基于TSN與邊緣智能的設備監(jiān)測及管理解決方案

中國聯(lián)通研究院

網(wǎng)絡改造技術篇/前沿技術/工廠內(nèi)網(wǎng)改造

1 概述

隨著我國智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設的推進，傳統(tǒng)以太網(wǎng)逐漸無法滿足工廠實時性的要求，同時工業(yè)現(xiàn)場中設備的控制反饋需求也在增加，而另一方面不同協(xié)議的互通對IT與OT的融合產(chǎn)生了諸多的障礙，企業(yè)客戶需要更為實時、可靠、安全的現(xiàn)場網(wǎng)絡架構和智能邊緣設備訪問方法。

在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡架構中，帶寬通常是由多個設備共享的，而且所有的發(fā)送端沒有基于時間的流量控制，所以發(fā)送端總是選擇盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)幀的策略，這樣來自不同設備的數(shù)據(jù)流就會在時間上產(chǎn)生重疊，所有數(shù)據(jù)流重疊/沖突的部分會遵循QoS優(yōu)先機制進行轉(zhuǎn)發(fā)，就會產(chǎn)生丟包的現(xiàn)象。基于TSN的網(wǎng)絡架構可以解決精準同步和流量調(diào)度的問題，從應用場景來看，需要實時監(jiān)控或是實時反饋的工業(yè)領域都需要TSN網(wǎng)絡，如機器人工業(yè)、深海石油鉆井以及銀行業(yè)等等，TSN還可以用于支持大數(shù)據(jù)的服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

本文提出的方案主要應用于工廠內(nèi)網(wǎng)或園區(qū)區(qū)域網(wǎng)的部署，旨在提升網(wǎng)絡的智能與精準同步性能，可滿足低時延和高控制性能的網(wǎng)絡需求，并實現(xiàn)基于現(xiàn)場云/邊緣云的遠程的設備實時監(jiān)測、控制與反饋。

1.1 背景

在冶金、稀土材料等工業(yè)行業(yè)，由于原材料的稀缺性，其原材料管理與原材料處理工藝對耗損及棒材良率要求更加嚴格，尤其在復合材料熱處理、注塑、表面處理、充磁時對環(huán)境以及加工設備的狀態(tài)有嚴謹?shù)囊?，目前這些環(huán)節(jié)很大程度依賴人工調(diào)節(jié)和現(xiàn)場監(jiān)管。另一方面，隨著工廠信息化和智能化建設的加速，以太網(wǎng)部署已無法滿足目前對網(wǎng)絡高可靠、高控制性能的要求，源數(shù)據(jù)丟失甚至會引起工作人員的誤判，更加可靠、并且滿足實時反饋的網(wǎng)絡成為了智能制造的基礎需求。

1.2 實施目標

本文的方案將通過基于TSN技術的網(wǎng)絡結(jié)構支持工廠內(nèi)多種傳感器的實時監(jiān)測與機械臂或機器人的同步調(diào)度，同時可以支持生產(chǎn)應用中的其他普通流量，實現(xiàn)控制信號和數(shù)據(jù)信號的同網(wǎng)絡調(diào)度。另一方面，節(jié)點網(wǎng)關支持多廠商協(xié)議適配并提供深度協(xié)議解析。

通過提升工廠網(wǎng)絡的同步性能和流量調(diào)度能力，以及與邊緣云/現(xiàn)場云的對接可滿足客戶對園區(qū)范圍內(nèi)從云端對設備的狀態(tài)監(jiān)測與確定性時延的反饋控制。

1.3 適用范圍

本文提出的方案主要應用于工廠內(nèi)網(wǎng)絡，園區(qū)范圍網(wǎng)絡，以及其他需要實時監(jiān)控或?qū)崟r反饋的廣域工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景，例如：智能裝備制造、能源電力、石油與天然氣、軌道交通、車聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)行業(yè)中從事同步精準控制、測量、設備監(jiān)測、設備維護及控制應用的需求。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置

本文提出的方案主要處在工廠內(nèi)部網(wǎng)絡以及相類似的網(wǎng)絡（例如車聯(lián)網(wǎng)的車內(nèi)部網(wǎng)絡等）中的物理層和鏈路層，并與邊緣云/現(xiàn)場云對接，實現(xiàn)網(wǎng)絡和邊緣計算的雙彈性配置，以實現(xiàn)從云端對設備的精準時延控制與狀態(tài)監(jiān)測，處于圖1中的第1節(jié)，后續(xù)的應用擴展也可以覆蓋到第3、5、6、7節(jié)，滿足智能工廠內(nèi)部的通信以及管理需求。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

2 需求分析

本文的方案是江西某企業(yè)智慧工廠的網(wǎng)絡部分，其制造流程中主要包含的設備有真空爐，鑄錠磨粉機床，熱處理熔爐，機加工（含機械臂機器人）以及各類傳感器（濃度、溫度、熱敏、光敏等）。網(wǎng)絡部署需滿足工業(yè)傳感器的實時感知，以達到對設備和環(huán)境的監(jiān)測，以及機械臂或機器人的確定性時延的同步調(diào)度。

