［陳三龍 方慧霆］

1 引言

十四五規(guī)劃提出要深入實施制造強國戰(zhàn)略，深入實施智能制造和綠色制造工程，建設(shè)智能制造示范工廠。眾多的傳統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)正在努力地向著智能工廠的方向進行轉(zhuǎn)型，打造智能工廠需要一系列的智能化改造，因此對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)也有了更高的要求。工業(yè)PON 作為一種新的技術(shù)，可以提供更大帶寬、更低的時延，同時做到統(tǒng)一承載、簡化網(wǎng)絡(luò)、降低維護難度。本文基于工業(yè)PON 技術(shù)，結(jié)合一個傳統(tǒng)企業(yè)的廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)需求，提出了相應(yīng)的解決方案。

2 傳統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)的智能工廠網(wǎng)絡(luò)升級需求

傳統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)存在的痛點包括：

（1）組網(wǎng)復(fù)雜，生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)割裂，不同網(wǎng)絡(luò)功能單一，網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)困難。

（2）設(shè)備種類多，各種設(shè)備的工業(yè)通信協(xié)議各異，協(xié)議的差異性造成了工廠內(nèi)的信息孤島，大量的數(shù)據(jù)都沉在設(shè)備下面，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

（3）擴容困難，工廠業(yè)務(wù)發(fā)展過程中不斷有設(shè)備提出接入需求，使得網(wǎng)絡(luò)鏈路承載能力不足，但傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機網(wǎng)絡(luò)升級擴容難度大，投資高。

對于傳統(tǒng)企業(yè)而言，如果希望升級到智能工廠主要需要在數(shù)字化轉(zhuǎn)型、自動化和智能化生產(chǎn)、生產(chǎn)計劃和調(diào)度、設(shè)備和資產(chǎn)監(jiān)控和維護、能源管理優(yōu)化等方面進行全面的改進[1]。需要一個全新的網(wǎng)絡(luò)去實現(xiàn)車間與工廠、工廠與企業(yè)之間不同層次、不同類型的設(shè)備與系統(tǒng)間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同層級、不同設(shè)備、不同系統(tǒng)間的傳輸。這個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備以下特性：

統(tǒng)一性：統(tǒng)一承載，實現(xiàn)各個層級、不同設(shè)備及系統(tǒng)的互通。

穩(wěn)定性：智能工廠需要網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定運行，確保生產(chǎn)線的正常運行和各種自動化設(shè)備的實時數(shù)據(jù)傳輸。

高速性：智能工廠需要處理大量的數(shù)據(jù)和信息，因此需要網(wǎng)絡(luò)能夠提供高速傳輸和低延遲網(wǎng)絡(luò)。

安全性：智能工廠涉及大量的自動化設(shè)備和數(shù)據(jù)信息，因此需要網(wǎng)絡(luò)具備足夠的安全性，包括對網(wǎng)絡(luò)攻擊和病毒的防范和抵御能力，以確保工廠生產(chǎn)過程的安全可靠[2]。

可擴展性：智能工廠的生產(chǎn)線和自動化設(shè)備數(shù)量可能不斷變化，因此需要網(wǎng)絡(luò)能夠支持靈活擴展和快速配置，以適應(yīng)工廠不斷變化的需求。

3 工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介

工業(yè)PON 是來源于公網(wǎng)已經(jīng)成熟應(yīng)用的PON 標準體系，除了具有原有的大帶寬、易擴容的特性外，在此基礎(chǔ)上對工業(yè)生產(chǎn)所需的能力方面做了加強[3]。從而可以為生產(chǎn)企業(yè)提供在工業(yè)生產(chǎn)場景中的各種數(shù)據(jù)采集解析、大帶寬、確定性網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)切片等網(wǎng)絡(luò)能力。后期可以結(jié)合企業(yè)的信息化部署，實現(xiàn)邊緣計算等更高級功能。實現(xiàn)“人、機、物”全面互聯(lián)[9～11]。其架構(gòu)圖見圖1。

圖1 工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖[4]

主要技術(shù)特點[4～7]：

（1）支持多種工業(yè)接口：FE 電接口、GE 電接口、10GE 電接口、10GE光接口、RS485/232、開關(guān)量、CAN、CVBS、POTS、USB、WiFi、LowPAN 和藍牙等。

（2）支持多種工業(yè)控制協(xié)議：可對包括Profibus、Modbus、CC-link、Profinet、EthernetIP 等多種工業(yè)協(xié)議標準的工業(yè)數(shù)據(jù)進行采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

（3）提供可選的邊緣計算能力：可以通過OLT 側(cè)增加板件，實現(xiàn)防工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲功能等，也可以實現(xiàn)防火墻、網(wǎng)絡(luò)流量判別分析等三層網(wǎng)絡(luò)功能。

