供稿:摩莎科技(上海)有限公司 2021/1/21 13:09:18

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  • 关键词: 摩莎 Moxa 工厂网络
  • 摘要:作为实现智能制造的重要载体,智能工厂已被视为制造业企业转型升级,实现可持续、高质量发展的必由之路

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导读:作为实现智能制造的重要载体,智能工厂已被视为制造业企业转型升级,实现可持续、高质量发展的必由之路。智能工厂厂内网络是实现工厂设备联网与数据采集,建设智能工厂的基础和前提,甚至成为关乎智能工厂能否真正落地并发挥实效至关重要的环节。为了让企业少走弯路,我们邀请 Moxa 智能制造专案经理荣海生,特别分享他在协助企业规划和部署的整厂工业网络解决方案时常见的误区和热点问题。

工业通信网络为何是智能工厂互联互通的基石?

工信部《国家智能制造标准体系建设指南(2018 年版)》中指出“工业网络主要对应生命周期维度的全过程,系统层级维度的设备、单元、车间和企业,以及智能特征维度的互联互通。”将工业网络作为一个重要的环节来看待。每一个功能、每一个设备都是由工业网络连接起来,如果网络不能稳定可靠地传输数据,则指令无法正确送达,甚至生产也无法进行。

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图 1:工业网络在智能制造系统架构中的位置【摘自《国家智能制造标准体系建设指南》】

在工业互联网产业联盟(AII)发布的《工业互联网标准体系(版本 2.0)》中也提到“网络是工业互联的基础”。从下图显示,整个工业互联网应用建构在网络、平台、安全三大建设体系基础之上的。与工业互联网架构一样,工业通信网络也是智能工厂数字化建设中必不可少的一环,所以我们说工业通信网络是智能工厂的基石。

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图 2:工业互联网体系架构【摘自《工业互联网标准体系(版本 2.0)》】

误区 1:工业网络和商业网络没啥差别

正解:二者在需求特色、对通讯设备及运行环境等要求截然不同

智能工厂的网络由商用网络(或称办公网络)和工业网络组成,二者在需求特色、对通讯设备及运行环境等要求截然不同,因此我们会将办公网络与工业网络分开部署。厂内商业网络主要用于企业业务信息交互;厂内工业网络则包含 (1)部署于工厂生产现场及车间的控制与采集网络;(2)将各个系统连接和打通的系统管理通信网络。前者用于连接现场传感器、执行器、控制器等设备,实现 PLC、CNC、DNC、智能机器等与各个数据服务器的信息交互;后者是连接各个生产及辅助生产的应用进行跨系统通信的网络。

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误区 2:商业级通信设备也适用工业现场环境

正解:商业级通信设备防护等级往往无法满足严苛的工业生产环境而出现通讯中断、数据获取不完整或者设备使用寿命缩短等问题

在工厂内部署工业网络,与机器最接近的是接入层设备,一般的工业现场不会配备空调还可能存在粉尘或油污颗粒,甚至设备会工作在腐蚀性环境中。

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图 3:腐蚀性工业现场环境【图片来自网络】

工业生产现场通常有很多大型机械和大功率电动机,在动作时会产生电压波动、电磁干扰、突波浪涌等异常电信号,这也要求通信设备需针对抗电压波动、抗电磁干扰、抗突波浪涌以及抗电源短时中断等作特殊处理,以避免因设备无法承受此类影响而导致数据丢失、错乱,甚至因芯片烧毁而提前报废。在厂内工业网络中使用商业级通信设备,通常因为难以工业生产环境的要求会出现通讯中断、数据获取不完整、设备使用寿命缩短,甚至设备损坏等问题,从而影响工厂的正常生产进度。选择工业级通信设备才能获得更高可靠度与稳定性,确保企业正常的生产活动。

