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1、工业SDN网络关键技术与测试床 Technologies and testbed of software defined industrial networks 工业互联网网络技术发展 工业SDN网络架构与关键技术 测试床介绍 1 2 3 目录 网络技术发展历程 商用网络：非确定性 工业网络：确定性 Ethernet CSMA机制 非CSMA机制： TDMA、令牌、 轮询传统工业网络： Profinet、 Ethercat、 Modbus 新一代工业网络： 工业SDN、 Time-Sensitive Networking Switch BestEffort机制 非BestEffort机制： T
2、DS、TrafficShaper 商用网络发展历程 网络技术理论准备阶段(19601970) 电路交换技术：通话前建立连接，通话过程中资源独占； 分组交换技术：非连接，链路空闲时传输。 网络技术竞争阶段(19701993) 电信数据网：70年代分组交换技术X.25、80年代帧中继和ATM技术； 计算机网络：60年代包交换网络ARPANET、70年代TCP/IP和OSI参考模型。 网络技术IP化时代(19942008) 90年代以后，随着万维网(WWW)技术的诞生，IP技术毫无争议的成为数据通信的核心技术。 后IP时代(2009) IPv6、面向内容的网络、Overlay等技术。 总结：商用网络
3、是建立在统计复用的基础理论之上，通过不断提高带宽满足不断增加的 吞吐量的要求，大概率满足用户需求，但并不保证每时每刻的每个业务都满足需求。 传统工业网络技术 Profinet时分调度机制 出现在IEEE 802.3以太网技术成熟之后，借鉴了以太网 的帧结构； 标准以太网的多路接入是通过竞争性的CSMA/CD机制， 当网络容量增加，对物理介质产生竞争的概率也会提 高，难以提供确定性的实时保障； 修改协议和实现方式，通过时分、轮询、令牌、集总 帧等机制避免竞争； 由于修改的层次不同，能够达到的实时性程度不同。 总结：工业网络是建立在确定性调度原理之上，从机理 上避免CSMA竞争，保证每一个数据包的
4、实时性。与之对 应，商用高带宽网络虽然可以在大多数情况下提供很小 的传输时延，但并不能保证在最坏情况下也能提供确定 的传输时延。 100ms10ms1ms 不同实时程度的工业网络技术 过程自动化/管理系统、工厂自动化和运动控制对带宽和实时性的要求各不 相同，目前也都有适合不同场景的网络技术，各网络之间通过网关实现应用 级互联。 Gateway 工业控制网络现状 工业网络存在问题和扁平化发展趋势 当前分层割裂的工业控制网络架构严重阻 碍了信息的高效互联，需要构建新的扁平 的工业控制网络架构。 工业互联网迫切需要工厂内IT和OT网的高 效融合。 工业控制网络与企业信息化系统网络技术体系各异，难 以
5、融合互通。 工业生产全流程存在大量“信息死角”，亟需实现网络全 覆盖。 工业制造过程与互联网的融合不足，难以催生新模式、 新业态。 IT/OT 全面融合 融合网络的功能 融合接入 支持多种工业以太网协议终端设备的接入 支持标准以太网设备的接入 支持与数据中心/工业云的对接 融合互联 支持标准以太网设备之间的IP互联 支持工业以太网设备之间的IP/非IP互联 融合管理 统一的拓扑管理、设备管理、警报管理、业务管理、性能管理、审计管理、报表管 理。 IT&OT融合的工业互联网工厂内网 视频流 控制流 感知流 语音流 DCS MES ERP 控制平面 移动节点 工业SDN 控制器 服务器 北向接口
6、南向接口 数据平面 Internet 服务器 基于SDN的工业融合网络架构 工业融合网络采用扁平化的网 络架构，IT和OT设备都统一接入 Web用户 到同一个融合网络中。 网络设备 控制器 交换机 终端 网络接口 北向接口：流量特征和需求 南向接口：策略配置管理 核心是既要保证IT业务的高带 宽，又要保证OT业务的高实时。 数据流策略 IT业务流特征 OT业务流特征 优先级 调度策 略和交 换模型 网络模型 定量的网 络指标 （时延和 可靠性） 分析方法 控制面 转发面 主要思路 中国科学院沈阳自动化研究所、中国信息通信研究院、SAP中国研 究院联合完成 测试床介绍：软件定义的可重构智能制造验
7、证示范平台 测试床背景和目标 离散制造业高度个性化定制的需求快速增长，但传统的刚性、用于大批量制造的生产系统是根据产 品量身定制的，一旦产品设计或生产需求发生变化，生产系统的结构和控制系统调整周期过长，难 以快速响应变化。因此，传统的制造模式和生产系统难以支持高度个性化定制产品的快速、规模化 生产。 当前：产线人工调整 产品变化或生产设备损坏 ，生产线停产与软件重新 设计，并重置组态流程与 设备配置； 耗时：天-周。 期望：产线智能自适应调整 生产设备的能力、位置等信息自动发布，系 统可以快速查询、推理、自组织生产设备； 根据产品和状态变化，产线的软硬件和工艺 流程自动重组，大幅缩短产线调整周
