5.2　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

5.2.1　概念與內(nèi)涵

我國制造業(yè)面臨著提高生產(chǎn)制造效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和完成產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將對企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營和管理模式帶來深刻變革。這里的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、ZigBee等主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（1）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實(shí)現(xiàn)在智能制造中原料的靈活配置、制造過程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應(yīng)，達(dá)到提高制造效率和降低資源消耗，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動(dòng)型的新工業(yè)生態(tài)體系。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的出發(fā)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級，與智能制造的目的具有一定的契合度。

（2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵用于界定工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的范疇和特征，明確工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體目標(biāo)，是研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)全方位深度融合所形成的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，是工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)的融合將帶來4個(gè)方面的智能化提升。一是智能化生產(chǎn)，即實(shí)現(xiàn)從單個(gè)機(jī)器到生產(chǎn)線、車間乃至整個(gè)工廠的智能決策和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，顯著提升全流程生產(chǎn)效率，提高質(zhì)量，降低成本。二是網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同，即形成眾包眾創(chuàng)、協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同制造、垂直電商等一系列新模式，大幅降低新產(chǎn)品開發(fā)制造成本，縮短產(chǎn)品上市周期。三是個(gè)性化定制，即基于互聯(lián)網(wǎng)獲取用戶個(gè)性化需求，也就是通過靈活柔性組織設(shè)計(jì)、制造資源和生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模定制。四是服務(wù)化轉(zhuǎn)型，即通過對產(chǎn)品運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)督，提供遠(yuǎn)程維護(hù)、故障預(yù)測、性能優(yōu)化等一系列服務(wù)，并反饋優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的制造業(yè)變革將是一個(gè)長期過程，構(gòu)建新的工業(yè)生產(chǎn)模式、資源組織方式也并非一蹴而就，將由局部到整體、由淺入深，最終實(shí)現(xiàn)信息通信技術(shù)在工業(yè)全要素、全領(lǐng)域、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的深度融合和集成應(yīng)用。

（3）ZigBee

ZigBee是一種新興的短距離、低成本、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，是通過數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)通信的。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱為IEEE 802.15.4（ZigBee）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合其他無線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)無所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)不僅在環(huán)境、醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等傳統(tǒng)領(lǐng)域有極高的應(yīng)用價(jià)值，而且還將擴(kuò)展到涉及人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)數(shù)傳模塊都可以看作是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，它可以由多達(dá)65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，模塊之間不但可以實(shí)現(xiàn)相互通信，兩節(jié)點(diǎn)之間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾千米。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身不但可以監(jiān)控對象（如傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控），還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料；每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)可以與多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線連接；每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持多達(dá)31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備，甚至整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)都可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連接。

5.2.2　技術(shù)特征

1. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)表現(xiàn)出六大典型特征：智能感知、泛在連通、數(shù)字建模、實(shí)時(shí)分析、精準(zhǔn)控制和迭代優(yōu)化。

智能感知是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。面對工業(yè)生產(chǎn)、物流、銷售等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)利用傳感器、射頻識(shí)別等感知手段獲取工業(yè)全生命周期內(nèi)的不同維度的信息數(shù)據(jù)，具體包括人員、機(jī)器、原料、工藝流程和環(huán)境等工業(yè)資源狀態(tài)信息。

泛在連通是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的前提。工業(yè)資源通過有線或無線的方式彼此連接或與互聯(lián)網(wǎng)相連，形成便捷、高效的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息通道，實(shí)現(xiàn)工業(yè)資源數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，拓展了機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人、機(jī)器與環(huán)境之間連接的廣度和深度。

數(shù)字建模是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的方法。數(shù)字建模將工業(yè)資源映射到數(shù)字空間中，在虛擬的世界中模擬工業(yè)生產(chǎn)流程，借助數(shù)字空間強(qiáng)大的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程全要素的抽象建模，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行提供有效決策。

實(shí)時(shí)分析是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的手段。針對所感知的工業(yè)資源數(shù)據(jù)，通過技術(shù)分析手段，在數(shù)字空間中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，獲取工業(yè)資源狀態(tài)在虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間的內(nèi)在聯(lián)系，將抽象的數(shù)據(jù)進(jìn)一步直觀化和可視化，完成對外部物理實(shí)體的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

