基于工业PON 技术的智能工厂内部网络改造研究

［陈三龙 方慧霆］

1 引言

十四五规划提出要深入实施制造强国战略，深入实施智能制造和绿色制造工程，建设智能制造示范工厂。众多的传统生产企业正在努力地向着智能工厂的方向进行转型，打造智能工厂需要一系列的智能化改造，因此对基础网络也有了更高的要求。工业PON 作为一种新的技术，可以提供更大带宽、更低的时延，同时做到统一承载、简化网络、降低维护难度。本文基于工业PON 技术，结合一个传统企业的厂区网络需求，提出了相应的解决方案。

2 传统生产企业的智能工厂网络升级需求

传统生产企业内部网络存在的痛点包括：

（1）组网复杂，生产网络与办公网络割裂，不同网络功能单一，网络之间互联困难。

（2）设备种类多，各种设备的工业通信协议各异，协议的差异性造成了工厂内的信息孤岛，大量的数据都沉在设备下面，无法实现数据互通。

（3）扩容困难，工厂业务发展过程中不断有设备提出接入需求，使得网络链路承载能力不足，但传统以太网交换机网络升级扩容难度大，投资高。

对于传统企业而言，如果希望升级到智能工厂主要需要在数字化转型、自动化和智能化生产、生产计划和调度、设备和资产监控和维护、能源管理优化等方面进行全面的改进[1]。需要一个全新的网络去实现车间与工厂、工厂与企业之间不同层次、不同类型的设备与系统间、系统与系统之间的网络连接，并实现数据在不同层级、不同设备、不同系统间的传输。这个网络应该具备以下特性：

统一性：统一承载，实现各个层级、不同设备及系统的互通。

稳定性：智能工厂需要网络能够稳定运行，确保生产线的正常运行和各种自动化设备的实时数据传输。

高速性：智能工厂需要处理大量的数据和信息，因此需要网络能够提供高速传输和低延迟网络。

安全性：智能工厂涉及大量的自动化设备和数据信息，因此需要网络具备足够的安全性，包括对网络攻击和病毒的防范和抵御能力，以确保工厂生产过程的安全可靠[2]。

可扩展性：智能工厂的生产线和自动化设备数量可能不断变化，因此需要网络能够支持灵活扩展和快速配置，以适应工厂不断变化的需求。

3 工业PON 网络技术简介

工业PON 是来源于公网已经成熟应用的PON 标准体系，除了具有原有的大带宽、易扩容的特性外，在此基础上对工业生产所需的能力方面做了加强[3]。从而可以为生产企业提供在工业生产场景中的各种数据采集解析、大带宽、确定性网络能力和网络切片等网络能力。后期可以结合企业的信息化部署，实现边缘计算等更高级功能。实现“人、机、物”全面互联[9～11]。其架构图见图1。

图1 工业PON 网络架构图[4]

主要技术特点[4～7]：

（1）支持多种工业接口：FE 电接口、GE 电接口、10GE 电接口、10GE光接口、RS485/232、开关量、CAN、CVBS、POTS、USB、WiFi、LowPAN 和蓝牙等。

（2）支持多种工业控制协议：可对包括Profibus、Modbus、CC-link、Profinet、EthernetIP 等多种工业协议标准的工业数据进行采集和协议转换。

（3）提供可选的边缘计算能力：可以通过OLT 侧增加板件，实现防工业生产数据的采集、处理和存储功能等，也可以实现防火墙、网络流量判别分析等三层网络功能。

（4）支持确定性时延：支持TSN 体系中时间同步、时延保障、可靠性、资源管理等一种或者多种协议和功能。通过DBA、单帧多burst 上行调度机制[8]、PQ 调度等技术，实现TSN 保证时延功能。

（5）工业环境适应性：在恶劣的温度、湿度、大气压力、盐雾、霉变等特殊环境能够正常工作。

4 某企业厂区网络改造方案

4.1 业务需求分析

某企业主要从事生产印制电路板业务，目前厂区有2个网络，包括办公网络、园区管理网络。办公网络、园区管理网络等均为100/1000M 交换机组网。生产网络主要是各种机器的总线连接，没有形成真正的生产网络。目前网络主要问题：

（1）原有办公网络设备老化，经常闪断，而且人员分布比较分散，大量的交换机维护起来比较麻烦。

（2）园区管理智能化要求新增300 个高清摄像头，分布在园区不同位置，目前没有网络资源。

（3）工厂智能化改造，原有网络无法承载，需要新的生产网络支持。

业主提出的需求包括：

（1）生产网络：光纤到桌面，千兆接入。

（2）园区管理网络：摄像头300 个，其中球机摄像头200 个，枪机摄像头100 个。

（3）生产网络：目前工厂智能化改造提出了能源管理、机器视觉、设备维护3 大功能，需要新建网络进行配合。

①能源管理，利用Lora 等技术，建设或升级能耗管理系统，通过对传统电表、水表等数据采集终端进行数字化升级改造。实现工业设备与各类数据采集终端的网络化，通过Lora 及工业PON 网络回传远程实时获得生产现场各类终端数据能耗，实现对现场工业设备的正常运行进行控制。

