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工业通信网络现有架构的梳理总结和未来运营商的发展策略1
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2022-08-03
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摘要:工业通信网络向网络化、数字化、智能化方向发展,已经不能被视为简单的通信网络,而是组成自动化控制系统的关键子系统。从现有的工业通信网络系统架构出发,对工业模
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2017301-1
物联网技术专栏
工业通信网络现有架构的梳理总结和
未来运营商的发展策略
常洁,王艺,李洁,陈正文
(中国电信股份有限公司上海研究院,上海 200122)
摘 要:工业通信网络向网络化、数字化、智能化方向发展,已经不能被视为简单的通信网络,而是组成自
动化控制系统的关键子系统。从现有的工业通信网络系统架构出发,对工业模型进行了系统梳理,将其划分
为企业外部和企业内部,现有的架构主要集中于制造企业内部工厂内,主要参考 ISA-95 模型,包含现场级、
控制机、车间级和工厂级 4 层,每层之间的网络配置和管理策略相互独立。然后详细分析了现有的工业网络
技术体系和面向制造业未来发展的网络升级需求,最后提出通信运营商的发展策略。
关键词:工业通信网络;发展策略;架构梳理
中图分类号:TP393 文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.1000−0801.2017301
Summary of existing framework in industrial communication
networks and future development strategies for
communication operators
CHANG Jie, WANG Yi, LI Jie, CHEN Zhengwen
Shanghai Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Shanghai 200122, China
Abstract: Industrial communication networks are developing in the direction of networking, digitization and intelli-
gence, which could not be considered as just a single communication network but as important sub-systems of the
automatic control systems. Based on framework of the existing industrial communication network, the industrial
model was systematically studied and divided into within and outside of the enterprise. The existing framework
mainly concentrated in interior of factory within manufacturing enterprise and mainly referenced ISA-95 model, in-
cluded field-level, control-level, workshop-level and factory-level. The network configuration and management
strategies between each layer were independent. Then, the existing technology systems in industrial network and re-
quirements of network upgrading facing future development of manufacturing were analyzed in detail. Lastly, the fu-
ture development strategies of communication operators were put forward.
Key words: industrial communication network, development strategy, summary of framework
收稿日期:2017−09−30;修回日期:2017−11−10
物联网技术专栏 ·124·
1 引言
全球新一轮的工业革命正在孕育兴起,未来制
造业将建立在以互联网和信息技术为基础的网络
平台之上,将更多的生产要素进行更为科学的整
合,使其变得更加自动化、网络化、智能化。美国
GE 公司倡导的工业互联网指利用“智能设备”采
集“智能数据”,利用“智能系统”进行数据挖掘和
可视化展现,形成“智能决策”,为生产管理提供实
时判断参考,反过来指导生产,优化制造工艺
[1]
;德
国的工业 4.0 是制造业互联网化的一个体现,主要
指在“智能工厂”以“智能生产”方式制造“智能产
品”,整个过程贯穿以“网络协同”,从而整合生产
资源、提升生产效率、缩短生产周期、降低生产成
本
[2]
;我国政府相继出台的《中国制造 2025》
[3]
和
