工业光网白皮书

四通八达

工业互联网产业联盟发布的《工业光网白皮书》
一、工业光网概述 （一）工业光网的建设背景 2015-2016 年国务院相继发布了《关于积极推进“互联网+”行动 的引导意见》和《关于深化制造业与互联网融合发展的引导意见》， 首先提出推动互联网与制造业融合，提升制造业数字化、网络化、 智能化水平，加强产业链协作，发展基于互联网的协同制造新模式。 2017 年 11 月，国务院印发了《关于深化“互联网+先进制造业”发 展工业互联网的引导意见》，将工业互联网上升为我国“制造强国” 的国家战略，《意见》指出应增强工业互联网产业供给能力，持续 提升我国工业互联网发展水平，以推动现代化经济体系建设。2019 年的全国两会上，“工业互联网”成为“热词”写入《2019 年国务院政 府工作报告》。在 2020 年的政府工作报告中，工业互联网成为我国 新基建（新型基础设施建设）的核心战略，肩负着产业升级和企业 转型高端设备制造生产能力的重大发展使命。 工业互联网作为实体经济数字化转型的关键支撑，网络属性是 其中重要的组成部分，是工业互联网的基础底座。它实现了生产要 素之间的数据传输和传输信息间的数据理解。在实际应用中可通过 有线、无线方式实现工业互联网体系相关的人机物料法环以及企业 上下游、智能产品、用户等全要素连接，实现端到端数据传输，并 通过数据和信息在各要素、系统间的无缝传递，使得异构系统在数 据层面能相互“理解”，从而实现数据互操作与信息集成的能力。 优质的网络属性是工业企业实现生产自动化和管理信息化的坚实基 础。 1
2 在我国，工业企业前期发展主要聚焦在生产自动化。企业整体 的信息化建设起步较晚，工厂内部网络并未能有效、按需连接和管 理全部的生产要素。企业的不同生产网间，企业与第三方平台之间 也并未做到充分的互联互通。工业网络具有很大的改造与发展空间， 其中包括：  网络中存在信息孤岛：企业在部署工业网络时，前期主要聚 焦于生产环节，而信息化、数字化建设起步较晚，导致生产 管理网络未能覆盖必要的生产要素，部分生产网内仍然存在 信息孤岛，无法实现按需的生产数据跨系统互通和融合分析；  工业网络设备国产化率不足：随着国际关系的复杂，传统非 国产化工业网络设备的使用限制开始显现，同时针对工业企 业的网络攻击也频繁出现。传统工业网络设备的国产化率不 高，无法做到自主可控，具有企业信息泄露的安全性风险；  工业网络协议标准不统一，不开放： 目前工业现场总线和 工业以太网的种类繁多，协议互不兼容，工业领域缺乏一套 能够兼容、转换多种协议和数据建模分析的综合性解决方案， 传统工业设备的自动化信息化改造成本较高；  传统设备组网结构不灵活：随着多元化的生产需求的出现， 工业网络要求生产设备能够接入网络，新增设备节点可以随 时加入网络但不影响网络中其他设备的运行。管理方面，用 于生产设备可按需划分在不同生产域进行管理。在不同生产 网间，企业与第三方平台之间也会根据管理协同的要求进行
3 网络的联通。相比之下传统的工业网络缺乏灵活扩展的能力， 且不同厂家设备间的壁垒依旧存在；  复杂工业场景下网络部署难：工业应用场景复杂多样，部分 场景的工业现场设备所处环境差，干扰大，部署端到端网络 进行成产管理和控制的难度较大。 工业互联网产业联盟已经发布了《工业互联网体系架构（版本 2.0）》，其中明确工业互联网的部署将为传统工业网络带来融合、 开放、灵活的特点，未来的工业网络将向着以下的方向发展：  网络架构逐步融合：网络结构扁平化，实现IT网络与 OT 网 络的逐步融合。此外高实时控制信息与非实时过程数据可共 网传输；  网络更加开放：新型网络技术将实现网络各层协议间的解耦， 推动工业互联网网络技术的开放。生产全流程的数据将换为 统一的协议格式通过API接口开放给上层工业应用使用；  网络控制和管理更为灵活友好：网络形态灵活。支撑根据业 务灵活的进行网络调整，快速构建出生产环境。此外网络管 理应具有友好的可视化界面；  网络设备自主可控：网络设备具有一定的国产化基础，可按 需为企业提供自主可控的管理能力；  网络安全可靠：采用新型工业互联网技术部署的工业网络应 保证在不同应用场景下安全可靠的运行。此外网络还具备保 护和自愈能力。
