工业PON2.0构建工业4.0神经网络

3/1/2018,2017年11月27日，国务院印发了《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，这是落实“加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”要求的重大举措。该指导意见明确提出了采用工业无源光网络（PON）先进技术实施工业企业内网改造的意见，提出在2020前初步建成低时延、高可靠、广覆盖的工业互联网网络基础设施，并同时要求强化复杂生产过程中设备联网和数据采集能力，实现企业各层级数据资源端到端的集成的发展目标。

中兴通讯作为全球领先的通信厂家，积极参加“中国制造2025”国家战略，和运营商共同拓展工业网络市场。2016年中兴通讯在业界率先推出的工业无源光网络（PON）1.0解决方案已经成为国内工业企业工厂内网改造的新选择，目前在机械、铸造、冶金、有色金属、发动机等行业已得到规模应用。针对工业现场设备种类繁多、接口和总线协议不统一等导致的数据资源端到端集成无法实现的问题，中兴通讯联合合作伙伴共同推出工业无源光网络（PON ）2.0解决方案，实现了IT网络和OT网络贯通，使工厂内网更扁平，生产智能化实施更简捷，工业4.0生产智能化神经网络更合理。

一、工业4.0神经网络是工厂内网络建设目标

众所周知，人工神经网络是由大量处理单元互联组成的非线性、自适应的信息处理系统，包含输入层、隐含层和输出层。与人工神经网络相似，工业4.0神经网络是通过工业全系统的互联互通，实现工业数据的无缝集成，形成工业智能化的“神经系统”；工业互联网平台为数据汇聚、建模分析、应用开发、资源调度、监测管理等提供支撑，形成工业智能化的“神经中枢系统”，物理感知层、接入层到应用层形成工厂内的神经网络，从而发展出智能制造、网络协同、个性化定制等新模式。

工业4.0神经网络的构建面临诸多挑战：首先，目前工厂内网络IT网络、现场级OT网络、工厂级OT网络三者间互不相通，传统OT网络的工业总线技术封闭且协议标准繁多，OT网络和IT网络完全隔离，数据采集困难；其次，现有工业网络存在带宽低、架构复杂、成本高等诸多弊端；此外，目前大部分工业制造企业IT能力相对薄弱，网络管理能力不足，安全问题频发。因此急需新的技术来进行工厂内网络改造，快速有效实现生产智能化。

二、工业PON 2.0解决方案

近期，中兴通讯联合中国电信、明匠智能等合作伙伴共同推出工业PON2.0解决方案，在成熟应用的工业PON1.0解决方案基础上技术升级，实现了标准工业协议兼容、协议容器、多种协议转换、数据采集、远程数据接入、安全访问等功能，IT、CT、OT三网互联形成一个互通的内网，帮助制造企业快速构建工业4.0扁平化的工厂内神经网络。


图1 工业PON 2.0构架图

工业PON 2.0方案在工业PON开放的平台架构上实现协议兼容功能、数据采集功能。如图2，协议兼容技术是把异种通信协议通过协议转换、数据转换、地址空间重映射等技术手段转换成统一协议，包括Profinet、Profibus、CClink、EthernetIP、Modbus、FOCAS等各类工业协议转换为OPC-UA协议、FDT等协议统一协议北向连接到MES系统。协议兼容技术在工业互联网体系架构中处于产业数据采集交换位置，通过总线协议将设备数据、生产信息和环境数据等采集，然后通过统一协议为数据集成处理提供接口。


图2 工业PON 2.0协议兼容示意图

数据采集是生产智能化基础，也是“信息化和工业化两化”融合的先决条件，利用泛在感知技术对多源设备、异构系统、运营环境、人等要素信息进行实时高效采集和云端汇聚。


图3 工业PON 2.0网关组成示意图

工业PON2.0网关提供以太网、RS232、RS485、RS422等丰富的接口资源，实现多业务数据采集和传输。通过工业PON2.0网关可以实现生产线单个设备或者一组设备的智能化改造，将车间的生产单元改造成为智能生产单元，将生产工艺参数、设备运行状态、能源信息、环境信息以信息树的形式将数据传递给生产线上的其他单元，从而构建面向智能化的决策与控制指令的新型工业4.0神经网络。

三、工业PON 2.0解决方案特点
1、全光扁平网络架构
工业PON 2.0系统在工厂内网络实现了OLT、ONU两层网络互通贯通，融合了协议兼容转换模块、数据采集模块等物理感知层次，数据采集交流更快捷，工厂内网络更趋扁平，契合工业4.0神经网络构架。

2、三合一融合网关 
工业PON2.0网关是融合型网关，集成了数据采集、数据通信、协议兼容三大功能，单一设备上实现各种主流工业通信协议兼容适配、实现工厂人、机、料、法、环各生产要素的实时数据采集、跟踪和控制，实现数据从物理设备、各加工序、工厂内信息系统和各级管理层级的纵横互联互通，为智慧安全、智慧生产、智慧能效等生产智能化应用提供数据支撑。

3、适用性广
   工业PON2.0网关可以支持工厂复杂恶劣的生产环境，具备高性能处理器，配置灵活，支持多点采集、远程接入、断点续传等功能，适用于无总线接口设备、数控机床/设备、基于嵌入式板卡、基于PLC的各类机器人等各类数据采集场景应用。

4、成熟可商用
工业PON2.0已经在国内著名发动机企业试点应用，实现了车间内的所有设备的联网及数据采集，企业利用生产数据进行预测性维护分析、产品过程质量分析等应用，提高产线生产效率10%，降低缺陷产品率40%，降低设备故障停机时间50%，取得了良好的应用效果。