5.2　网络技术在智能制造中的应用

5.2.1　概念与内涵

我国制造业面临着提高生产制造效率、实现节能减排和完成产业结构调整的战略任务，网络技术将对企业的生产、经营和管理模式带来深刻变革。这里的网络技术主要包括工业物联网、工业互联网、ZigBee等主流网络技术。

（1）工业物联网

工业物联网通过工业资源的网络互联、数据互通和系统互操作，实现在智能制造中原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，达到提高制造效率和降低资源消耗，从而构建服务驱动型的新工业生态体系。工业物联网的出发点是实现工业制造领域的转型升级，与智能制造的目的具有一定的契合度。

（2）工业互联网

工业互联网的内涵用于界定工业互联网的范畴和特征，明确工业互联网总体目标，是研究工业互联网的基础和出发点。工业互联网是互联网和新一代信息技术与工业系统全方位深度融合所形成的产业生态，是工业智能化发展的关键综合信息基础设施。

工业互联网与制造业的融合将带来4个方面的智能化提升。一是智能化生产，即实现从单个机器到生产线、车间乃至整个工厂的智能决策和动态优化，显著提升全流程生产效率，提高质量，降低成本。二是网络化协同，即形成众包众创、协同设计、协同制造、垂直电商等一系列新模式，大幅降低新产品开发制造成本，缩短产品上市周期。三是个性化定制，即基于互联网获取用户个性化需求，也就是通过灵活柔性组织设计、制造资源和生产流程，实现低成本大规模定制。四是服务化转型，即通过对产品运行的实时监督，提供远程维护、故障预测、性能优化等一系列服务，并反馈优化产品设计，实现企业服务化转型。

工业互联网驱动的制造业变革将是一个长期过程，构建新的工业生产模式、资源组织方式也并非一蹴而就，将由局部到整体、由浅入深，最终实现信息通信技术在工业全要素、全领域、全产业链、全价值链的深度融合和集成应用。

（3）ZigBee

ZigBee是一种新兴的短距离、低成本、低速率的无线网络技术。它有自己的无线电标准，是通过数千个微小的传感器之间相互协调来实现通信的。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（PAN）工作组的一项标准，被称为IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准。基于ZigBee技术的无线传感器网络结合其他无线技术可以实现一个无所不在的传感器网络，该网络不仅在环境、医疗、工业、农业、军事等传统领域有极高的应用价值，而且还将扩展到涉及人类日常生活和社会生产的所有领域。

ZigBee网络的每一个数传模块都可以看作是移动网络的一个基站，它可以由多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，模块之间不但可以实现相互通信，两节点之间的距离可以从标准的75m，到扩展后的几百米，甚至几千米。每个ZigBee网络节点本身不但可以监控对象（如传感器连接直接进行数据的采集和监控），还可以自动中转其他的网络节点传过来的数据资料；每一个ZigBee网络节点在自己信号覆盖的范围内可以与多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点实现无线连接；每个ZigBee网络节点可以支持多达31个的传感器和受控设备，甚至整个ZigBee网络都可以与现有的其他各种网络连接。

5.2.2　技术特征

1. 工业物联网

工业物联网表现出六大典型特征：智能感知、泛在连通、数字建模、实时分析、精准控制和迭代优化。

智能感知是工业物联网的基础。面对工业生产、物流、销售等产业链环节产生的海量数据，工业物联网利用传感器、射频识别等感知手段获取工业全生命周期内的不同维度的信息数据，具体包括人员、机器、原料、工艺流程和环境等工业资源状态信息。

泛在连通是工业物联网的前提。工业资源通过有线或无线的方式彼此连接或与互联网相连，形成便捷、高效的工业物联网信息通道，实现工业资源数据的互联互通，拓展了机器与机器、机器与人、机器与环境之间连接的广度和深度。

数字建模是工业物联网的方法。数字建模将工业资源映射到数字空间中，在虚拟的世界中模拟工业生产流程，借助数字空间强大的信息处理能力，实现对工业生产过程全要素的抽象建模，为工业物联网实体产业链运行提供有效决策。

实时分析是工业物联网的手段。针对所感知的工业资源数据，通过技术分析手段，在数字空间中进行实时处理，获取工业资源状态在虚拟空间和现实空间的内在联系，将抽象的数据进一步直观化和可视化，完成对外部物理实体的实时响应。

精准控制是工业物联网的目的。通过工业资源的状态感知、信息互联、数字建模和实时分析等过程，基于虚拟空间形成的决策，转换成工业资源实体可以理解的控制命令，进行实际操作，实现工业资源精准的信息交互和无间隙协作。

迭代优化是工业物联网的效果。工业物联网体系能够不断地自我学习与提升，通过将工业资源数据处理、分析和存储，形成有效的、可继承的知识库、模型库和资源库。面向工业资源制造原料、制造过程、制造工艺和制造环境，进行不断迭代优化，达到最优目的。

