IP网络系列丛书 高品质高可靠工业园区网络解决方案-华为2024

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高品质高可靠工业园 区网络解决方案 主编 : 赵亮、崔云龙 版权声明 主编 : 赵亮、崔云龙 主要参与人员 : 吴彦君、张印熙 、杨庆平 发布日期 : 2024-02-28 发布版本 : 01 版权所有©华为技术有限公司 2025。 保留一切权利。 非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。 商标声明 和其他华为商标均为华为技术有限公司的商标。 本文档提及的其他所有商标或注册商标，由各自的所有人拥有。 注意 您购买的产品、服务或特性等应受华为公司商业合同和条款的约束，本文档中描述的全部或部分产品、服务或特性可 能不在您的购买或使用范围之内。除非合同另有约定，华为公司对本文档内容不做任何明示或默示的声明或保证。 由于产品版本升级或其他原因，本文档内容会不定期进行更新。除非另有约定，本文档仅作为使用指导，本文档中的 所有陈述、信息和建议不构成任何明示或暗示的担保。 i 前言 前言 主编简介 赵亮，华为数据通信产品线工业园区解决方案架构师，2011 年加入华为，具有多年 数据通信产品与解决方案测试和架构设计经验，主导多个企业的网络架构设计和顶层 方案设计。 崔云龙，华为数据通信数字化信息和内容体验部资料工程师，具有多年数据通信产品 与解决方案资料开发经验。 本书内容 本书介绍了工业园区网络在数字化、智能化发展进程中面临的挑战以及网络架构演进 的趋势，明确了目标网络建设的要求，涵盖了工业园区生产网、泛工业生产网的网络 架构和部署场景。本书对方案的架构、价值、关键技术以及各场景下的典型应用分别 进行了介绍。 ii 前言 读者对象 本书适合企业的中高层管理人员和网络规划工程师，以及对工业园区网络解决方案感 兴趣的读者阅读。 符号约定 对正文中重点信息的补充说明。“说明”不是安全警示信息，不涉及人 身、设备及环境伤害信息。 表示如不避免则可能导致轻微或中度伤害的具有低等级风险的危害。 iii 目录 目录 第 1 章 工业园区网络架构发展趋势 ................................................................................. 1 1.1 工业园区网络面临的挑战 ........................................................................................ 1 1.2 工业园区网络架构演变趋势 .................................................................................... 3 第 2 章 解决方案架构 ......................................................................................................... 5 2.1 方案简介 ....................................................................................................................... 5 2.2 方案架构 ....................................................................................................................... 9 2.3 方案价值 .................................................................................................................... 12 第 3 章 解决方案关键技术 ............................................................................................... 14 3.1 确定性 ........................................................................................................................ 14 3.2 高可靠 ........................................................................................................................ 19 3.3 无线化 ........................................................................................................................ 23 3.4 智能化 ........................................................................................................................ 27 iv 目录 第 4 章 行业典型应用 ....................................................................................................... 33 4.1 汽车行业应用 ........................................................................................................... 