工業光網助力工業企業數字化轉型發展

摘要：在工業互聯網的眾多網絡技術類型中，工業光網憑借高帶寬、低時延、抗干擾的特點使其作為有線網絡的一種部署形式涌現出來，很適合作為工業網絡升級改造的技術選擇。對工業光網的背景進行了介紹，并對工業光網的典型架構、應用范圍及部署案例進行了闡述，最后分析和研究了工業光網在工業領域的技術與應用。

關鍵詞：工業光網；工業PON；接入網

 0.引言

在我國，工業企業的網絡部署在前期主要聚焦于生產自動化，而信息化建設起步較晚。此外，工業企業的內部網絡未能有效、按需連接和管理企業的生產要素。企業的不同生產網間，企業與第三方平臺之間也并未做到充分的互聯互通，工業網絡的部署具有很大的升級與發展空間，工業企業也需要通過新型高效的網絡技術來加速其網絡的升級改造過程。在工業互聯網眾多的組網技術中，工業光網作為有線網絡的一種技術形態為用戶提供了高帶寬、低延時、抗干擾的網絡部署方式。工業光網采用了光通信技術，通過光纖互聯工業企業的生產、監控與信息管理網絡，降低了網絡部署的層級和復雜性，提供了高效、可靠的網絡連接和數據互通能力。

1.工業光網

工業光網是采用光網絡技術互聯工業企業全生產要素的組網形式，以光纖作為傳輸媒質，屬于工業互聯網中的有線網絡。工業光網是工業場景下的OTN技術、工業PON、工業光總線等光網絡技術的總稱，可以為用戶提供兼具保障性和擴展性的光網組網方案。企業可以通過建設一張全光網實現工業網絡的生產控制、廠區監控、辦公業務的統一接入等。此外，還可以按照發展需要將工業光網與工廠內現有網絡相結合，實現工業光網與工業以太網、5G、Wi-Fi等網絡技術的融合組網。

1.1 工業光網的體系架構

圖1為工業光網的典型架構示意圖^【1】，企業可根據實際的建網需求選擇工業光網技術進行部署。根據圖1所示，應用于工業場景下的OTN設備可以部署于工業園區網絡中的園區骨干網，用于連接園區云基礎設施、園區公共服務網絡和企業生產網絡，此外還可通過部署OTN網絡實現不同園區的互聯互通以及園區到公有云/公共客戶網絡的連接。工業PON設備可以部署于企業車間級和工廠級網絡，以承載企業的生產、監控和辦公業務。通過在車間部署的工業PON設備實現工業協議轉換，可以為不同類型的現場級設備、傳感器與企業信息管理和云服務平臺之間提供基于標準化統一化的協議承載。工業光總線設備可以部署于企業生產網絡中的現場級，用于現場級主站PLC之間，或主站與生產網內其他從站的全光總線互聯。

圖1 工業光網的體系架構示意圖

1.2 工業光網典型技術

1.2.1 OTN

光傳送網(Optical Transport Network，OTN)是新一代大顆粒光網絡傳輸技術，目前已廣泛應用于廣域骨干網絡。OTN技術是電域和光域技術的融合，其中電域采用基于容器的業務承載方式，支持大顆粒業務的直接映射，幀結構方面具有標準化的幀格式；光域以波分復用技術為基礎,引入了豐富的光層管理維護開銷，可根據用戶的實際應用需求選擇。

應用于工業場景下的OTN技術不僅具有OTN光域和電域的技術特點，還可適用于復雜的工業環境，對工業環境的高低溫范圍、濕度、防塵、供電方式等進行相應的加強和改進，以便為企業提供大容量、高可靠的遠距離傳輸。此外，在一些工業場景下還可以應用工業OTN的小顆粒技術為網絡提供精細化承載和維護管理能力。

1.2.2 工業PON

工業PON系統由局端光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)、接入網關光網絡單元(Optical Network Unit，ONU)及連接局端和用戶端設備的光分配網絡(Optical Distribution Network，ODN)組成^【2】，具體參考架構見圖2。

圖2 工業PON系統參考架構

工業PON采用傳統PON網絡的單纖雙向、點到多點的網絡結構。下行方向(OLT到ONU)為廣播選收，上行方向(ONU到OLT)采用時分多址接入(TDMA)方式對各ONU的數據發送進行調度。ODN網絡由光纖和一個或者多個無源光分路器組成，在OLT和ONU之間提供光傳送通道。工業PON系統不易受電磁干擾和雷擊的影響，且最大覆蓋范圍可達到20 km。接入網關具有多種形態，除具有傳統PON的ONU功能外，工業PON的ONU還可具有多種工業接口，如RS232/485、CAN等，直接連接工業終端設備，實現工業協議透傳。此外，ONU設備還可以作為開放平臺，集成開源或者定制化的工業應用，如配置工業協議解析功能，實現工業協議轉換、個性化工業數據采集和數據預處理功能等。OLT和ONU設備可以通過工業PON管理平臺進行統一管理，并支持與工業云平臺進行業務數據交互，為工業云平臺的大數據服務提供有力支撐。