② 机器视觉，视觉应用系统，在生产现场部署高清摄像头、工业相机或激光器扫描仪等质检终端，实时采集产品质量的高清图像、实时前端视频数据，实现采集环境、人员动作、设备运行等监测数据，通过工业PON 网络传送至边缘服务器或应用系统管理服务器，系统基于人工智能算法模型进行实时分析，对比系统中的规则或模型要求，对PCB 板的外观（形状、平整度、色泽、开短路瑕疵）、尺寸（长度、宽度、高度）、线宽、异物附着等进行自动检测识别，判断物料或产品是否合格，实现缺陷实时检测与自动报警，并有效记录瑕疵信息，辅助开展产品质检，提高检测效率，为质量溯源提供数据基础。

③设备维护，在生产现场的工业设备，以及摄像头、传感器和数据监测终端设备等数据采集终端上内置WIFI工业网关，通过工业PON 网络实时采集生产现场的设备运行状态、工序完成情况等相关数据，回传至生产现场监测系统，对生产活动进行高精度识别、自定义报警和区域监控，实时提醒异常状态。实现对生产现场的全方位智能化监测和管理，为安全生产管理提供保障。并综合运用统计、规划、模拟仿真等方法，将生产现场的多台设备按需灵活组成一个协同工作体系，对设备间协同工作方式进行优化，提高设备利用效率，降低生产能耗。

各种业务的网络需求如表1 所示。

表1 厂区业务网络需求表

4.2 工业PON 网络建设方案

根据企业需求，考虑将原办公网和园区管理网合设，降低成本和管理难度。生产网络单独设置，保证网络安全及性能[9]。采用基于GPON 技术的工业PON 进行组网，网络拓扑如图2 所示。

图2 工厂内部网络拓扑示意图

（1）办公及园区管理网，在网络拓扑中主要采用主干光纤保护倒换模式，对OLT 的PON 口及主干光纤进行备份保护，提高了系统的安全性。

①厂区日常办公场景，光纤部署到桌面，采用政企客户类ONU 设备，提供以太网、POTS 等物理接口，提供千兆接入及电话能力。用于OA、ERP 等系统应用和日常有线通信。

② 园区管理场景，在停车场、道路、围墙、大楼公共区域部署工业PON 终端ONU。提供以太网或POE 接口，用于承载安防监控、边界安防、停车管理、一卡通、安全巡查等弱电系统。ONU 主要安装在室外，需要满足防水、防尘和防雷等相关要求。

（2）生产网络，对安全可靠性要求更高，因此在网络拓扑中生产网络采用了全光纤保护倒换模式（TYPE D 方式），对OLT 的PON 口、ONU 的PON 口、光分路器和全部光纤进行备份保护，提供了极高的安全性。光纤部署到需要智能系统的机器附近（FTTM）[9～10]。

①能源管理场景，结合数据采集网关的部署设置ONU，通过以太网与工业网关相连接，将采集到的数据及时上传。

② 机器视觉配置以太网接口的ONU，将超高分相机的数据回传，同时通过配置固定速率的带宽通道，满足实时性、大带宽的需求。

③设备维护场景在厂房合适位置安装带WIFI 模块的ONU，采集设备相关数据并回传。实现对被检测机器实时进行数据监测和告警处理，监控设备损耗以及设备零部件的使用状态进行实时监测和健康程度预警。

同时生产网络根据不同业务的特点和要求，设置不同的网络切片做业务隔离，保证数据安全性。

4.3 建设效果分析

通过工业PON 网络的改造，厂区网络得到全面升级，同时网络性能也有了明显的提高。

（1）全光网络统一承载，简化了整个内部网的网络结构，取消了大量的汇聚交换机，降低了运维成本。

（2）高性能网络，全光网的建设方式，可以提供带宽最高下行1 Gbit/s，时延＜1.5 ms，长时间运行无丢包优质网络。同时可以提供基于时隙的硬隔离，保护各种工业数据安全。

（3）高可靠性，提供光纤及设备端口等安全备份，可实现50 ms 的倒换。

（4）各种现场设备的多种不同协议可以直接接入网络，统一承载。解决了工厂智能化改造提出了能源管理、机器视觉、设备维护三大应用的网络需求，为工厂的智能化管理和运营提供了有效支持。

（5）更高的环境适应性，由于工业PON 网络在接入段均为无源系统，可抵御各种复杂的电磁干扰，更能适应复杂的工厂车间环境。同时由于使用光纤布线，走线空间仅需传统网线1/10，大大降低了施工难度。

（6）可扩展性，光纤使用寿命长达20～30 年，未来可根据技术发展带宽从1Gbit/s-＞10Gbit/s-＞50Gbit/s 演进而不需要重新布线[11]。

5 结束语

2023 年工信部发布了通信行标《工业互联网联网用技术无源光网络（PON）设备技术要求》，标志着工业PON 技术已经成熟并进入应用阶段。本文对工业PON 的技术特点、适用场景进行了研究，并结合实际的工厂案例，对工业PON 网络在企业内部网络的部署和应用进行了探索。应该看到工业PON 网络虽有自身的优势，但工业PON 网络与工业控制网络仍有差距，主要表现在跨领域与工控系统协同互通仍存在一定的行业壁垒、确定性传输性能（低时延低抖动）仍需进一步优化。未来需要与用户企业一起进一步研究如何在协议统一、接口互通和在不同场景下的确定性传输要求等方面进行改进。