（4）支持確定性時延：支持TSN 體系中時間同步、時延保障、可靠性、資源管理等一種或者多種協(xié)議和功能。通過DBA、單幀多burst 上行調(diào)度機制[8]、PQ 調(diào)度等技術(shù)，實現(xiàn)TSN 保證時延功能。

（5）工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性：在惡劣的溫度、濕度、大氣壓力、鹽霧、霉變等特殊環(huán)境能夠正常工作。

4 某企業(yè)廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)改造方案

4.1 業(yè)務(wù)需求分析

某企業(yè)主要從事生產(chǎn)印制電路板業(yè)務(wù)，目前廠區(qū)有2個網(wǎng)絡(luò)，包括辦公網(wǎng)絡(luò)、園區(qū)管理網(wǎng)絡(luò)。辦公網(wǎng)絡(luò)、園區(qū)管理網(wǎng)絡(luò)等均為100/1000M 交換機組網(wǎng)。生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)主要是各種機器的總線連接，沒有形成真正的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。目前網(wǎng)絡(luò)主要問題：

（1）原有辦公網(wǎng)絡(luò)設(shè)備老化，經(jīng)常閃斷，而且人員分布比較分散，大量的交換機維護起來比較麻煩。

（2）園區(qū)管理智能化要求新增300 個高清攝像頭，分布在園區(qū)不同位置，目前沒有網(wǎng)絡(luò)資源。

（3）工廠智能化改造，原有網(wǎng)絡(luò)無法承載，需要新的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)支持。

業(yè)主提出的需求包括：

（1）生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)：光纖到桌面，千兆接入。

（2）園區(qū)管理網(wǎng)絡(luò)：攝像頭300 個，其中球機攝像頭200 個，槍機攝像頭100 個。

（3）生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)：目前工廠智能化改造提出了能源管理、機器視覺、設(shè)備維護3 大功能，需要新建網(wǎng)絡(luò)進行配合。

①能源管理，利用Lora 等技術(shù)，建設(shè)或升級能耗管理系統(tǒng)，通過對傳統(tǒng)電表、水表等數(shù)據(jù)采集終端進行數(shù)字化升級改造。實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備與各類數(shù)據(jù)采集終端的網(wǎng)絡(luò)化，通過Lora 及工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)回傳遠程實時獲得生產(chǎn)現(xiàn)場各類終端數(shù)據(jù)能耗，實現(xiàn)對現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備的正常運行進行控制。

② 機器視覺，視覺應(yīng)用系統(tǒng)，在生產(chǎn)現(xiàn)場部署高清攝像頭、工業(yè)相機或激光器掃描儀等質(zhì)檢終端，實時采集產(chǎn)品質(zhì)量的高清圖像、實時前端視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)采集環(huán)境、人員動作、設(shè)備運行等監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)傳送至邊緣服務(wù)器或應(yīng)用系統(tǒng)管理服務(wù)器，系統(tǒng)基于人工智能算法模型進行實時分析，對比系統(tǒng)中的規(guī)則或模型要求，對PCB 板的外觀（形狀、平整度、色澤、開短路瑕疵）、尺寸（長度、寬度、高度）、線寬、異物附著等進行自動檢測識別，判斷物料或產(chǎn)品是否合格，實現(xiàn)缺陷實時檢測與自動報警，并有效記錄瑕疵信息，輔助開展產(chǎn)品質(zhì)檢，提高檢測效率，為質(zhì)量溯源提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

③設(shè)備維護，在生產(chǎn)現(xiàn)場的工業(yè)設(shè)備，以及攝像頭、傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測終端設(shè)備等數(shù)據(jù)采集終端上內(nèi)置WIFI工業(yè)網(wǎng)關(guān)，通過工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)實時采集生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備運行狀態(tài)、工序完成情況等相關(guān)數(shù)據(jù)，回傳至生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，對生產(chǎn)活動進行高精度識別、自定義報警和區(qū)域監(jiān)控，實時提醒異常狀態(tài)。實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的全方位智能化監(jiān)測和管理，為安全生產(chǎn)管理提供保障。并綜合運用統(tǒng)計、規(guī)劃、模擬仿真等方法，將生產(chǎn)現(xiàn)場的多臺設(shè)備按需靈活組成一個協(xié)同工作體系，對設(shè)備間協(xié)同工作方式進行優(yōu)化，提高設(shè)備利用效率，降低生產(chǎn)能耗。

各種業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求如表1 所示。

表1 廠區(qū)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)需求表

4.2 工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

根據(jù)企業(yè)需求，考慮將原辦公網(wǎng)和園區(qū)管理網(wǎng)合設(shè)，降低成本和管理難度。生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)單獨設(shè)置，保證網(wǎng)絡(luò)安全及性能[9]。采用基于GPON 技術(shù)的工業(yè)PON 進行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2 所示。

