工业物联网互联互通白皮书 IIoT 工业物联网互联互通白皮书 中国电子技术标准化研究院 2018年9月 1 工业物联网互联互通白皮书 IIoT 前 言 工业物联网是通过工业资源的网络互联、数据互通和系统互操 作,实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的 合理优化和制造环境的快速适应,达到资源的高效利用,从而构建 服务驱动型的新工业生态体系(见《工业物联网白皮书》(2017 版))。互联互通是工业物联网发展的关键问题,但是现阶段工业 物联网从互联互通的对象、技术、实施等方面均呈现出纷繁复杂的 局面,工业物联网互联互通的实现宜采取具体问题具体分析的方 法,结合应用场景和当前可选的成熟技术手段,采用因时制宜的实 施方案,科学地推进工业物联网互联互通的部署实施。 《工业物联网互联互通白皮书》以互联互通为主题,从“如何 认识”、“如何呈现”、“如何实现”和“如何应用”四个方面, 给出了工业物联网互联互通的内涵外延、技术现状、实施路径和应 用案例,期望为工业物联网的发展起到拨开云雾见月明的指导作 用。工业物联网的互联互通技术日新月异,后续将根据业界反馈意 见及最新研究成果进行适时更新。 3 工业物联网互联互通白皮书 IIoT 工业物联网互联互通白皮书 编写单位 (排名不分先后) 中国电子技术标准化研究院 重庆邮电大学 华中科技大学 东北大学 浙江理工大学 无锡物联网产业研究院 北京东方国信科技股份有限公司 新华三技术有限公司 美的集团股份有限公司 中国电信集团有限公司 沈机(上海)智能系统研发设计有限公司 普奥云信息科技(北京)有限公司 智能云科信息科技有限公司 中国纺织机械协会 杭州开源电脑技术有限公司 海尔工业智能研究院 江苏伽玛科技有限公司 编写人员(排名不分先后) 杨建军  郭  楠  卓  兰  杨  宏  韩  丽  李孟良  张  弛 侯  曦  彭玉怀  刘晖平  郭  雄  柏文彦  苏静茹  陈  冰 毕远国  李  然  夏  刚  魏   赵向阳  李建慧  白  欧 孙  旭  戴佳奇  张  元  邓  梅  王  军  赵  攀  李  锋 孙能林  沈春娅  金风明  王  勇  李  诚 版权声明:如需转载或引用,请注明出处。 5 工业物联网互联互通白皮书 ■ 目录 一、如何认识互联互通…………………………………………………1 (一) 对象范围  ………………………………………………………1 (二) 网络架构  ………………………………………………………2 (三) 面临的挑战  ……………………………………………………4 二、如何呈现互联互通…………………………………………………7 (一) 技术全景  ………………………………………………………7 (二) 典型技术  …………………………………………………… 10 (三) 新兴技术  …………………………………………………… 20 三、如何实现互联互通……………………………………………… 25 (一) 实施步骤  …………………………………………………… 25 (二) 实施路线  …………………………………………………… 26 (三) 实施路径  …………………………………………………… 27 四、如何应用互联互通……………………………………………… 33 案例一:数控机床互联互通解决方案 ………………………… 33 案例二:基于OPC UA的纺织机械设备互联互通解决方案  … 40 案例三:基于SDN和边缘计算技术的空调制造设备互联互通               解决方案  ……………………………………………… 45 6 工业物联网互联互通白皮书 IIoT 案例四:智能煤矿物联网互联互通解决方案 ………………… 49 案例五:基于工业PON的工程机械互联互通解决方案 ……… 54 案例六:空调噪音数据互联互通解决方案 …………………… 57 附录A:工业物联网互联互通技术标准清单 ……………………… 61 附录B:缩略语 ……………………………………………………… 69 致谢   ………………………………………………………………… 72 7 工业物联网互联互通白皮书 IIoT 一、如何认识互联互通 (一) 对象范围 互联互通是工业物联网发展的关键问题。随着制造业的转型升 级,工业物联网的发展全面渗透到了工业制造的各个领域,工业物 联网将实现制造领域实体间的全面互联互通,将为制造领域中数据 信息的流动提供通道,为制造领域的创新应用模式提供了支撑,从 而促进工业资源的优化配置,推动企业的高质量发展,提升产业经 济附加值。 