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光纤到机器,打造智能可持续的制造网络

2022-09-02
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概述

工业4.0,即第四次工业革命,包括工业物联网、人工智能和机器学习、云计算和网络安全,推动了工厂设备的智能化和可持续化转型。智能制造可以提高产量、营业利润率和质量,同时减少浪费和能源消耗。工业4.0需要一张全光网络,实现机器、跨工厂车间、控制室、边缘和云端业务数据快速传输和管理。无源光局域网(POL,又称光LAN)基于光纤到机器(FTTM)架构,在制造场景的长车间产线和恶劣环境中可实现快速、可靠和安全的通信。

迈向工业4.0

自18世纪第一次工业革命以来,随着可编程逻辑控制器 (PLC)的出现,工厂得到不断发展。下一步,面向工业4.0,工厂将提高效率和产出,同时坚持可持续发展,实现“绿色工厂”的目标。工业4.0将数据转化为智能洞察和可视化优势,如提高设备效率和质量、自动化库存管理、降低能源消耗、减少浪费等。图1概括了建设智能、可持续工厂的关键要素。

图1:智能、可持续工厂的关键要素

来源:Omdia

工业4.0需要一张无缝通信网络,连接工厂车间机器、软件应用、数据存储容器和边缘计算。这一过程需要集成、处理和分析海量数据。边缘计算也需要低时延通信网络来支撑关键业务流程和应用程序。同时,底层通信网络必须快速、安全、可靠,且不受工厂环境的影响。这种情况下,无线网络是一种解决方案,但无线网在大型工厂和恶劣环境中速度不够快,网络可靠性和健壮性也较差。相比之下,全光网络可以满足工业4.0的要求。

解决方案—光纤到机器(FTTM)

光纤连接,或全光连接,支持大量对时间敏感、要求低时延的工业设备互联,正成为工业4.0的骨干。在全光基础设施中,FTTM作为关键部分,支持机器视觉和人工智能质量检验,还可用于分析低时延制造控制和管理数据。

POL技术基于无源(免供电)分光器,在工厂中非常关键,光纤抗腐蚀性强,且不受电磁干扰。全光网络还支持跨大型生产线和区域通信。图2展示了采用POL的全光智能工厂场景。

图2:使用无源光网络(PON)设备的POL智能工厂场景

来源:Omdia

与铜缆和无线技术相比,全光网络具备关键优势。虽然无线技术可以支持部分设备间的通信,但它难以满足云端的低延迟数据分析和控制需求。此外,在制造场景下,无线网络受到的干扰往往较多。

传统的铜缆局域网(LAN)由交换机和路由器组成,设备使用五类或六类线连接。图3展示了POL相较于传统非光LAN的优势。

图3:工业4.0场景 POL vs.传统LAN

来源:Omdia

带宽是基于光纤的POL网络关键优势之一。大多数以太网双绞线仅支持100M带宽,只有少数双绞线支持1G带宽。而基于无源光网络的POL可以支持高达10G的对称带宽,未来还可升级至50G,且网络升级简单,无需重复布放光纤。

与传统LAN相比,POL节省了布线、机架和交换机,大幅降低资本支出和运营支出。同时,POL采用无源网络,节省了电力和散热能耗。此外,光缆体积往往小于五类和六类线,减少了布线空间。一张POL网络可以轻松覆盖半径20km甚至40km的园区。

POL采用电信级设备,可靠性高达“五个9”。如有需要,底层网络可提供冗余设计。此外,光纤不受电磁干扰、射频和电磁脉冲的影响。无源光网络网络难以篡改,安全性较高,可以达到国防机构的安全需求。

目前POL方案面临的最大问题是普及度待提升,与传统LAN相比,光网络较为创新,下列案例分析概述了面向工业4.0,光网络在智能制造场景中的应用。

案例分析

比亚迪有限公司是中国的一家上市公司,主营汽车、公共汽车和卡车制造。2022年4月,比亚迪停止了燃油汽车的生产,转投纯电动和插电式混合动力汽车制造。比亚迪从2008年开始量产电动汽车,并于2021年完成100万辆电车量产。光网络在比亚迪实现智能制造目标的过程中发挥了重要作用。得益于POL方案,比亚迪在长生产线上实现高速、低时延的网络连接。与传统铜缆相比,POL将布线成本降低了50%。此外,借助无源组网和高效的网络结构,POL还将功耗降低了40%以上。比亚迪信息中心通信与信息安全部经理罗小平表示:

“我们打造了一个工业云平台,以确保高效高质量生产。新的通信架构将数据中心作为计算中心,实现终端设备的智能管理和控制。通信网络必须支持快速部署、高可靠性和灵活性,而传统网络无法满足这些要求。因此我们选择了POL,以光纤作为传输介质,这也契合了比亚迪‘科技・绿色・明天’的战略目标。”

陕西法士特汽车传动集团(法士特集团)是中国最大的重型汽车自动变速器制造商之一。法士特采用了POL方案,以改善其大型制造设施的生产和质量控制。POL提供了必要的带宽,以在整个制造过程中收集大量数据,然后快速、可靠、安全地展开边缘和云端分析。法士特表示,工业4.0背景下,基于POL解决方案承载业务,提高了集团的产量和运营利润率。

建议

全球许多制造商正采用全光通信网络,实现安全、可靠的宽带通信。全光网络支持人工智能、机器物联网、远程视觉和控制以及数据分析,从而改进了制造流程,完善了效率和质量控制。全光网络还能在恶劣的制造环境中运行,不受化学品、振动或温度的影响。

在全光技术中,POL是实现工业4.0和软件定义制造的关键驱动力,它集成了新的通信技术,同时简化了网络,降低了能耗。POL为制造设施提供了可靠而强大的光纤宽带通信网络,实现了机器间、机器到操作人员以及公司所有团队和部门的全网络覆盖。

因此,建议制造商研究POL技术,了解其能力,以拥抱工业4.0和软件定义制造的趋势。

----注:该报告由华为提供翻译。

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