33 4.2 半导体行业应用 ....................................................................................................... 35 4.3 交通行业应用 ........................................................................................................... 37 4.4 矿山行业应用 ........................................................................................................... 39 第 5 章 总结与展望 ........................................................................................................... 43 1 工业园区网络架构发展趋势 第1章 工业园区网络架构发展趋势 摘要 本章主要介绍了工业园区网络面临的挑战，同时分析基于这些挑战和 网络诉求变化带来的机遇，系统介绍了网络架构的演变趋势及目标网络架 构。 1.1 工业园区网络面临的挑战 工业园区网络作为关键基础设施，为各种工业数据、产品数据和应用数据的全流程流 转和无缝集成起到关键作用。为了满足工业网络的需求，传统的网络技术面临新的挑 战，如工业领域的自动化控制场景需要解决端到端的确定性传输问题、网络的运维管 理需要满足工业的部署场景要求。 ⚫ 网络对确定性时延要求越来越高 2 工业园区网络架构发展趋势 传统以太/IP 网络主要服务于办公互联网、消费互联网，基本没有考虑工业领域 的自动化控制、运动控制等场景，在数据传输的时延、抖动、可靠性等方面需要 有新的技术突破，才能满足工业网络的严格要求。比如，现场级的自动化控制系 统对确定性的数据传输时延要求非常严格，在一些高精度机床上的运动控制的指 标甚至要求达到 1ms 以下。 ⚫ 各类终端的无线化接入需求愈发强烈 各行业例如工业、电力等都在以未来提高灵活性和多功能性、改善资源效率及成 本效益为主要目标。无线通信可以解决有线的部署和维护问题，降低部署和维护 成本，可以支持更高的移动性，更方便产线的灵活配置。随着其通信性能越来越 接近有线通信性能（例如低时延、高可靠等），越来越多的应用将采用无线的方 式进行通信，尤其在未来的智能工厂将采用灵活的模块化生产系统，而不是静态 顺序生产系统，这包括更多的设备移动和多功能生产资产，这就需要强大而有效 的无线通信技术和本地化服务。 ⚫ 网络的可靠性要求显著提升 传统的园区以太/IP 网络主要服务于办公网络，虽然在可靠性方面具有一定的能 力，但是面向工业生产还需要进一步增强这些能力。传统园区的办公、视频监控 等业务对可靠性要求不高，亚秒级甚至秒级故障倒换即可满足要求。工业现场的 控制业务往往都在毫秒级，这样就要求保护倒换要更快，甚至要达到亚毫秒级。 ⚫ 运维管理需要更加智能 随着社会经济的发展、科技的进步，工业生产的规模越来越大，复杂性也越来越 高，需要联接的人、机、物越来越多。据测算，2030 年全球联接数将增加到 3000 亿。与此同时，工业生产领域的少人化、无人化发展促进了机器人、机器 视觉、视频监控等新业务的广泛应用，这对工业网络也提出了更高的要求，不仅 需要带宽更大、时延更短、抖动更小，也要求更易运维管理。工业网络运维管理 的一个基本原则就是“0”工作量，即简单直接，不能给工业生产带来额外的负 担。未来的工业网络需要满足如下要求： − 工业终端要做到即插即用，“0”配置。这势必要求未来的工业终端遵循一 个开放、标准的协议体系。 3 工业园区网络架构发展趋势 − 工业网络必须是服务化的软件定义网络。通过网络控制器的北向接口开放， 按需提供自动化的联接服务，实现机器与人、机器与机器之间的无缝联接 和业务与网络的融合。 − 网络的数字孪生是智慧工厂数字孪生的一部分，采用随流网络测量、大数 据分析、智能化预测等新技术，预测故障的可能发生点，提前消除风险、 快速解决问题，降低运维复杂度。 1.2 工业园区网络架构演变趋势 工业园区网络技术的进展比较缓慢，一直沿用基于 ISA-95 架构的分层网络。中国信 通院在 2021 年 12 月发布的《中国工业互联网产业发展报告》中指出工业园区网络 要融合数据感知、互联互通、智能分析等能力，带动传统产业升级并衍生新产业。从 传统工业信息化、自动化体系，重新定义工业互联网产业体系目标演进架构。 随着生产业务上云、生产控制远程集中化以及边缘算力下沉，工厂 IT 和 OT 进一步 走向融合互通，架构进一步扁平化。新一代工业园区网络在数据流转方面，不再是垂 直体系的数据传送，控制器不再是数据流转的瓶颈。原有的分层、分级体系架构打破 之后，智能机器之间将逐渐实现直接的横向互联。如图 1-1 所示，工业园区网络从传 统的“两层三级”结构，演变为一张扁平化、IT/OT 融合的网络。 4 工业园区网络架构发展趋势 图1-1 传统 ISA-95 架构的工业网络 VS 新工控架构的工业网络 新一代工业园区架构是真正实现 IT 和 OT 数据融合的架构，其目标就在于追求开放 的、标准的、统一的、智能计算为中心的全栈融合技术框架。通过构建开放解耦、可 独立分层演进工业通信协议，从根本上解决了工控领域的封闭、垄断等问题。 5 解决方案架构 第2章 解决方案架构 摘要 本章主要介绍高品质高可靠工业园区网络解决方案的总体架构，描述 了目标网络组网架构，并结合业务需求解读方案价值。 2.1 方案简介 高品质高可靠工业园区网络架构需要具备“设备网联化”、“联接宽带化”、“网络智能 化”以及“网安一体化”的先进特征，解决工业现场信息互联互通问题，保证网络传 输的确定性、可靠性。所以如图 2-1 所示，先进工业网络需要具备以下五个特征：确 定性、高可靠、大带宽、无线化以及智能运维。 