基于工业以太网的云桌面技术研究与应用

任少波，陈 源

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都 610091)

0 引言

随着信息化和智能化技术的深入发展，世界制造业正在向智能制造升级发展，工业4.0时代悄然来临，传统自动化工厂正在向智能工厂转变。世界主要的发达国家重新重视制造业，美国政府希望重新实现工业化，让美国制造企业回到美国，德国提出工业4.0行动计划，以在国家制造业竞争中占领制高点和话语权。国务院发布的《中国制造2025》以及“互联网+”行动计划对传统制造业进行转型升级，让中国从低端、低利润制造业向中高端、较高利润制造业升级，抢夺世界工业分工体系制高点。制造企业向智造企业的升级须充分利用互联网技术和云计算技术实现企业生产基础设施自动化服务、生产资源和生产环境平台化服务，服务系统软件定制化以及智能化办公和运营服务，能够使企业获得软硬一体集成的解决方案，真正实现智能制造、智能运维、智能服务。工业以太网为制造企业生产设备实现互联互通、自动控制提供了可靠高效的通信基础，是传统制造业向智能制造转变的物理连接基础。云桌面技术能有效保证制造企业的数据安全性、业务工作的连续性，为员工提供便捷的数据访问，为企业精益制造和柔性制造提供了技术支撑。基于工业以太网的云桌面技术为企业向智能制升级造架起了技术桥梁。

1 以太网与工业以太网

1.1 以太网

以太网在20世纪70年代开发，被电气和电子工程师协会定义为IEEE 802.3标准。以太网IEEE 802.3 标准定义了邮箱访问控制的物理层和数据链路层，覆盖了一系列局域网设备。这些标准还描述了配置以太网网络的规则以及网络元素如何相互配合。使用以太网时，数据流被分成较短的片段或帧-每个片段或帧都包含特定信息，例如数据的源和目标。为了使网络根据需要接收和发送数据，此类数据是必需的。以太网传输介质通常采用双绞线或光纤电缆，以太网设备连接该电缆以提供数据传输路径。标准以太网的数据传输速率为10 Mbps～100 Mbps。千兆以太网又称吉比特以太网，采用IEEE 802.3标准能够实现1 000 Mbps的信息传输速率。千兆以太网主要用于大传输量需求的骨干网。以太网使计算机可以通过一个网络进行连接，没有它，当今现代世界中的设备之间将无法进行通信。以太网是用于在组织的单个网络上连接多台计算机、设备、机器等的电线和电缆系统的全球标准，以便所有计算机可以相互通信。以太网利用传输介质可以将多个设备连接到一个网络上。以太网技术在众多领域都得到了广泛应用，是全世界使用最多的网络通信技术。

1.2 工业以太网

以太网可以在更多的办公室中使用。办公室以太网是为办公场景使用级别而设计的，而工业以太网可以考虑为多个级别，并可以应用于更重负荷的环境[1]。工业以太网需要应对工厂噪声、工厂过程需求以及更恶劣的环境，甚至及时响应工厂现场的数据冲突。工业以太网中的电缆和连接器也可能有所不同，如在工业环境中使用的连接器将不是基本的嵌入式锁定机制。由于恶劣的环境，需要更重的锁定机构。重型应用中通常也需要密封连接器。商业或办公室以太网与工业以太网的电缆连接器也会有所不同，即使是轻型的工业电缆也可能比商业以太网电缆具有等级更高的护套，同时重型的工业电缆使用的保护套及保护金属的质量也更高，更加结实耐用。确定性是定义工业以太网并将其与以太网分离时的重要因素。标准以太网本身并不是确定性的，但是工业环境需要确定性，需要在特定时间发送和接收数据包，并且需要确保每次都能成功传递数据。在工业生产过程中，生产设备进行通信是出现数据丢失或者较大的数据延迟，可能造成重大的生产事故，导致产品出现严重缺陷，降低良品率。对于选择部署哪种类型的以太网解决方案，这种实时信息传输通常是公司的主要决定因素。公司将评估其特定需求，并确定最适合组织的以太网解决方案。以太网正在工厂中迅速成为众所周知和使用的技术。与工业应用中的现场总线相比，它在成本、数据量和传输速度方面都均有更高的要求。不用于商业和办公环境以太网，工业以太网的应用环境更加恶劣，需要能够应对数据冲突、工业噪声以及严苛的生产环境要求。工业以太网本质上仍是以太网，但是为适应特殊的工业生产要求而设计的以太网[2]。