圖2 工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

（1）辦公及園區(qū)管理網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)拓撲中主要采用主干光纖保護倒換模式，對OLT 的PON 口及主干光纖進行備份保護，提高了系統(tǒng)的安全性。

①廠區(qū)日常辦公場景，光纖部署到桌面，采用政企客戶類ONU 設(shè)備，提供以太網(wǎng)、POTS 等物理接口，提供千兆接入及電話能力。用于OA、ERP 等系統(tǒng)應(yīng)用和日常有線通信。

② 園區(qū)管理場景，在停車場、道路、圍墻、大樓公共區(qū)域部署工業(yè)PON 終端ONU。提供以太網(wǎng)或POE 接口，用于承載安防監(jiān)控、邊界安防、停車管理、一卡通、安全巡查等弱電系統(tǒng)。ONU 主要安裝在室外，需要滿足防水、防塵和防雷等相關(guān)要求。

（2）生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，對安全可靠性要求更高，因此在網(wǎng)絡(luò)拓撲中生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)采用了全光纖保護倒換模式（TYPE D 方式），對OLT 的PON 口、ONU 的PON 口、光分路器和全部光纖進行備份保護，提供了極高的安全性。光纖部署到需要智能系統(tǒng)的機器附近（FTTM）[9～10]。

①能源管理場景，結(jié)合數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的部署設(shè)置ONU，通過以太網(wǎng)與工業(yè)網(wǎng)關(guān)相連接，將采集到的數(shù)據(jù)及時上傳。

② 機器視覺配置以太網(wǎng)接口的ONU，將超高分相機的數(shù)據(jù)回傳，同時通過配置固定速率的帶寬通道，滿足實時性、大帶寬的需求。

③設(shè)備維護場景在廠房合適位置安裝帶WIFI 模塊的ONU，采集設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)并回傳。實現(xiàn)對被檢測機器實時進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和告警處理，監(jiān)控設(shè)備損耗以及設(shè)備零部件的使用狀態(tài)進行實時監(jiān)測和健康程度預(yù)警。

同時生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同業(yè)務(wù)的特點和要求，設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)切片做業(yè)務(wù)隔離，保證數(shù)據(jù)安全性。

4.3 建設(shè)效果分析

通過工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)的改造，廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)得到全面升級，同時網(wǎng)絡(luò)性能也有了明顯的提高。

（1）全光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一承載，簡化了整個內(nèi)部網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，取消了大量的匯聚交換機，降低了運維成本。

（2）高性能網(wǎng)絡(luò)，全光網(wǎng)的建設(shè)方式，可以提供帶寬最高下行1 Gbit/s，時延＜1.5 ms，長時間運行無丟包優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。同時可以提供基于時隙的硬隔離，保護各種工業(yè)數(shù)據(jù)安全。

（3）高可靠性，提供光纖及設(shè)備端口等安全備份，可實現(xiàn)50 ms 的倒換。

（4）各種現(xiàn)場設(shè)備的多種不同協(xié)議可以直接接入網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一承載。解決了工廠智能化改造提出了能源管理、機器視覺、設(shè)備維護三大應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求，為工廠的智能化管理和運營提供了有效支持。

（5）更高的環(huán)境適應(yīng)性，由于工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)在接入段均為無源系統(tǒng)，可抵御各種復(fù)雜的電磁干擾，更能適應(yīng)復(fù)雜的工廠車間環(huán)境。同時由于使用光纖布線，走線空間僅需傳統(tǒng)網(wǎng)線1/10，大大降低了施工難度。

（6）可擴展性，光纖使用壽命長達20～30 年，未來可根據(jù)技術(shù)發(fā)展帶寬從1Gbit/s-＞10Gbit/s-＞50Gbit/s 演進而不需要重新布線[11]。

5 結(jié)束語

2023 年工信部發(fā)布了通信行標《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)用技術(shù)無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）設(shè)備技術(shù)要求》，標志著工業(yè)PON 技術(shù)已經(jīng)成熟并進入應(yīng)用階段。本文對工業(yè)PON 的技術(shù)特點、適用場景進行了研究，并結(jié)合實際的工廠案例，對工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的部署和應(yīng)用進行了探索。應(yīng)該看到工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)雖有自身的優(yōu)勢，但工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)仍有差距，主要表現(xiàn)在跨領(lǐng)域與工控系統(tǒng)協(xié)同互通仍存在一定的行業(yè)壁壘、確定性傳輸性能（低時延低抖動）仍需進一步優(yōu)化。未來需要與用戶企業(yè)一起進一步研究如何在協(xié)議統(tǒng)一、接口互通和在不同場景下的確定性傳輸要求等方面進行改進。