精準(zhǔn)控制是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的目的。通過工業(yè)資源的狀態(tài)感知、信息互聯(lián)、數(shù)字建模和實(shí)時(shí)分析等過程，基于虛擬空間形成的決策，轉(zhuǎn)換成工業(yè)資源實(shí)體可以理解的控制命令，進(jìn)行實(shí)際操作，實(shí)現(xiàn)工業(yè)資源精準(zhǔn)的信息交互和無間隙協(xié)作。

迭代優(yōu)化是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的效果。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系能夠不斷地自我學(xué)習(xí)與提升，通過將工業(yè)資源數(shù)據(jù)處理、分析和存儲(chǔ)，形成有效的、可繼承的知識(shí)庫、模型庫和資源庫。面向工業(yè)資源制造原料、制造過程、制造工藝和制造環(huán)境，進(jìn)行不斷迭代優(yōu)化，達(dá)到最優(yōu)目的。

2. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是基于全面互聯(lián)而形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全是工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)視角的共性基礎(chǔ)和支撐。

其中，“網(wǎng)絡(luò)”是工業(yè)系統(tǒng)互聯(lián)和工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸交換的支撐基礎(chǔ)，包括網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系、標(biāo)識(shí)解析體系和應(yīng)用支撐體系，表現(xiàn)為通過泛在互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、健全適用的標(biāo)識(shí)解析體系、集中通用的應(yīng)用支撐體系，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)在生產(chǎn)系統(tǒng)各單元之間、生產(chǎn)系統(tǒng)與商業(yè)系統(tǒng)各主體之間的無縫傳遞，從而構(gòu)建新型的機(jī)器通信、設(shè)備有線與無線連接方式，支撐形成實(shí)時(shí)感知、協(xié)同交互的生產(chǎn)模式。

“數(shù)據(jù)”是工業(yè)智能化的核心驅(qū)動(dòng)，包括數(shù)據(jù)采集交換、集成處理、建模分析、決策優(yōu)化和反饋控制等功能模塊，表現(xiàn)為通過海量數(shù)據(jù)的采集交換、異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成處理、機(jī)器數(shù)據(jù)的邊緣計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓袒?、基于云的大?shù)據(jù)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場狀況、協(xié)作企業(yè)信息、市場用戶需求的精確計(jì)算和復(fù)雜分析，從而形成企業(yè)運(yùn)營的管理決策及機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的控制指令，驅(qū)動(dòng)從機(jī)器設(shè)備、運(yùn)營管理到商業(yè)活動(dòng)的智能和優(yōu)化。

“安全”是網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)在工業(yè)中應(yīng)用的安全保障，包括設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、控制安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全和綜合安全管理，表現(xiàn)為通過涵蓋整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的安全管理體系，避免網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和系統(tǒng)軟件受到內(nèi)部和外部攻擊，降低企業(yè)數(shù)據(jù)被未經(jīng)授權(quán)訪問的風(fēng)險(xiǎn)，確保數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)的安全性，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和商業(yè)系統(tǒng)的全方位保護(hù)。

如圖5.4所示為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。

3. ZigBee無線網(wǎng)

ZigBee無線網(wǎng)的特征如下。

功耗低：由于ZigBee的低傳輸速率，僅為1mW的發(fā)射功率，并且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電，據(jù)估算，僅兩節(jié)5號電池ZigBee設(shè)備的使用時(shí)間就可以達(dá)到6個(gè)月，甚至兩年左右。

延時(shí)短：藍(lán)牙需要3～10s、Wi-Fi則需要3s，相比較而言，ZigBee的響應(yīng)速度比較快；而且ZigBee設(shè)備搜索延時(shí)為30ms，休眠激活延時(shí)為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的延時(shí)為15ms，由此，ZigBee的通信延時(shí)和休眠激活延時(shí)也都非常短。

成本優(yōu)勢：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到2美元左右，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)無須大量布線，從而降低了設(shè)備安裝和維護(hù)費(fèi)用，ZigBee協(xié)議還免收專利費(fèi)。