2 云桌面

云桌面技术的核心是桌面技术虚拟化，即利用云计算技术和网络技术把本地用户计算机终端上的计算机桌面虚拟化安装到远程云服务器上，并通过网络实现对云桌面的操作[3]。本地计算机终端主要用于云桌面的显示，并把键盘鼠标输入通过网络传递给云服务器。云桌面技术的出现彻底改变了传统计算机部署和使用方式，本地计算机终端变成了一个远程桌面登录终端，桌面操作和软件安装和使用都被在远程云桌面上实现。无论用户身处何地，只用有网络条件许可，就可以像在办公室一样使用计算机，并且从用户体验上完全感觉不到差异，极大地提高了办公效率，简化和节省了系统维护成本。

不同于传统个人计算机一般只安装一个操作系统，使用一套桌面系统，云服务器可以根据需要虚拟出多个云桌面，每个云桌面都可以有独立的操作系统和应用软件，并有自己的用户账户和密码。对每个用户而言，云桌面及其配置环境都是私有的。一台云服务器上可以同时运行多个云桌面，实现了对处理器、内存和磁盘等硬件设备的共享，同时用户对桌面的使用是独立安全互不影响的。云桌面技术的实现需要用到两项关键技术，即桌面传输协议和服务器虚拟化。服务器虚拟化是实现云桌面的基础，正是采用虚拟化技术，使得服务器硬件资源被软件化、定制化，可以灵活实现分配和管理。而桌面传输协议是为用户桌面云服务的通信手段，正是有了桌面传输协议用户才使用体验上才几乎感觉不到云桌面与本地桌面的差异。

3 工业以太网与云桌面

传统工业制造企业要向智能制造企业转型升级首先要实现生产过程信息化，生产系统的信息化是企业实现智能制造的物理基础，对企业生产效率会产生直接影响，是企业迈进工业4.0的第一步。

制造企业要实现自动化和信息化控制首先要解决设备和系统的通信接入问题。20世纪80年代随着生产制造规模的利益扩大和系统复杂化，工厂设备开始引入现场总线技术解决数据采集和数据交换工作，实现对设备的自动化控制。

现场总线技术由众多企业研发，虽然群雄逐鹿但没有哪家企业能实现行业标准垄断，最终国际电工委员会通过了一个包含多个现场总线协议的IEC61158标准。IEC61158现场总线标准是对行业多种协议标准并存的妥协，但多标准就是事实上的无行业标准。为了实现企业生产设备的互联互通，需要采用一种得到广泛认可、技术成熟的工业通信技术，因此在商业和办公环境中广泛使用的以太网技术由于开发性好、协议简单、价格不高等优点成为工业通信技术的新选择。一些企业提出采用以太网和TCP/IP协议的解决方案，实现工厂生产设备的通信连接，由此产生了工业以太网。由于以太网最初是为办公环境设计的计算机局域网技术，没有考虑工业生产中可能产生的温度、湿度、灰尘、噪声等一系列环境需求，以及对数据丢包率、传输延迟容忍度的要求，因此不能把以太网技术直接用于工业生产过程，需对其进行特殊处理。工业以太网基于IEEE803.3标准，主要采用HSE，Modbus TCP/IP，ProfINet，Ethernet/IP等4种通信协议。从广义的角度看，工业以太网可视作众多现场总线技术中的一种。以太网在商业和办公环境中称为信息管理和信息通信的基础设施，工业以太网也是工业生产管理、生产过程控制的信息基础设施。工业以太网的突出优点是能够实现企业信息网络和生产控制网络的统一，能够实现网络快速集成，硬件及相关开发技术众多，得到大量厂商技术支持。