1.2.3 工業光總線

在工業網絡中，工業現場網絡的生產控制網絡對時延/抖動的要求最高。其中，部分運動控制業務要求小于100 μs級的低時延、小于100 ns級的低抖動以及99.9999%極高的可靠性，而隨著工業企業數字化發展，機器視覺、AI等新興技術的應用，工業現場網絡的連接數和帶寬需求增長迅猛。工業光總線參考現場總線技術發展特點，并與光網絡技術相結合，提供了大帶寬、低時延的網絡傳輸通道。

工業光總線技術采用在主站PLC側內置光模組，在從站伺服、IO、工業相機等設備中內置光終端模組的方式，通過光分配網絡進行組網，實現主站PLC到從站的全光傳輸。在傳輸協議方面，可以選擇透傳各類傳統的工業協議，也可選擇優化的工業協議以實現更高效的數據傳輸。工業光總線技術是新涌現的工業現場總線網絡技術，需要適配復雜的工業現場環境和工業現場的管理模式，目前仍在發展中。

 2.工業光網的應用范圍和部署場景

2.1 工業光網的應用范圍

2.1.1 園區內骨干網連接

園區骨干網主要指園區公共服務網，由于園區內企業眾多，業務應用豐富，對網絡帶寬需求大(鏈路采用萬兆及更高的互聯通道，接入的各企業則需要采用千兆或者萬兆互聯)，同時極為看重網絡安全和傳輸可靠性。在部署網絡時，需要在設備性能、帶寬能力、接入用戶能力、安全防護等多個方面進行綜合考慮。工業光網可以作為園區骨干網絡的部署解決方案。

2.1.2 跨園區協同

隨著智能化生產和柔性制造方式的推廣，企業需要面向訂單對多個園區或園區內外的生產資源統籌調配，在生產過程各環節與供應鏈并行組織生產方案，并對生產運行狀態進行監控。園區內外協同應支持企業調配、組織不同生產網的資源、滿足多個生產網的協同生產、支持多廠區的實時數據采集等。工業光網的硬管道、良好的業務隔離度和安全性是跨園區協同應用下很好的解決方案。

2.1.3 企業管理網絡

(1）企業信息網絡互聯

傳統企業的信息網絡分散部署著各類IT管理系統，如MES、PLM、ERP、SCM、CRM等。為了打破信息孤島、提高運營效率，企業會將分散部署在各服務器的IT管理系統集中部署到工廠內數據中心/云平臺，進行數據的聯合分析，快速決策。不同的部署方式會引起網絡架構的變化。無論采用哪種部署方式，均可以通過工業光網連接各類IT管理系統模塊，作為可靠的信息數據承載通道。

(2）IT與OT網絡融合

工業互聯網業務發展使工廠內網絡呈現出融合、開放、靈活的發展趨勢，其中融合趨勢帶來了網絡結構的扁平化。傳統的“兩層三級”網絡架構嚴重制約著信息互通的效率，隨著大數據分析和邊緣計算業務對現場級實時數據的采集需求，OT網絡中的車間級和現場級將逐步融合(尤其在流程行業)，同時MES等信息系統向車間和現場延伸的需求，推動了IT網絡與OT網絡的融合趨勢。工業光網可以實現工業數據可靠有效地在IT與OT間傳輸。

2.1.4 工業生產網絡

(1）生產信息采集

生產環境的信息采集是數字化、智能化生產的重要前置條件，在工業互聯網的智能工廠中，企業級IT管理運營系統對現場實時生產過程數據和設備運行狀態數據有著強烈的需求。工業光網可以作為工業企業生產設備與企業IT管理運營系統間的數據承載通道，連接現場級設備與上層管理實體(如服務器、SCADA系統等)，實現工業生產設備運行狀態、運行環境、傳感器數據等生產相關信息的采集，還可用于生產指令下達、廠區視頻監控等重要業務數據的承載。

(2）邊緣計算

未來超過70%的數據和應用將在邊緣進行處理。在工業場景應用中，邊緣計算在生產過程的預測性維護、產品的質量保證以及流程優化方面對企業的生產經營有很大幫助。此外，企業還可以基于邊緣計算平臺提高生產工藝與流程的柔性，支撐個性化生產。工業光網可以提供邊緣計算所需要的數據承載通道，還可在數據匯聚節點設備中集成計算算力，按需實現邊緣計算功能。

2.2 工業光網的部署案例

2.2.1 工業光網在離散制造業的場景應用

在離散制造業中，制造的產品往往由多個零件經過一系列并不連續的工序加工裝配而成，因此涉及的生產終端類型較多，數字化生產背景下企業非常關注產品各個生產環節的數據信息采集，這些數據可作為大數據分析的依據。以某企業的智能電子元器件組裝測試生產線為例，其生產流程包括SMT貼片加工、焊接、測試、整機等環節。企業很快發現現有的工業網絡性能無法支持智能化的生產模式，主要表現在信息采集，包括AOI的高清圖片、影像文件等數量眾多，帶寬占用大，且現場生產終端信息在實時上傳時會存在數據丟失等情況。