8、期。面向：个性化需求高、产品更新速度快的离散制造业 现有制造流程 产品 设计 工艺 规划 管理软件设计 网络部署设计 控制系统设计 机械结构设计 部署 调试 机械结构 工业网络 管控软件 针对生产工艺定制 刚性部署 当生产工艺发生变化， 必须离线调整； 调整周期：几周-几个月 产品 生产 目前的自动化系统是类似于汇编的编程架构，修改难度大，复用率低 IT&OT融合的工业网络 高速无线 通信 面向工厂的 设备互联互通 设备信息采集 生产信息感知 软件定义 控制系统灵活重构 控制网络 管控信息混流传输 打通设备互操作接口 CPS管控系统 语义化构建数字工厂模型库动态服务 建模组合引擎 生产设备即插
9、即用 程序、任务动态重构 MES 云平台 设备监测分析 电商平台 工单管理 生产控制 质量管理 生产分析 ERP 订单管理 物料管理 计划管理 主数据管理 软件定义可重构智能制造验证示范平台 大规模定制业务支持系统 用户对产品配置和属性个性化选配系统 制造执行系统 设备、系统互联的工业SDN 制造分析平台 可重构的模块化智能自动化生产系统 可重构、模块化生产单元 自动物料运输系统 智能机器人 全要素设备、人、物料智能互联 通信系统 （无线通信） 传感器Sensor 标签RFID 平台架构 工业互联网CPS管控 底层设备智能化、Web化； 生产资源/设备能力模型化； 通过统一模型实现工艺到控制的
10、 自适应贯通。 MES系统 软件定义网络 服务适配器 TCP/IP 机床/机器人 智能控制器 服务组合 Web Service /UA 消息总线 复杂事件处理 WebService/ 消息总线 信息、网络、控制 统一模型 单步控制 动作组合 生产过程编排 工艺分解 ProfiNet CPS管控系统 生产系统根据订单变化动态调整结构 生产系统的结构模块化、可移动； 基于工业SDN网络使控制系统可以灵活重构； 订单数量激增时，系统自动判断生产瓶颈； 生产控制系统在数字工厂虚拟资源库中查询备用工位； CPS智能管控软件重新组合虚拟的生产资源，并自动 调用备用、可移动工位； 可移动工位自动融入生产系统
11、； 订单数量减少时，可移动工位退出生产系统。 典型应用场景 生产设备、生产过程信息无线化感知，节省了布线的周期和成本； 基于SDN技术，实现异构网络快速集成，控制系统灵活组网； 产品变化，语义规则库在线调整，产线动态重构； 生产设备虚拟化，即插即用； 生产设备状态实时感知，预测性维修。 实现个性化定制产品的快速、规模化生产； 控制系统编程复杂度降低90%； 设备可用时间提升30%； 生产系统的结构和控制程序随产品、生产需求 的变化而调整的周期缩短60%。 测试床价值 2015.12习近平主席参观 机械结构可重构子系统 2016.6.14德国总理默克尔 参观机械结构可重构子系统 6月14日，德国
12、总理默克尔在沈阳期间 实地参观了中国科学院沈阳自动化研 究所的机械结构可重构子系统，并对 生产线表现出极大的兴趣。 12月16日，中国科学院沈阳自动化研究所解决方 案亮相第二届世界互联网大会。开幕式当天，中共 中央总书记、国家主席中共中央政治局常 委、中央书记处书记刘云山等到展台详细了解了该 解决方案。 2017.2.23马凯副总理 参观验证示范平台 2月23日，中共中央政治局委员、国务院副总理 马凯视察沈阳自动化研究所，实地参观了软件定 义的可重构验证示范平台，并听取了于海斌所长 的现场介绍，给予高度评价。 测试床影响 中国信通院：工业互联网展览发改委：十二五科技成果展（参观） 2017年9
13、月，中国科学院沈阳自动化 研究所参展由中国信息通信研究院举 办的工业互联网展览。 中国科学院沈阳自动化研究所提出的可重构互联制造 解决方案将参展2017年9月下旬开幕的由国家发改委 举办的主题为“砥砺奋进的五年”大型成就展，以个 性化定制的零部件装配为背景，实现了高度个性化定 制、生产工艺流程和机器人任务在线自动重组等功能。 测试床影响 2016年11月16日下午，在浙江乌镇举行的第三届世界互联网大会上，首 次发布了由国际权威的评审团队从全世界征集的500余项互联网领域高水 平成果中遴选出来的15项世界互联网领先科技成果。其中，中科院沈阳 自动化研究所与德国SAP公司联合研发的解决方案成功入选（其它获奖 单位包括：特斯拉、IBM、微软、三星、百度、阿里、腾迅、中科院量 子通信以及寒武纪芯片等）。该解决方案体现了两国总理提出的“中国 制造2025”与“德国工业4.0”对接的指导思想。 世界互联网大会 中科院科技成果转化亮点工作 中国自动化学会年度最具价值解决方案 测试床影响 工业互朕网产业联盟 Alliance of Industrial Internet THANKS ，