組網(wǎng)靈活：節(jié)點(diǎn)可以固定安裝，也可以靈活移動(dòng)安裝。ZigBee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的出錯(cuò)自恢復(fù)能力，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，無須人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)通過自我修復(fù)，進(jìn)而保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。

可伸縮性：無線組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)比其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有更好的可伸縮性，只需向已有網(wǎng)絡(luò)添加接入所需節(jié)點(diǎn)，給設(shè)備通電，然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置便可以增加覆蓋區(qū)域或在已有區(qū)域增加覆蓋密度。

網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)最多容納255個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中包含一個(gè)主設(shè)備和254個(gè)從設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的建立，最多可組成一個(gè)65535個(gè)節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者之間的相互連接，那么整個(gè)ZigBee網(wǎng)路將會(huì)更加龐大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目將會(huì)十分可觀。

可靠性高：ZigBee技術(shù)提供了安全的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和身份驗(yàn)證功能，采用高級加密算法（AES-128）對報(bào)文加密，提供多種安全模式，可以綜合考慮功耗、成本、系統(tǒng)處理能力和應(yīng)用環(huán)境等方面而靈活確定合適的安全屬性。

5.2.3　典型應(yīng)用

隨著制造企業(yè)生產(chǎn)模式從自動(dòng)化向智能化的轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息急劇增加，工廠生產(chǎn)及辦公應(yīng)用場景更加復(fù)雜多樣，對工廠的安全、可靠、高效生產(chǎn)提出了巨大的挑戰(zhàn)。華為提供無線工廠和無線園區(qū)解決方案。其中無線工廠解決方案，即華為OneAir解決方案，包含eLTE寬帶集群和NB-IoT窄帶物聯(lián)，采用工業(yè)級設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)簡單，易于維護(hù)，能為園區(qū)內(nèi)不同業(yè)務(wù)的差異化要求提供完美的技術(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)智能工廠物聯(lián)，生產(chǎn)作業(yè)，倉儲(chǔ)物流和安全管控。能為各類企業(yè)建立連續(xù)、可靠、安全、不間斷的無線通信網(wǎng)絡(luò)，奠定工廠實(shí)現(xiàn)智能化的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

針對不同的業(yè)務(wù)和頻譜，OneAir解決方案有3種技術(shù)可供選擇：授權(quán)頻譜的LTE技術(shù)，可為寬帶數(shù)據(jù)提供高性能的接入服務(wù)；免授權(quán)頻譜（2.4GHz和5GHz）的LTE技術(shù)，可提供相比于Wi-Fi更廣的覆蓋范圍和更優(yōu)的業(yè)務(wù)性能；免授權(quán)頻譜（<1GHz）的eW-IoT技術(shù)，可提供機(jī)器與機(jī)器間可靠的連接，實(shí)現(xiàn)大量的工業(yè)設(shè)備信息采集。這3種技術(shù)可融于一張OneAir無線專網(wǎng)，滿足不同行業(yè)的各類業(yè)務(wù)需求，從而便于維護(hù)、提升運(yùn)營效率和減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用。主要用于軌道交通、港口、露天采礦、智能電網(wǎng)、制造、石油化工等。例如，在地鐵，能為列車和控制中心提供穩(wěn)定不間斷的通信以支持車地間語音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)應(yīng)用；在港口，提供及時(shí)通信和各類寬帶接入業(yè)務(wù)，如語音集群、視頻監(jiān)控、TOS、RCMS數(shù)據(jù)和Tally系統(tǒng)；在智能電網(wǎng)，提供DA和AMI回傳，也提供增值業(yè)務(wù)，如寬帶集群、視頻監(jiān)控、寬帶接入。

無線園區(qū)解決方案，將Wi-Fi應(yīng)用到辦公的各個(gè)領(lǐng)域，通過開放、互聯(lián)的敏捷網(wǎng)絡(luò)，可以無縫融合Wi-Fi與LTE接入方案，構(gòu)建一個(gè)與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)一致的無阻礙、高品質(zhì)的支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音通信的無線網(wǎng)絡(luò)。將工廠內(nèi)人與物、人與人有機(jī)連接起來，為智慧工廠提供全方位的運(yùn)營革新，極大地提高了工廠人員的溝通效率與生產(chǎn)效率，推動(dòng)制造企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。