原有的工业控制系统为工业物联网的互联互通奠定了基础。工 业控制系统主要包括监控和数据采集系统SCADA、分布式控制系统 DCS、过程控制系统PCS及可编程逻辑控制器PLC等,原有工业控 制系统中的仪器仪表或传感器具有数据采集功能,但是采集的数据 和应用范围有限,数据的价值未得到深入地挖掘和全面的释放,尽 管工业控制系统是以解放人力资源、提高生产效率为初衷,但是原 有的工业控制系统实现了小范围的机器互联。 感知技术的发展为工业物联网的互联互通提供了有效的途径。 随着传感器向微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向飞速发 展,工业领域中的传感器应用领域越来越广泛,加上通信技术的发 展,机器的状态、工艺的参数、仓库的库存、在制品的位置等物理 1 工业物联网互联互通白皮书 世界的信息均可以获取,为后续的业务应用提供丰富的数据资源。 网络连接技术和新兴技术的发展为工业物联网的互联互通提供 了基础设施保障和技术支撑。多种网络连接和通信技术用于实现设 备与设备、设备与系统、系统与系统之间的连接问题,并进一步实 现数据的端到端、跨系统的流动。与此同时,为满足工业物联网对 实时性、安全性等的特殊需求,一批适用于工业场景互联互通问题 的新兴技术不断出现。 本白皮书中的互联互通以工业场景下的人员、设备、原料、产 品和环境等要素为对象。分析了工业物联网互联互通面临的挑战, 给出了互联互通技术全景、实施路径以及典型案例。 (二) 网络架构 《工业物联网白皮书》(2017版)中工业物联网是通过工业资 源的网络互联、数据互通和系统互操作构建服务驱动型的新工业生 态体系,是工业物联网的核心基础,代表着工业物联网实现互联互 通的两个阶段,即:互联阶段和互通阶段。工业物联网互联互通网 络架构如图1所示。 互联阶段:对应OSI(open system for interconnection)7层模型 中的物理层、链路层、网络层和传输层。物理层和链路层通过宽带 蜂窝网络、窄带蜂窝网络、现场总线、工业以太网、无源光网络、 工业无线网等连接工厂的传感器、控制器、生产设备等,获取工业 生产全生命周期内不同维度的数据,包括设备、原材料、人员、工 2 工业物联网互联互通白皮书 IIoT 生产设备互联 物品识别定位 能耗自动检测 设备状态检测 工业应用 产品远程运维 配件产品追溯 生产业绩考核 工厂环境检测 大数据 产品 分析云 工业 设计云 应用层 服务云 互通 公有云 设备 …… 阶段 管理云 互联网 传输层 工业防火墙 工业防火墙 工业防火墙 ① ③ 私有云 / 网络层 ⑧ ② 企业数据中心 宽带蜂窝网 工业无线 互联 (3G/4G/5G) (WIA-PA、WIA-FA、 ④ ⑤ ⑥ ⑦ 阶段 PLC 控制器 WirelessHART/wifi、eLTE) 工业网关 链路层 窄带蜂窝网 PLC (NB-IoT/LoRa) 工业以太网 / 无 源光网络 现场总线 物理层 ⑨ PLC ⑩ 边缘控制器 在制品 原料 流水线 环境 作业工人 生产装备 辅助生产设施 仓储物流 PLC 控制器 无线网络 企业专网 公共网络 图1 工业物联网互联互通的网络架构 艺流程和环境等工业资源状态。图1中链路①和②、③和④分别表示 宽带蜂窝网络和窄带蜂窝网络通过无线的方式将生产系统的相关数 据传输到私有云/企业专网或者互联网中;链路⑤和链路⑥分别表示 现场总线可以通过PLC控制器或工业网关以有线的方式连接到私有 云/企业专网;链路⑦表示工业以太网/无源光网络可以直接连接到 私有云/企业专网上;链路⑧表示工业无线以无线的方式将工业数据 传输到私有云/企业专网;链路⑨和⑩表示底层数据也可通过边缘控 3 工业物联网互联互通白皮书 制器或者具有OPC UA协议的PLC控制器通过工业防火墙传输到互联 网;私有云/企业专网的数据也通过工业防火墙传输到互联网。 互通阶段:对应OSI模型中的会议层、表示层和应用层,或 TCP/IP模型中的应用层。工业数据也可通过互联网连接到公有云, 在公有云中实现工厂设备管理、产品设计、大数据分析和工业服务 等功能。 从以上可看出,工业物联网互联互通的网络架构中互联阶段主 要实现物联网泛在化的末端智能感知,通过工业网关、短距离无线 通信、窄带蜂窝网络和OPC UA等互联互通技术,实现无线通信网 络、工业以太网、宽带蜂窝网络等异构网络的安全、高效融合,其 对应于工业

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