6 解决方案架构 图2-1 先进工业网络五个特征 要满足如上五大特征，工业园区网络需要采用网络切片、TSN（Time Sensitive Networking，时间敏感网络）、Wi-Fi 6（Wireless Fidelity 6，第六代无线网络技术）、 Wi-Fi 7（Wireless Fidelity 7，第七代无线网络技术）、智能运维等技术，为智能制造、 矿山能源、交通、电力等各个工业园区场景提供 IT/OT 确定承载、有线无线泛在接入 的新型工业网络，打造工业生产的统一网络底座。同时结合 SDN（Software 7 解决方案架构 Defined Network，软件定义网络）、随流检测和大数据分析技术，使工业网络具备 自动化部署和智能化运维能力，极大简化网络部署难度，提升网络运维效率，让工业 网络中再无“网络孤岛”，其网络逻辑架构如图 2-2 所示。 图2-2 高品质高可靠工业园区网络解决方案逻辑架构 ⚫ 终端层 终端层是工业生产环境中的各类终端，包括摄像头、矿车、AGV（Automated Guided Vehicle，自动引导运输车）等。 ⚫ 现场接入层 8 解决方案架构 现场接入层是部署在生产作业现场的网络，用于接入现场的各类终端。根据通信 方式又分为现场无线接入网络和现场有线接入网络： − 现场无线接入网络 现场无线接入网络主要为有线部署困难或者有移动通信需求的终端提供 Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真）、蓝牙、ZigBee 等接入能力，满足 接入 AGV、扫码枪以及物联传感器终端的需求。同时，通过多跳 Wi-Fi Mesh，可以实现长距离、大带宽无线数据传输。 − 现场有线接入网络 现场有线接入网络主要通过有线方式连接工业现场控制和监控的各类终端， 如装备机台、PLC、智能 IO、摄像头和各类传感器等。一般部署在工业运 行的现场，如矿山的采掘面、工厂的产线、隧道沿线等位置，环境较为恶 劣，需要设备具备自然散热、宽温、冗余电源、万兆上行等能力。 ⚫ 骨干网络层 骨干网络层主要连接各个生产作业现场的网络，实现工业控制、生产管理等业务 在生产现场、生产管理区之间的连接，同时提供与外部办公网络的互通能力，如 厂区内部不同车间之间的骨干网络。骨干网络一般部署在机柜或机房等环境较好 的位置，对工业环境的要求比较弱，也有部分场景部署环境较恶劣，需要工业级 网络设备。 ⚫ 平台层 平台层是实现工业生产网络的“大脑”，负责整个工业生产网络的自动化部署和 智能运维，一般部署在生产网络的数据中心服务器中。 ⚫ 应用层 应用层是指工业生产中使用的各类系统，如集中部署的 vPLC（Virtualized Programmable Logic Controller，虚拟化可编程逻辑控制器）、SCADA （Supervisory Control and Data Acquisition，监控与数据采集）等。 9 解决方案架构 2.2 方案架构 不同行业的工业网络部署方案差异大，有各自的特点。例如，汽车工厂主要是在工业 园区内，面积一般不超过数平方公里，网络建设较为密集；矿山采掘则往往需要在地 下挖掘数十公里的地下通道用于矿石采掘。因此，工业网络需沿着地下通道进行长距 离建设。根据各行业的特点，高品质高可靠工业园区网络解决方案可分为工业园区生 产网络和泛工业生产网络两个网络架构，分别对应为面状区域和线状区域两大部署场 景。 工业园区生产网络适用于面状区域的工业生产场景。面状区域主要是指各类制造企业 的工厂等场景。在这些场景中，各类生产终端都是基于车间产线为粒度进行部署。因 在企业园区内部，光纤资源易于获取，覆盖距离一般为数百米到数公里，网络的拓扑 适合树形组网。 工业园区生产网络的典型物理架构如图 2-3 所示，分为骨干网络层和现场接入层。 ⚫ 骨干网络层：采用双归树形组网，主要用于连接园区内部各条产线、各个厂房之 间的生产网络。建议采用双节点堆叠或者双节点 M-LAG 技术，提升网络可靠性。 ⚫ 现场接入层：有线网络以双归树形组网为主，主要用于连接产线内部的各类生产 装备如机台、工业机器人等，以及无线接入的 AGV、PAD 等终端。基于实际的 线缆铺设条件和业务需求，也可以采用环形组网。不建议采用链形组网，链形组 网可靠性低，容易因中间节点或链路故障导致终端业务中断。 10 解决方案架构 图2-3 工业园网络物理架构 泛工业生产网络适用于线状区域的工业生产场景。线状区域主要包括隧道、城市 道路、管廊、金属矿、煤矿等场景。在这些场景中，各类生产终端一般都是沿着 地下的通道或地面的道路进行部署，物理位置比较分散，覆盖距离为数公里到数 十公里，光纤资源较紧缺，该场景下网络拓扑适合环形组网。 泛工业生产网络的物理架构如图 2-4 所示。 11 解决方案架构 图2-4 泛工业生产网络物理架构 整个物理网络分为骨干网络层和现场接入层： − 骨干网络层：采用环形组网，主要用于连接各类作业现场网络，如城市道 路的各个路口、管廊中各个舱室以及沿线的视频监控、AP 等终端。建议采 用双节点堆叠技术，提升网络可靠性。 12 解决方案架构 − 现场接入层：以环形组网为主，主要用于连接产线内部的各类生产装备， 如机台、工业机器人以及无线接入的 AGV、PAD 等终端。部分现场网络层 可基于实际的线缆铺设条件和业务需求，采用双归树形组网。不建议采用 链形组网，链形组网可靠性低，容易因中间节点或链路故障导致多个节点 下挂的终端业务中断。 2.3 方案价值 高品质高可靠工业网络紧随工业网络的发展进程，适配新一代工业园区的业务需求， 支撑企业数字化、智能化，工厂无人化的发展，加速生产数智化、制造柔性化、运维 智能化。高品质高可靠工业网络解决方案具备以下关键价值： ⚫ 极致可靠 基于系统级可靠性设计理念，通过环形、双归树形等多种灵活组网方式，采用 HSR（High-availability Seamless Redundancy，高可用性无缝冗余）、ERPS （Ethernet Ring Protection Switching，以太