2. 工业互联网

工业互联网的核心是基于全面互联而形成数据驱动的智能，网络、数据、安全是工业和互联网两个视角的共性基础和支撑。

其中，“网络”是工业系统互联和工业数据传输交换的支撑基础，包括网络互联体系、标识解析体系和应用支撑体系，表现为通过泛在互联的网络基础设施、健全适用的标识解析体系、集中通用的应用支撑体系，实现信息数据在生产系统各单元之间、生产系统与商业系统各主体之间的无缝传递，从而构建新型的机器通信、设备有线与无线连接方式，支撑形成实时感知、协同交互的生产模式。

“数据”是工业智能化的核心驱动，包括数据采集交换、集成处理、建模分析、决策优化和反馈控制等功能模块，表现为通过海量数据的采集交换、异构数据的集成处理、机器数据的边缘计算、经验模型的固化迭代、基于云的大数据计算分析，实现对生产现场状况、协作企业信息、市场用户需求的精确计算和复杂分析，从而形成企业运营的管理决策及机器运转的控制指令，驱动从机器设备、运营管理到商业活动的智能和优化。

“安全”是网络与数据在工业中应用的安全保障，包括设备安全、网络安全、控制安全、数据安全、应用安全和综合安全管理，表现为通过涵盖整个工业系统的安全管理体系，避免网络设施和系统软件受到内部和外部攻击，降低企业数据被未经授权访问的风险，确保数据传输与存储的安全性，实现对工业生产系统和商业系统的全方位保护。

如图5.4所示为工业互联网体系架构。

3. ZigBee无线网

ZigBee无线网的特征如下。

功耗低：由于ZigBee的低传输速率，仅为1mW的发射功率，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电，据估算，仅两节5号电池ZigBee设备的使用时间就可以达到6个月，甚至两年左右。

延时短：蓝牙需要3～10s、Wi-Fi则需要3s，相比较而言，ZigBee的响应速度比较快；而且ZigBee设备搜索延时为30ms，休眠激活延时为15ms，活动设备信道接入的延时为15ms，由此，ZigBee的通信延时和休眠激活延时也都非常短。

成本优势：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到2美元左右，采用ZigBee网络时无须大量布线，从而降低了设备安装和维护费用，ZigBee协议还免收专利费。

组网灵活：节点可以固定安装，也可以灵活移动安装。ZigBee的网状网络结构具有强大的出错自恢复能力，节点发生故障时，无须人工干预，网络通过自我修复，进而保证整个系统仍然能正常工作。

可伸缩性：无线组织网状网络比其他网络系统具有更好的可伸缩性，只需向已有网络添加接入所需节点，给设备通电，然后进行网络配置便可以增加覆盖区域或在已有区域增加覆盖密度。

网络容量大：一个ZigBee星形网络最多容纳255个ZigBee网络节点，其中包含一个主设备和254个从设备。通过网络协调者的建立，最多可组成一个65535个节点的ZigBee网络，如果再加上各个网络协调者之间的相互连接，那么整个ZigBee网路将会更加庞大，网络节点数目将会十分可观。

可靠性高：ZigBee技术提供了安全的数据传输机制和身份验证功能，采用高级加密算法（AES-128）对报文加密，提供多种安全模式，可以综合考虑功耗、成本、系统处理能力和应用环境等方面而灵活确定合适的安全属性。

5.2.3　典型应用

随着制造企业生产模式从自动化向智能化的转变，生产数据信息急剧增加，工厂生产及办公应用场景更加复杂多样，对工厂的安全、可靠、高效生产提出了巨大的挑战。华为提供无线工厂和无线园区解决方案。其中无线工厂解决方案，即华为OneAir解决方案，包含eLTE宽带集群和NB-IoT窄带物联，采用工业级设计，网络简单，易于维护，能为园区内不同业务的差异化要求提供完美的技术匹配，实现智能工厂物联，生产作业，仓储物流和安全管控。能为各类企业建立连续、可靠、安全、不间断的无线通信网络，奠定工厂实现智能化的坚实基础。

针对不同的业务和频谱，OneAir解决方案有3种技术可供选择：授权频谱的LTE技术，可为宽带数据提供高性能的接入服务；免授权频谱（2.4GHz和5GHz）的LTE技术，可提供相比于Wi-Fi更广的覆盖范围和更优的业务性能；免授权频谱（<1GHz）的eW-IoT技术，可提供机器与机器间可靠的连接，实现大量的工业设备信息采集。这3种技术可融于一张OneAir无线专网，满足不同行业的各类业务需求，从而便于维护、提升运营效率和减少网络建设费用。主要用于轨道交通、港口、露天采矿、智能电网、制造、石油化工等。例如，在地铁，能为列车和控制中心提供稳定不间断的通信以支持车地间语音、数据和视频传输等业务应用；在港口，提供及时通信和各类宽带接入业务，如语音集群、视频监控、TOS、RCMS数据和Tally系统；在智能电网，提供DA和AMI回传，也提供增值业务，如宽带集群、视频监控、宽带接入。

无线园区解决方案，将Wi-Fi应用到办公的各个领域，通过开放、互联的敏捷网络，可以无缝融合Wi-Fi与LTE接入方案，构建一个与运营商网络体验一致的无阻碍、高品质的支持数据、语音通信的无线网络。将工厂内人与物、人与人有机连接起来，为智慧工厂提供全方位的运营革新，极大地提高了工厂人员的沟通效率与生产效率，推动制造企业创新发展。