《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》
[4]
,
以推进信息化和工业化深度融合为主线,大力发展
智能制造和“互联网+”协同制造,构建工业互联
网条件下的产业生态体系和新型制造模式。
可以说,工业互联网、工业 4.0、中国制造 2025
一脉相承,都面向智能制造力图实现工业制造的纵向
集成、横向集成和端到端集成。在生产制造过程中,
纵向集成是指基于智能工厂中的网络化的制造体系,
实现分散式生产,以替代传统的集中式中央控制的生
产流程,主要体现在工厂内的科学管理上,从侧重于
产品的设计和制造过程,走到了产品全生命周期的集
成过程,建立有效的纵向生产体系,实现从企业管理、
生产执行、生产监控到现场设备的集成,纵向集成的
主要效果是提升效率;横向集成是指传统的供应链、
工厂及销售网络的直线型价值组织方式会逐渐联网,
形成网络制造生态,原来集中的工厂组织模式将发生
改变,工厂不仅仅是智能的,其生产单元也将变得更
为细小,这样才便于实现更为个性化的生产,从而给
产品生产制造的传统工艺带来革命性的影响,其目的
是重构价值生态和创新商业模式;端到端集成包含研
发、原材料采购、物流、仓储、生产、销售、交付和
服务的产品全生命周期流程的灵活集成,尤其是在
一个单一的产业链上完成端到端集成,可以实现产
品的更好体验和利益的最大化,从而提升产业链控
制力,端到端集成是从工艺流程角度审视智能制
造,主要体现在并行制造商,将由单元技术产品通
过集成平台,形成企业的集成平台系统,并朝着工
厂综合能力平台发展。
2 现有工业通信网络系统架构
现有的工业网络系统架构包含 ISA-95 提出的
参考模型
[5]
、Cisco(思科)的信息系统整体框架
及其 CPwE(converged plantwide ethernet archi-
tecture,全厂融合以太网)联合架构
[6]
、美 国 NIST
(National Institute of Standards and Technology,国
家标准与技术研究院)给出的智能制造生态体系
模型
[7]
、德国电工电子与信息技术标准化委员会
的 RAMI 4.0(reference architecture model industry
4.0,工业 4.0 参考架构模型)
[8]
、我国 MIIT
(Ministry of Industry and Information Technology,
工业和信息化部)和 SAC(Standardization Ad-
ministration of the People’s Republic of China,国家
标准化管理委员会)两部委联合发布的《国家智
能制造标准体系建设指南(2015 年版)》(以下
简称“建设指南”)智能制造系统架构
[9]
以及 AII
(Alliance of Industrial Internet,工业互联网产业联
盟)给出的工业互连网络体系架构
[10]
等。
(1)ISA-95 标准参考模型
ISA-95 标准参考模型如图 1 所示,共分为 5 层,
MES(manufacturing execution system,制造执行
系统)仍然在企业业务计划层与底层控制层之间,
处于中间层。其中,第 0 层表示过程,通常指制
造或生产过程;第 1 层表示用来监控和处理这些
过程的人工或传感器以及相应的执行机构;第 2 层
表示手动或自动的控制动作,使过程保持稳定或
处于控制之下;第 3 层表示生产期望产品的工作
流活动,生产过程的协调与优化、生产记录的维
2017301-2
·125· 电信科学 2017 年第 11 期
护等,这是制造运作管理的范围,也就是 MES 关
注的范围;第 4 层表示制造组织管理所需的各种
业务相关活动,包括建立基础车间调度、确定
库存水平以及确保物料适时适量适地进行生
产。第 3 层和第 4 层之间的接口通常是工厂生产
计划和运行管理及车间协调之间的接口。MES 关
注的是企业的制造执行,其主要的功能范围和制造
执行层相对应;同时,MES 也考虑与业务计划层
及过程控制层所选用系统之间的信息交互。
图 1 ISA-95 标准参考模型
(2)思科的 CPwE 联合架构
思科的 CPwE 联合架构如图 2 所示,是一个
从厂房设备到 MES 和业务系统,也包括用户和合
作伙伴的具有可预测性能和系统弹性的端到端的
架构,与主流的工业标准(包括 ISA-95 和 ISA-99)
兼容。CPwE 联合架构主要包含三大块:控制区、
隔离区和企业区,共 6 个层级(0~5 级),企业
区分为企业网络(第 5 级)和业务规划网络和物
流网络(第 4 级),隔离区中未包含任何层级,主
要提供缓存区域用于实现应用和数据的共享,控
制区分为生产运营和控制(第 3 级)、区域控制
(第 2 级)、基本控制(第 1 级)和流程(第 0 级)。
CPwE 可在 0 ~ 2 层级之间实现基于 Ethernet/IP(工
业协议)的网络实时控制及流量隔离和管理,在
第 3 级实现站点操作和控制及多服务网络的安
全管理,在 DMZ(demilitarized zone,隔离区)
实现应用和数据共享、访问控制和威胁防范,
并在 4~5级实现企业 IT集成协作及应用程序优化。
随着无线技术的普及,思科已经将最先进的无线技术
添加到 CPwE 架构中,借助无线技术,可以采用工
业标准 Wi-Fi,将它延伸到控制型应用,并在工厂恶
劣环境中实现无线操作,也可通过移动平板电脑查看
图 2 思科的 CPwE 联合架构
2017301-3
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Unique先森
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