企業通過部署工業光網絡組建支撐其智慧制造車間高速業務承載和數據采集的網絡，組網技術采用工業PON技術。通過將工業PON的小型化ONU設備安裝在線槽立柱內，節省了ONU設備的空間占用，提供了足夠的帶寬承載能力；工業PON的光纖配線網絡ODN網絡為無源網絡，無需額外供電，采用兩級分光以連接不同區域的生產設備，其中一級分光器安裝在橋架線槽內，二級分光器安裝在本槽立柱內，業務通過光纖承載和基于時分復用的通道化傳輸方式，降低了傳輸時延。

2.2.2 工業光網在油氣行業的應用

油氣行業在進行數字化轉型過程中，需要將油氣生產現場的資產和設備連接到工業網絡中來實現生產的自動監控和診斷，之后需要連通不同的站場/作業區以及產業鏈相關方，實現生產、運輸、物流、倉儲的統一化管理。數字化轉型帶來了接入節點數量的增多，對網絡的帶寬容量有了更高的需求。此外，油氣行業傳統網絡接入點位置分散、部分接入點位距離可達十幾公里，不同的作業區之間更可達幾十公里，因此需要在接入網支持業務遠距離接入的能力、在骨干網支持大跨段傳輸。且油氣行業對網絡部署環境比較敏感，要求網絡設備具有抗電磁干擾、防爆、防腐蝕的能力，也需要提供網絡保護策略。

以某油氣田網絡建設為例，油氣田采用多級管理，包含分公司、氣礦、作業區、中心站、分站等。企業通過部署工業光網搭建了油氣田的數據傳輸網絡。在組網架構方面，分站與中心站間采用工業PON技術的樹形組網結構部署，非常匹配油氣行業作業區內的主站到分站的網絡架構。其大部分距離小于20 km，以星型網絡為主。其中，將分站的每個接入點(PLC數據輸出點、環境監控數據采集點等)接入到工業ONU，每個ONU可接入多個接入點數據，并根據網絡規模在每個分站設置多個接入點位。在中心站放置OLT設備，數據通過分站的工業ONU接入到中心站的OLT設備，并通過OLT設備匯聚上送至數據管理平臺。為保證接入網絡安全，接入點采用工業PON的TypeC手拉手保護方式，提供端到端的雙鏈路備份。此外，由于作業區之間跨段可達幾十公里，因此在網絡部署時，不同的站場/作業區間采用OTN技術組建大帶寬環網，滿足公司對多氣礦的統一管理；并配置OTN網絡采用SNCP保護，實現骨干環網50 ms的保護倒換。

 3.工業光網面臨的挑戰與發展建議

工業光網是企業在數字化轉型過程中涌現的一種新型的工業互聯網組網形式。但在目前的工業領域中，工業光網只是面向特殊應用場景和部分垂直行業應用，用以解決遠距離跨段傳輸和連接可靠性的問題^【3-5】。大多數工業企業對工業光網和其網絡技術知之甚少，一方面由于部分應用在傳統工業網絡下對大連接、高帶寬、時延敏感的訴求尚不迫切，而傳統工業現場總線和高速以太網交換機的組合長期以來已形成了成熟穩定的部署方案，工業企業改變的意愿度不高；另一方面隨著5G技術的推動和發展，業界的關注點紛紛轉向如何通過5G技術賦能工業企業，相比之下，工業光網缺乏廣泛的關注度。實際上，我國在擁有世界領先的5G技術的同時，也擁有領先的光網絡技術，在工業網絡面向大帶寬、低時延的網絡轉型升級過程中，工業光網是重要的網絡部署方案之一。工業光網的體系架構在參考傳統的工業網絡基礎上，進一步滿足了MES等信息系統向車間和現場級網絡延伸的需求，逐步推動IT網絡與OT網絡的融合。同時，工業光網使企業具有獨立的管理運維能力，做到生產數據不出廠區。在部分工業網絡應用層面，如工業現場網絡，工業光網基于硬管道傳輸的方式又可以為現場終端設備提供穩定可靠的周期信號承載。總體來說，工業光網一方面需要依托技術優勢逐步適配以滿足各類復雜工業場景的應用部署，另一方面仍要逐步提高工業領域、各企業對工業光網的認知和理解，從而形成良性的循環發展。

 4.結束語

工業光網作為工業互聯網中有線網絡的一種新型組網技術，將光通信技術與工業場景、工業網絡相結合，為工業企業提供高帶寬、低時延、抗干擾的網絡解決方案。在應用范圍上，工業光網可以覆蓋工業園區網絡、企業管理網絡和工業生產網絡。隨著工業企業數字化轉型的加快，工業光網會逐步走進大家的視野，成為工業互聯網解決方案中重要的組成部分。

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