思科系统行业与解决方案技术总监 侯胜利
今天,其实每个人都是联结在互联网当中的。在以前的工业化时代,大家可能更关心的是物和人之间的联系,于是运用包括PLC、MES等在内的技术,实现自动化、可视化,让工业机器的接口能够与人进行沟通。在信息化时代,我们再往前走一步,开始关注流程,把整个的流程、物与人结合在一起。今天,进入到互联网时代,我们又把这各式各样的复杂数据整合在一起,实现了以社交化,在平台化为例的一些沟通。这一切改变,使得制造企业在今天和以前,以及过去有所不同。今天,思科倡导全方位地把人,物和流程信息这些多种多样的系统整合在一起,构建以人为本的物联制造解决方案。
图1 以人为本的物联制造解决方案
现阶段,我们正站在互联网的第三次浪潮之巅。大家可以回想一下,第一次互联网行业的巅峰,是由以雅虎、新浪、搜狐、腾讯、网易为代表的互联网人创造的。他们专业传统地进行了互联网信息和技术的发展。互联网的第二个阶段,则是由互联网中了解传统行业的巨头推动,如典型的百度、阿里。他们虽然是在做互联网,但他们对零售或是其他一些传统行业信息是更加了解的。今天,我们正处于第三次互联网浪潮的巅峰,越来越多的行业翘楚会是从传统企业中走出的,浪潮将由传统行业中具备互联网思维的人引领。制造业也好,旅游业也好,或者是其他企业,利用互联网思维对传统企业进行改造和创新,就能给整个行业带来一种全新的模式和深刻的变化。今天的互联网企业已经越来越多,以前我们谈互联网思维,或者互联网企业,都是在消费互联网的范畴,如生产和市场服务服务、个人消费服务、基础设施服务,以及这些服务市场的一些大数据分析。目前,互联网是从消费互联网向工业互联网迈进的,如德国的工业的4.0,还有美国的特斯拉,以及其他企业的一些创新,传统行业中会诞生出越来越多的互联网模式,会有越来越多的工业设备和工业控制系统连接到互联网中,真正地实现物、数据和人的有机整合。
根据麦特卡尔夫定律,网络价值等于网络连接数的平方。基于这样一种理论和模式,思科提出一种方式,来帮助客户企业转型为互联企业。
• 企业内互联 思科在任何环境,任何介质中,跨越了企业不同的硬件、软件平台,为企业提供数据共享服务;在任何时间,任何设备中,具备提供服务应用的能力;在企业内部,设置各式各样的分支机构,实现跨地域的协同互动。
• 企业间互联 目前的行业分工越来越细致,企业有越来越多的上游供应商,下游代工、零售商,企业之间构成一个有机的生命体。在企业与企业之间,有大量的数据沟通需求,思科富媒体的内容传播能力、弹性、可度量的服务提供能力以及将海量数据转化为智慧的洞察分析能力可以在所有不同的企业之间提供优质的信息传递服务。思科所传递的不仅仅是数字的信息,也可能是企业间的语音信息,或是视频信息。
• 企业与终端互联 思科最终要实现的,是企业各式各样的终端设备之间的互联,以网络为载体,让应用和资源能够互相匹配。
图2 打造互联企业
思科的智能制造解决方案正是基于以上三点互联布局,来帮助企业一步一步实现制造的转型升级。以前传统的制造业工厂中,可能设备比较多,环境比较嘈杂脏乱。思科的制造企业工厂解决方案让这类情况得到了极大的改善。整个工厂里面有超过50%的设备是物联的,具备可视化的操作功能。工厂的生产人员或者是管理人员在自己的PC机上面可以实时地观察到每一条生产线,每一个器具之间的运行状态。具体的设备及其状态在界面上以不同的颜色及图标进行显示,让观测者可以直观清晰地了解到整个工厂的运行状况。企业通过物联网可以自动地进行生产,并由设备和系统提供出企业所需的生产计划或是生产报告。所有的生产状况通过视频监控的方式,或者是通过传感器数据显示的方式,让企业的管理者可以随时随地知道每一个生产车间的状态。
图3 思科互联制造企业工厂解决方案
