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工业互联网改造工厂网络连接的两层三级

2022-01-26 来源:内江机械信息网

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工业互联网,打破了企业内部的信息孤岛,实现数据的跨系统互通,促进各种工业数据的充分流动和无缝集成,在物联网、传感技术、云计算、大数据等新技术的使能之下,实现制造业的自动化、数字化和智能化。

工业中网络连接由来已久,可以追溯到1950年工厂内部的单机数控,之后又有了工控系统。随着ERP(Enterprise Resource Planning,企业资源计划)、MES(Manufacturing Execution System,制造企业生产过程执行系统)的集成,逐渐融合了更多的新兴技术,工业也开始从最初的单点信息技术应用向全面的数字化、网络化、智能化变革。2012年底,通用电气(GE)提出了工业互联网的概念。而我国于2013年8月,工信部颁布《信息化与工业化融合专项行动计划》,促进两化融合。

一 ?工业领域网络连接的现状

工业领域内已广泛存在各种网络连接技术,这些技术分别针对工业领域的特场景进行设计,并在特定场景下发挥了巨大作用和性能优势,但在数据的互操作和无缝集成方面,往往不能满足工业互联网日益发展的需求。

1、工业的IT网络

我国工厂的IT网络,主要指的是基于互联网的网络应用。IT网络由管理业务数据、支撑管理流程的技术、系统和应用程序组成。这些管理的应用程序包括ERP、MES、EAM、WMS等。以下是一个典型的工业企业的IT网络架构。

2、工业的OT网络

OT网络是由管理生产资产、保持顺畅运营的技术、系统和应用程序组成。这些管理的应用程序包括PLC、PCD、SCADA、SIS、数据历史和网关等等。以下是典型的OT网络架构:

二 ?工业网络连接的两层三级

IT网络和OT网络,在工业互联网之前是分属不同的管理者管理,IT通常报告给CIO(Chief Information Officer首席信息官),而OT通常报告给COO( Chief Operating Officer首席运营官),这样IT和OT在一个企业内就成了两张皮。

工业互联网按我国的说法“两化融合”,就是要将IT(信息化)和OT(工业化)这两化融合,并且国家早在2008年就将工业部和信息产业部合二为一,成立了工业和信息化部。笔者不知道有多少人知道这两个部为什么要这么合并?反正当时身处IT的笔者对此很迷惑,内心腹诽了许久,当时想,就是合并文化部也比工业部靠谱呀,毕竟文化也是信息的产物呀。扯远了,不过后来知道了积极响应国家号召是没错的,国家的考量都是具有深远意义的。

工厂内网络呈现“两层三级”“两层”是就是指以上所述的“IT 网络”和“OT 网络”两层

技术异构的网络;“三级”是指根据目前工厂管理层级的划分,网络也被分为“现场级”、“车间级”、“工厂级/企业级”三个层次,每层之间的网络配置和管理策略相互独立。

1、工厂内网络三个层级的网络连接

(1)现场级网络连接

工业现场总线被大量用于连接现场检测传感器、行器与工业控制器。近年来,虽然已有部分支持工业以太网通信接口的现场设备,但仍有大量的现场设备依旧采用电气硬接线直连控制器的方式连接。在现场级,无线通信只是部分特殊场合被使用,存量很低。这种现状造成工业系统在设计、集成和运维的各个阶段的效率,都受到极大制约,进而阻碍着精细化控制和高等级工艺流程管理的实现。

(2)车间级网络连接

车间级网络通信主要是完成控制器之间、控制器与本地或远程监控系统之间,以及控制器与运营级之间通信连接。这部分主流是采用工业以太网通信方式,也有部分厂家采用自有通信协议进行本厂控制器和系统间的通信。当前已有的工业以太网,但不同工业以太网协议间的互联性和兼容性限制大规模网络互联。

(3)工厂级网络连接

工厂级的网络IT 网络通常采用高速以太网以及TCP/IP进行网络互联。

2、工厂内网络连接的问题

问题一:“两层三级”网络架构严重影响着信息互通的效率

随着大数据分析和边缘计算业务的对现场级实时数据的采集需求,OT 网络中的车间级和现场级将逐步融合(尤其在流程行业),同 时 MES 等信息系统向车间和现场延伸的需求,推动了 IT 网络与OT 网络的融合趋势。

问题二:传统工业网络依附于控制系统

传统工业网络基本上依附于控制系统,主要实现控制闭环的信息传输,而新业务对工业生产全流程数据的采集需求,促使工厂内网络将控制信息和过程数据的传输并重。

问题三:三层两级架构中间仍是隔离的

为了信息安全,IT和OT两层之间会采用物理防火墙隔离,甚至在OT内部即现场和车间还采用一层物理割裂,这导致现在工厂中互联网仅用于商业信息交互,企业信息网络难以延伸到生产系统,大量的生产数据沉淀、消失在工业控制网络。

三 ?工业互联网将IT和OT融合

随着物联网、传感技术、云计算、大数据等的发展,OT与IT技术的融合正在不断深入。传统模式下,出于安全性考虑,工厂自动化设备是被隔离保护起来的。而IT技术的发展,使得对自动化设备的数据采集、分析、存储开始向外部转移,如转移到各种工业互联网平台。近几年,工业互联网平台逐渐向云端发展,也被更多的工业企业接受。通过工业物联网平台,IT与OT在工业领域的边界变得模糊,逐步走向深入融合。

工业互联网把整个工业系统连接起来,实现数据在这些设备及系统之间流动,实现为人、机、物全面互联,促进各种工业数据的充分流动和无缝集成,通过网络化,围绕生产经营,形成一个系统化的智能体系。

工业互联网解决IT和OT融合,具备以下功能:

1、识别、验证和连接所有设备和机器

系统内的所有设备,无论是在工厂内还是在现场,都应得到确认。只有经过批准的设备和系统才能相互通信。这将减少黑客攻击、将不受信任的设备插入网络以及减少对任何系统或机器的不受信控制等风险。

2、安全性

加密IT与OT设备之间的所有通信,将确保中继数据的保密性。

3、数据完整性

确保从这些系统生成的数据的完整性,是一个高度优先事项。虽然智能分析是采用IIoT的主要驱动因素,但如果数据不准确,这些都是毫无价值的。启用这些软件和固件的远程升级将有助于确保它们的完整性。

四 结语

工业互联网,打破了企业内部的信息孤岛,实现数据的跨系统互通,促进各种工业数据的充分流动和无缝集成,在物联网、传感技术、云计算、大数据等新技术的使能之下,实现制造业的自动化、数字化和智能化。

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