3 解決方案

3.1 方案介紹

本文的方案主要針對于工業(yè)企業(yè)所面臨的分布式設備的狀態(tài)監(jiān)控實時反饋等問題，利用時間敏感網(wǎng)絡（TSN）和邊緣計算能力對工廠網(wǎng)絡性能進行升級，克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)同步精度不高，不能滿足工廠精準控制場景需求等，同時結(jié)合邊緣智能設備將海量的設備信息和流程管理等信息進行協(xié)議深度解析和匯聚整合，為后續(xù)大數(shù)據(jù)和人工智能分析提供數(shù)據(jù)基礎，充分挖掘潛在數(shù)據(jù)價值，釋放潛能，幫助工業(yè)企業(yè)提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提供智慧參考決策。

3.2 系統(tǒng)架構

本方案提出的系統(tǒng)架構圖如下圖所示：

圖2 系統(tǒng)架構圖

主要包含以下要素：

1）邊緣節(jié)點—智能邊緣設備，可讓從幾乎任何傳感器和任何類型的資產(chǎn)收集傳感數(shù)據(jù)，主要負責數(shù)據(jù)采集，原始數(shù)據(jù)分析，管理觸發(fā)保存的報警和狀況評估，板載文件管理以及儀器健康狀況的自我監(jiān)測。該設備支持TSN，設備間通過TSN技術實現(xiàn)設備的時鐘同步及流量管理，可大大提高時間同步的精準度。

2）系統(tǒng)軟件—服務器端：在服務器端完成監(jiān)控設備的系統(tǒng)管理和通信，同時允許用戶指定監(jiān)視設備的配置，提供在本地理解數(shù)據(jù)所需的可視化工具，整體管理數(shù)據(jù)量。

3）IT基礎架構—來自各個服務器的數(shù)據(jù)匯聚到企業(yè)應用程序中，以實現(xiàn)廣泛的知識挖掘。可將數(shù)據(jù)分享或部署到云端，與邊緣節(jié)點進行配合，邊緣處理數(shù)據(jù)，云端實現(xiàn)模型的優(yōu)化與重建，實現(xiàn)邊緣與云的協(xié)同；基于匯聚數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)與人工智能分析，釋放數(shù)據(jù)價值。

3.3 網(wǎng)絡拓撲設計

圖3 網(wǎng)絡拓撲設計

? 設備感知層：主要包含工廠內(nèi)所涉及的各種生產(chǎn)設備、傳感器、邏輯控制器件等。

? 智能邊緣設備：支持TSN技術，主要用于底層的數(shù)據(jù)采集，可以兼容當前的主流工業(yè)協(xié)議。

? 工業(yè)控制器：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，分析等功能，具有一定的邊緣計算能力，主要是配合智能邊緣設備完成數(shù)據(jù)的采集分析功能。

? 交換機：完成底層數(shù)據(jù)的匯聚，同樣支持TSN技術，可以實現(xiàn)分布式設備間的時間精準同步。

? 交換機殼保護（堡壘機）：基于安全的考量，對交換機進行流量審計和殼保護，并在應用管理平臺中進行身份驗證和登陸日志管理。

? 企業(yè)管理系統(tǒng)：實現(xiàn)工廠生產(chǎn)經(jīng)營管理，這部分可以直接對接云平臺，在云平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的積累和模型的優(yōu)化。

3.4 功能設計

1）時間精準同步

所有的設備都支持TSN，通過TSN技術的引入，可以大大提升分布式設備的時間同步精度，提升機器設備間的生產(chǎn)控制協(xié)同，降低故障率，提高生產(chǎn)效率。

2）保證關鍵數(shù)據(jù)實時傳輸

TSN技術技術的引入，確保當網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時，優(yōu)先保證關鍵數(shù)據(jù)的按時傳輸，實現(xiàn)設備機器的實時精準控制，應對未來海量設備的接入。

3）邊緣與云協(xié)同

工業(yè)控制器具有一定的邊緣計算能力，可以實現(xiàn)一些數(shù)據(jù)的快速本地化處理，同時配合云平臺，依靠數(shù)據(jù)的積累，在云端對數(shù)據(jù)處理模型進行優(yōu)化，實現(xiàn)邊緣與云的協(xié)同。

4）實現(xiàn)企業(yè)上云

云平臺將傳統(tǒng)的分布式工業(yè)設備和生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)進行集中匯聚融合，并有效地整合和管理這些廣泛不熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，實現(xiàn)企業(yè)向云端的遷移，通過大數(shù)據(jù)的匯聚處理，幫助企業(yè)提升效率，做出最優(yōu)決策。

3.5 安全及可靠性

1）硬件設備的堅固性，能適應惡略測試環(huán)境。-40到70°C的工作溫度，50 g抗沖擊、5 g抗振動工作

2）星型總線拓撲結(jié)構故障診斷和隔離容易。中央節(jié)點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網(wǎng)。

3）基于TSN的同步方式減少額外冗余的連線，同步精度不受線纜長度影響。

4）利用白名單技術使用交換機殼保護，對工廠關鍵區(qū)域進行流量審計和監(jiān)測。

4 成功案例

本文的網(wǎng)絡方案可滿足智聯(lián)工廠、設備管理、現(xiàn)場實時排程等場景中企業(yè)客戶需要更為實時、可靠、安全的現(xiàn)場網(wǎng)絡架構和智能邊緣設備訪問需求，可為企業(yè)工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡提供精準同步、流量調(diào)度方案，并可對設備進行狀態(tài)監(jiān)測，管理等。