大家都知道思科生产路由器,交换机等设备,但思科没有自己的工厂,生产制造由分布在全球的各个地方的合作厂商完成。其中在中国,东莞,重庆,还有上海的浦东,上海附近有三个大的生产基地。所有跟思科合作的生产厂商的所有系统都是要跟思科的ERP系统整合在一起的。思科在深圳有整个亚太区的生产区。对于关键的合作厂商,双方的ERP、MES等系统以“云”的方式整合在一起,思科要看到它们生产线的状况,看到它们的上游库存量,备品备件是怎么样的。思科不仅仅是一个企业,而是一个跨企业的整合。今天,企业的生产的网络有一个新的变化,原来企业的管理网络跟企业的生产网络会有两化的融合,即把工业控制和信息化的管理控制在一起。
打造智能工厂,实现万物互联的基础是拥有一个可靠的,开放的信息和控制网络。我们需要明白,工厂的信息系统并不像互联网那样自由。相反,它是基于严格等级的,具有明确作用区域的网络。
根据目标数据和目标用户的不同,工厂的信息系统可以分成5个层次:
• 面向企业的资源管理系统
• 面向工厂的制造执行系统
• 面向现场管理的生产监控系统
• 面向制造工艺的过程控制系统
• 面向设备控制的自动控制系统
图4 工厂网络架构
工厂网络顶层是传统的ERP,再往下是工业控制,然后是人机界面,最后是设备的控制。它们采用的网络技术完全不一样。这对于工厂信息共享,万物互联带来了很大的困难。例如,工厂的IT系统用户很难去获取一个生产工艺参数。是因为他可能不清楚控制层和设备层的网络实现方式。另外,数据的存储也是各自独立和分割的,每个系统有自己的历史数据服务器,数据存储格式也是千差万别。
云计算和移动设备正在打破这种分割模式。制造系统可能和互联网一样,信息系统转变成以提供云服务的方式来运转。网络服务变得更透明和复杂。信息系统和控制系统的边界不再那么清晰。网络物理站点的部署也更为灵活。网络站点使用网络提供的服务,而不需要依赖网络的实现细节。
所以这些的技术发展,要求一个能够贯彻控制层和信息层的网络通信协议。Ethernet/IP就是这样一个协议。它对网络设备以提供服务的方式,满足了各种不同的设备的对通信的需求。
现在,系统和设备全部是通过以太网的方式进行连接,以进行实时控制。比如在啤酒厂,会有洗啤酒瓶的生产线,如果用传统的工业控制总件,不能把所有的生产线全部设备聚在一起,而用了工厂网络控制以后,可以支持250个工业控制设备,或是更高。一条生产线用工厂网络去做统一的控制,让它可以同步同时的做这些工作。在目前,新型的工厂会把传统的工业控制总件以及生产网络融合在一个真正的网络中,里面的设备、机器人、传感器等设备都是以太网的接口,或者是无线网络的接口,然后连在它的生产线当中来进行总体的控制。
工业网络从传统的三层架构,向全厂的以太网进行转换是一个趋势。在以太网发展的早期,三层网络是一个标准的选择。这是因为,早期以太网的一些限制,如访问冲突,半双工和10mb带宽限制了以太网在控制系统的应用。但是,随着交换机技术的成熟,带来了以太网性能的不断提高。使它同样可以适用于原来通常由我们称之为现场总线所擅长的领域。高速交换技术满足了现场控制要求的实时性,与此同时,弥补了现场总线带宽不足的缺点。QoS(保证质量的通信服务)技术保证了高优先级的数据可以优先通过,从而实现可靠的控制。全厂以太网给用户带来的好处不仅仅包括提高带宽。另外一个革命性的优势是在网络架构方面提高了灵活性,这意味着,设备可以根据物理位置来选择最佳接入点,虚拟网(VLAN)支持它根据需要选择网络分段。这是给网络布线的成本和维护性带来了不可估量的提高。但是,安全性成为了一个问题。接入以太网是如此简单,数据可以在任何时候任意流动。网络管理员必须想办法从内部和外部保护他们的设施不受侵害。网络架构师需要仔细规划各个网段并控制网络的交通,创建针对不同权限用户的访问机制。
为了能够在我们工业的环境中去使用,Ethernet需要做一个全新的变革。Ethernet/IP的时间同步,基于IE新标准1588。在交换机、路由器上面,思科要保证100ns精度,保证时间,让运动控制的方式可以用到网络当中,可以同步去实现。然后保证数据的安全,防止信息的泄露,数据包丢失了以后,可以快速的重发,保持快速的应用。思科用的不是PCP的方式,而全部是UDP,当一个数据包丢失了以后,可以去发下一个包以保证信息的完整,而不是有一个好的闭环方式。
图5 Ethernet/IP应用