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误区 3:一连到底的商用网络部署架构

正解:采用冗余性网络架构,才可确保设备通信中断也能短时间内恢复而不影响生产

商用网络部署通常是直接从一台交换机端口连接到下一台交换机,进行层层连接,这样重复组成星型或树形网络连接,乍看之下没毛病,但这样的构建方式往往忽略了工业生产对通信的冗余性要求,同时也易形成因关键节点中断而造成大面积断网,导致全厂数据通信不顺畅等故障情况。所以厂内工业网络在初始设计时就必须考虑采用冗余性网络架构设计才能保障生产正常进行,即使出现设备通信中断,也要求网络通信必须在短时间内恢复,其恢复时间还要小于 PLC、CNC 等设备的扫描周期,以确保生产持续稳定进行。

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误区 4:网络出现问题后才进行修补与处理

正解:固定设备保养周期,不管通信设备是否出现状况都会进行巡检

厂内办公网络的运维基本上就是检查网线接口是否松脱,网络配置是否正常等,无法预知网络将在何时出现状况,只有在网络出现问题后才会进行修补与处理,网络何时恢复也完全依赖于运维人员的应对处理能力。厂内工业网络则不同,由于其部署于车间及工厂需要进行生产,因此有固定的设备检修保养周期;到了设备保养周期,不管通信设备是否出现状况都会进行巡检,发现问题及时维修或更换,未发现问题则“防患于未然”;而未到设备保养周期,即使设备出现状况,如数据中断等,只要不影响正常生产一般都不允许进行设备维修及处理,否则轻则原材料报废,重则设备损坏或出现生产事故。这要求厂内工业网络需具有自愈能力,如采用冗余环网设计,一旦出现网络断开即可在系统通信周期内通过迅速切换实现网络自愈,到了设备保养周期再进行设备维修或更换,以避免对工厂生产造成影响。

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Moxa 有哪些技术可以保障工业通信稳定、可靠、安全运行?

在整个车间网络的接入层和核心层,Moxa 可提供带有 Turbo Ring/Chain 特性工业网络交换机,并且可用工业网络交换机组成高度可靠的冗余环网,Moxa 冗余环网的自愈能力在 20 毫秒以内。核心层的工业网络交换机,作为工业网络的核心枢纽,通过搭配 Moxa 的网络管理软件,可以完成对多达 20,000 个 IP 的大型网络监控。

在厂内工业网络与厂内商业网络的连接上,Moxa 则可提供工业级网络防火墙,以防止商业网络的异常流量向工业网络渗透。此外,Moxa 也非常重视研发工业通信的新技术并关注新的发展方向,我们已有基于 TSN 的量产型产品,为面向未来的工业系统网络解决方案打下坚实基础。

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图 4:TSN 组网示意 【摘自:《时间敏感网络如何助力工业自动化革命》Moxa 白皮书】

谈及网络,安全是避不开的话题。特别是连接的设备价值很高时,安全防护更是重中之重。在确保通信设备及连网解决方案的安全性方面,Moxa 遵循“纵深防御”的防护理念,提供增强的安全免疫能力,并依照国际权威工业安全标准 IEC 62443 来进行网络设计与安全提升。为了应对勒索病毒等恶意程序的入侵和攻击,Moxa 还推出了工业级入侵防御系统(IPS),不仅能非常有效地监控并阻断恶意程序传播,还能通过虚拟补丁技术,修复老旧设备的安全漏洞,解除老旧设备的安全隐患。此外,Moxa 还将陆续推出下一代工业防火墙和工业安全管理软件等安全防护产品。

Moxa 参与了那些重要国家级项目?

Moxa 一直在参与国家级智能制造试点项目。目前已成功完成了包括山东某中央空调产线网络改造、东风某工厂 MES 项目升级、河北某工厂第 6 代 AMOLED 面板生产线厂务系统等上百个智能制造项目,提供了从规划到部署的整厂工业网络解决方案。

作为边缘连网、工业计算及工业网络基础建设解决方案的领导品牌,Moxa 依托 30 余年的工业连网经验,可为客户量身定制厂内工业网络解决方案,可提供厂内工业网络的咨询、规划与方案设计,能有效满足离散型、流程型、大规模个性化定制以及远程运维型智能工厂厂内工业网络建设需求,同时我们在设备智能化和产线联网、智能物流、智能仓储、厂务管理等领域与场景也都积累了非常丰富的实践经验与案例。

审核编辑(王静)
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