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★菲尼克斯電氣中國公司張曉進

1　背景

在智能制造技術(shù)的推動下，某大型冶金公司著手打造一個智能工廠，力圖將其生產(chǎn)流程轉(zhuǎn)型為智能化模式。這一轉(zhuǎn)型的目的是為了克服傳統(tǒng)制造工藝中的多項限制，包括高能耗、高勞動強度、人員密集以及自動化程度不足等，這些都是行業(yè)轉(zhuǎn)型過程中亟待解決的難題。

2　項目需求

菲尼克斯攜手該公司，憑借在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域的成熟經(jīng)驗，通過采用專業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，為工廠提供了一套高可靠性的網(wǎng)絡(luò)解決方案。此方案旨在提高數(shù)據(jù)的實時性和準確性，通過智能化的流程控制和資源優(yōu)化配置，顯著提升生產(chǎn)效率。同時搭配預(yù)測性維護，減少因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機時間，增強生產(chǎn)的連續(xù)性和產(chǎn)品的一致性。經(jīng)過與客戶的深入溝通，菲尼克斯為客戶的現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求定制了以下專業(yè)解決方案：

（1）建立工廠的工業(yè)骨干網(wǎng)絡(luò)，滿足現(xiàn)有業(yè)務(wù)流量需求的同時，需預(yù)留未來數(shù)據(jù)采集、無線覆蓋接入等流量空間。

（2）實現(xiàn)OT與IT的融合對接，同時保證數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

（3）整體網(wǎng)絡(luò)需要具備可靠性、冗余性和主流工業(yè)協(xié)議的兼容性。

（4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要考慮現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備接口和協(xié)議的兼容性。

（5）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要考慮防攻擊、邊界物理和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計。

（6）引入預(yù)測性維護系統(tǒng)，以提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)維護成本和生產(chǎn)停機時間。

3　項目實施

從需求上可看出，該工廠項目在構(gòu)建上與傳統(tǒng)工廠網(wǎng)絡(luò)相比，呈現(xiàn)出顯著的差異，特別是在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上。在這個項目中，我們面對的挑戰(zhàn)是一個高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中光PLC就高達5,000多臺。此網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計方面需要綜合考慮的因素較多，設(shè)計難度較大，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多，因此在設(shè)計過程中需要考慮到網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)單點故障和網(wǎng)絡(luò)阻塞等問題。

（2）龐大的網(wǎng)絡(luò)面臨的安全問題。如數(shù)據(jù)加密、訪問控制、入侵檢測等，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需考慮如何在保證IT與OT融合的同時保障數(shù)據(jù)的安全性和機密性。

（3）如何最大程度地降低此大型網(wǎng)絡(luò)的后期維護成本，如系統(tǒng)的拓撲顯示、系統(tǒng)的IP分配與管理、異常發(fā)生時的快速定位與可追溯性、網(wǎng)絡(luò)運行的詳細日志記錄以及系統(tǒng)的預(yù)測性維護等。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，項目團隊采取了精心的規(guī)劃和策略，將現(xiàn)場劃分為十幾個精心設(shè)計的區(qū)域。每個區(qū)域的劃分都是基于嚴格的計算和考量，包括部署成本、工藝流程的合理性以及區(qū)域功能的需求。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

面對如此龐大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，我們還必須綜合考量數(shù)據(jù)流量的規(guī)模和管理，確保網(wǎng)絡(luò)的高效運行和穩(wěn)定性。我們對數(shù)據(jù)流量進行了深入的統(tǒng)計和分析，以便精確規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，使之不僅能夠滿足當前的生產(chǎn)需求，而且具備足夠的靈活性和擴展性，以適應(yīng)未來的發(fā)展變化。為此，我們設(shè)計了包含百兆、千兆至萬兆不同速率的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在不同區(qū)域，針對不同的數(shù)據(jù)流量進行精細化設(shè)計，通過這種細致的規(guī)劃，我們不僅優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的布局和性能，還提高了整個系統(tǒng)的效率和可靠性。此外，每個區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)配置都經(jīng)過定制，以適應(yīng)特定的操作條件和數(shù)據(jù)傳輸需求，從而實現(xiàn)了整個工廠網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能和最大的靈活性。

同時，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，通過實施分層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和冗余路徑策略，融合IT與OT，我們顯著增強了網(wǎng)絡(luò)的容錯能力和自愈性。如環(huán)網(wǎng)技術(shù)，它通過形成閉合的通信環(huán)路來增強網(wǎng)絡(luò)的連通性，支持單個環(huán)網(wǎng)交換機數(shù)量不少于200臺，單環(huán)200臺時環(huán)網(wǎng)自愈時間不高于15ms；VRRP（虛擬路由器冗余協(xié)議），為關(guān)鍵設(shè)備提供了高可用性；OSPF（開放最短路徑優(yōu)先），一種動態(tài)路由協(xié)議，能夠快速計算出最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸路徑。這些技術(shù)的整合應(yīng)用，不僅顯著增強了網(wǎng)絡(luò)的容錯能力，也提高了網(wǎng)絡(luò)的自愈性，確保了關(guān)鍵業(yè)務(wù)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

此外，項目還集成了智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用菲尼克斯PLCnext作為邊緣控制器，自主開發(fā)了一套網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，采集整個工廠所有交換機信息，實時分析網(wǎng)絡(luò)性能指標，預(yù)測并快速響應(yīng)潛在的故障點，從而保障了網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)穩(wěn)定運行。

圖2 智能監(jiān)控系統(tǒng)

4　項目效益

此項目超過百億的巨額投資，成功集成了企業(yè)多方管理系統(tǒng)，打破了信息孤島，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程的持續(xù)優(yōu)化。通過這一舉措，項目實現(xiàn)了人員、設(shè)備、物料、生產(chǎn)及檢測的全連接，極大提升了運營效率和生產(chǎn)透明度。如在成品車間，全新的工藝設(shè)計，配合機器人自動下盤大幅壓縮機器動作循環(huán)時間，節(jié)省人工60%以上。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)車間相比，車間沒有人頭攢動的場景，取而代之的是無人搬運車來回穿梭、工業(yè)機器人精準作業(yè)，通過智能化創(chuàng)新，產(chǎn)能得到了顯著提升，整體生產(chǎn)效率提高了超過40%。

同時，項目通過利用大數(shù)據(jù)平臺進行深度數(shù)據(jù)分析和智能決策支持，顯著提升了企業(yè)的響應(yīng)速度和市場適應(yīng)性。這同時也為客戶帶來了成本效益的顯著提升。例如，一家領(lǐng)先的輪胎制造企業(yè)通過采用該項目的產(chǎn)品，實現(xiàn)了在不犧牲產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，進而大幅降低了生產(chǎn)成本，增強了其市場競爭力。

作為“智改數(shù)轉(zhuǎn)”的行業(yè)標桿，該項目展示了如何通過智能化改造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，引領(lǐng)企業(yè)邁向工業(yè)4.0時代。客戶因此能夠享受到更靈活的生產(chǎn)能力、更快的市場響應(yīng)速度、更高的客戶滿意度以及更強的競爭優(yōu)勢，確立了其在行業(yè)中的領(lǐng)先地位。

摘自《自動化博覽》2024年6月刊