思科是Ethernet/IP的创始成员,很多像西门子这样的合作伙伴,都是Ethernet/IP的成员。我们会有两化融合的活动,进行工业控制、以太网的整合。传统的IT网络,或者是信息化,其实已经没有办法满足工业控制的要求。思科会和合作伙伴一起,去构建这种信息的架构,也就是说在这样的架构当中去创建大家所看到的工业安全,工业控制,工业对移动性的要求,以及在网络中进行的语音视频传递。我们常用的3G或是4G手机,在使用工业网络的半导体工厂里是没有办法使用。但工厂里面的管理人员,和他下面的生产班子成员沟通还是通过手机。我们需要的手机是基于IP,也就是说全部是基于WIFI的,不支持这种3G、4G。我们生产线的不同的模式,可以支持环形的生产线,或者是多用途的连接方式,也就是说可以通过新型的、环形的,或者是其他的方式的同步,去适应我们的生产线,跟我们的系统整合在一起。
基于这样的方式,大家可以看到,在工厂当中,或者是工业控制当中我们对IT设备要求,跟传统的办公环境会有所不同。思科跟合作伙伴做专业的交换机是三层的,二层的工业控制的交换机,工业控制的防火墙,工业控制的无线的设备。思科不仅自己生产,还把这些给自己的合作伙伴。他们将5000系列、8000系列的产品跟思科把工业级的设备结合到生产线当中来。这样的好处就是所有的工业设备,跟思科的传统的应用于企业网当中的设备都是一样的。
思科把服务器存储专门应用于工业的存储的环境,并不是只有国外在用,国内没有使用。实际上,过去的几年当中,中国也有大量的企业,会把它们的控制网络进行融合。汽车生产线把生产线融合在一起,统一网络架构和平台进行管理。整个的网络当中,不同的生产线都是通过工业的交换机来连接它的工业控制器并通过工业的人机界面进行管理。汽车行业为了实现更好的工业保护,可以进行专门的合作包装来防尘、防电。
图6 某汽车厂融合制造网络
在钢铁企业,如首钢或宝钢等这些大型的钢铁生产企业,他们所采用的生产控制,都是运用思科的IE3000控制方式来进行整体管理。无论是传统的钢铁、汽车制造等企业,还是一些新的系统,都可以通过这样的方式进行两化融合,把工业控制网络和OA网络控制在一起,更好地实现资源的整合。
图7 某钢铁企业网络案例
以上是企业内部,通过工业控制网络把生产管理控制系统和OA系统整合在一起。另一方面,如何在企业内部,或者是企业之间进行互联,来实现这样的方式呢?在企业当中,如果想要实现生产销售,需要跟各个分支机构、上下游厂商,通过语音、视频、微信、微博等方式进行各式各样的连接。我们希望在我们的企业网络当中,和互联网是可以打通的。在这个架构上有多种多样的应用,为我们的企业提供很好的服务。
我们企业要用的协同办公能够为企业带来更多增值的价值。在整个企业当中,我们的用户可以通过多种多样的方式进行连接。基于这样的变化,所有的智能手机,平板、电脑,或者是桌面的视频终端,所有系统都是可以整合在一起的。思科所提供的视频功能,就像打电话一样简单易用。不同的分支机构、会议室、培训中心不需要特别来建立一个视频会议,视频会议就像打电话一样的,非常灵活的整合在一起。从个人桌面,各式各样的终端,大型的视频会议室,到视频的终端,专用的设备,再到桌面用腾讯QQ,或者是其他的方式,这些所有的方式是可以很灵活的整合在一起的。无论是在办公室,还是在外面出差,都可以很好地进行整合。同时这些系统可以跟企业内部的私有云整合在一起,也可以跟外面的混合协作云整合在一起。企业各个部门要开会或做其他的活动,都非常灵活,甚至可以和销售商进行整合。找哪一个负责人,直接可以跟他用QQ交流或者直接进行视频通话,这些所有的功能都可以方便地使用,并且很灵活的跟现有的云协作整合在一起。
图8 移动互联企业的架构
通过上述这些的方式,思科可以帮助客户构建一个企业自己内部的,跨企业之间的,甚至企业和所有终端设备之间的互联网络,让制造企业所有人员之间有良好的整合体验,屹立于第三次互联网的浪潮之巅。
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