目前我国制造业及工厂生产系统面临的首要问题是加快实现信息化，为小批量、精细化、定制化的智能制造和柔性制造创造条件。制造企业往往员工众多，特别是大型跨国企业员工分布在全世界众多国家和地区，需要大量的计算机来对生产系统进行管理和控制。为应对生产线快速升级的需求，在智能工厂中采用本地计算机面临的问题和弊端越来越多，使企业生产和管理系统信息化面对诸多挑战。制造企业在生产过程中需要用到大量涉及知识产权和关键信息的技术方案、涉及图纸、客户订单信息等的重要数据。如果使用本地计算机进行关键信息管理，把重要数据存储在本地磁盘，在缺少有效的存储管理措施的情况下，可能会造成重要数据泄露或丢失，给企业生产带来巨大的风险。

生产制造过程中的升级维护可能涉及众多设备终端的系统变更，传统分散的计算机进行升级管理非常麻烦，需要逐个对计算机终端进行软硬件进行重写安装和调试，工作量巨大、缺少灵活性，并容易造成重要生产数据丢失。同时，本地计算机一旦采购完成，其硬件升级的空间就会变得十分有限，难以灵活应对升级需求。通常为了保证数据安全，确保重要数据不被破坏，生产线系统升级时往往在完成数据备份后需要对计算机终端进行重新安装，这会导致升级调试周期变得非常长，无法快速应对小批量，定制化的柔性制造需求。生产制造企业通常需要大量的计算机终端，因此软件和硬件故障会不时发生，特别是对连续开工的生产线，需要专门的技术人员进行全天候进行系统维护，造成维护成本高昂、故障响应和处理不及时等问题，影响企业生产的连续性。云桌面技术的出现成了制造企业应对信息化过程中面对众多挑战的有效手段。通过云桌面技术，不管企业员工和专家在何处、何时办公，都能通过网络安全方便地查询各种图纸、生产数据、客户资料、设备状态等重要企业运行数据。云桌面技术由于其便捷性、灵活性、安全性和便于升级维护等优点在工业界受到重视[4]。在制造企业中，桌面云的优点能有效应对生产线在转型升级中面对的问题，帮助企业实现智能制造。云桌面技术采用端到端安全技术把重要数据都存储在云端，由于在本地计算机终端不用存储关键数据，极大地提高了数据安全，同时由于对关键数据进行集中统一管理，可以避免数据泄露和丢失。云桌面技术把计算资源和存储资源虚拟化，能根据生产线的要求按需分配计算和存储资源。同时，位于不同地点的生产线和办公室能够共享资源，便于企业对灵活布设生产区域。与传统制造企业不同，采用了云桌面技术和工业互联网技术，生产和办公环境的系统可以在云端进行远程在线升级和维护，快速实现各种控制和办公软件的部署，快速应对智能制造中的精细化和柔性制造的各种需求。云桌面技术从设计架构上保证了企业生产的连续性，减少单个终端故障对系统运行的整体性影响。云桌面技术提供的分布式计算和存储，硬件资源虚拟化技术能够保证企业生产长时间连续运行，为企业提供全天候生产提供了技术支撑。工业互联网实现了现场生产设备的安全、可靠、短延迟的通信连接，云桌面技术保障关键数据的安全，减小设备维护难度，并为企业员工提供了移动、便捷的工作环境。

4 结语

以智能制造为目标的工业4.0发展趋势既是传统制造企业的机遇，也是面临的挑战。首先，在工业4.0的大潮中，工业制造企业需要利用工业以太网技术实现工厂设备的互联互通，对生产过程进行自动化、智能化控制；其次，大型制造企业往往规模巨大，在全世界可能有多家工厂，人员全球办公，如何将云计算等新技术应用到生产线和企业办公环境来提高竞争力，是各个制造企业都需要面对的问题。工业以太网实现了工厂生产设备之间的可靠互联互通，以及自动控制，云桌面技术保证了企业能在全球范围内灵活应对智能生产业务。工业以太网和云桌面技术的融合必将推动智能制造的深入发展，促进制造业向自动化、智能化转型升级。