在工业互联网的众多网络技术类型中，工业光网凭借其高效、 灵活、易管控等网络特点使其作为有线网络的一种部署形式涌现出 来。工业光网采用的光网络技术已在公众电信网络中取得了广泛的 应用，具有深厚的实践基础。在工业场景下，工业企业可以通过部 署一张工业光网连接工业生产、环境监控与信息管理网络，降低了 网络部署的层级和复杂性，为企业提供了高效、可靠的网络连接和 数据互通能力。 （二）工业光网的概念 1.什么是光网络 光网络（Optical Network）通常是指采用光纤作为主要传输介 质的广域网、城域网或者局域网。光网络技术不仅仅表示将数据简 单的通过光纤进行传输，而是指在光纤这个基础的传输媒质上，利 用先进的光电控制技术实现多节点网络互联和灵活调度，以使得网 络具有天然的高带宽、低时延、低损耗、易运维、抗干扰的传输特 点的网络技术。 光网络已经经历了多代的发展，不仅实现了全球光网络技术标 准、光接口的统一，还定义了对光信号质量监控、故障定位和配置 等重要的网络管理功能。2020 年 2 月，国际组织 ETSI 正式成立了 第五代固定网络（F5G）工作组，研究新一代光网络，即全光网络的 建设。全光网的发展目标是通过将光纤技术全面应用于各种场景， 将大家熟知的“光纤到家”推进到“光联万物”。未来，光网络将向从全 光联接（FFC）、增强型固定宽带（eFBB）、可保障的稳定体验 4
（GRE）三个维度演进和发展，近年来通信业界高频率出现的千兆光 纤网络所覆盖的关键领域，也正是全光网络所覆盖的关键领域。 2.工业网络与光网络结合 中国工业制造业经过近几十年的飞速发展，规模已经跃居世界 第一，目前正处在转型的攻坚阶段，以完成量到质的转变，向高端 制造业强国迈进。工业互联网是企业转型升级的抓手之一。与此同 时，我国拥有全球最大的全光基础网络，也是光通信产业最蓬勃发 展的国家之一。我国拥有多个世界领先的光通信技术企业。将光网 络技术与工业相结合具备天然的条件和优势。此外光网络具有高带 宽、低时延、低损耗、易运维、抗干扰的优点。这些优点可满足企 业在智能制造转型升级过程中的网络需求，同时又可以保证其网络 的安全、便捷和易用。 3. 工业光网的定义 工业光网是采用光网络技术互联工业企业全生产要素的组网形 式，采用光纤作为传输媒质，属于工业互联网中有线网络。 工业光网不只是将工业以太网或工业总线简单承载在光纤中进 行传输，而是采用已在公用电信网络中广泛应用的光网络技术，如 PON、OTN技术等，为用户提供兼具保障性和扩展性的光网组网方案。 企业可以通过建设一张全光网实现工业网络的生产控制、厂区监控、 办公业务的统一接入等，完成人、机、物的全面互联。此外，还可 以按照发展需要将工业光网与工厂内现有网络相结合，实现工业光 网与工业以太网、5G、WIFI等网络技术的融合组网。 5
（三）工业光网的总体架构 1. 工业光网的总体架构 工业光网是工业 OTN、工业 PON、工业光总线等光网络技术的总 称，整体架构示意图见图 1，企业可根据实际的建网需求部署： 图 1 工业光网的体系架构图 工业 OTN 设备可以部署于工业园区网络中的园区骨干网，用于 连接园区云基础设施、园区公共服务网络和企业生产网络，此外还 可通过部署 OTN 网络实现不同园区的互联互通以及园区到公有云/公 共客户网络的连接。 工业 PON 设备可以部署于企业车间级和工厂级，用于承载企业 的生产、监控和办公业务。此外还可以通过在车间级部署工业 PON 设备实现工业协议的转换，为不同类型的现场级设备、传感器与企 业信息管理和云服务平台之间提供基于标准化统一协议的业务承载 能力。 6
7 工业光总线设备可以部署于企业生产网络中的现场级，用于现 场级主站 PLC 之间，或主站与生产网内其他从站的全光总线互联。 2. 工业光网可实现的价值 工业光网具备传统光通信网络的优点，包括带宽容量大、损耗 低、支撑长距离传送、抗电磁干扰能力强、安全性能和保密性好等。 此外针对工业网络的运行特点，工业光网有着良好的协议兼容性和 管理自主可控能力，可以为工业企业带来可观的应用价值，具体包 括： 自主运营和管理能力：工业光网可完全部署于企业内网，并 可在企业内部设置管理平台，提供工业光网设备的自主运维 和管理能力，使生产、管理数据均不出企业；  网络部署灵活便捷：在已部署的工业光网中新增业务节点， 对正在运行的其他网络节点无影响。且工业光网部署中含有 大量无源器件，无需外部电源供电，同时光纤本身具有长距 离传输、抗电磁干扰、抗雷击的特点，适用于各类场景；  网络开放，可扩展性强：当产线升级或生产业务、流程变动 时，工业光网可快速支撑产线扩容和改造、支撑柔性生产；  自主可控：工业光网设备已实现国产化，设备自主可控程度 高，可以保证企业的信息安全自主治理的要求；  设备、接口标准化：工业光网具有国际标准化的设备体系和 统一的接口类型，支撑异厂家设备的互联互通；  设备兼容性：工业光网设备支撑协议转换功能，可将工业现
场设备繁多的通信协议映射为统一的协议类型进行传输；  安全可靠性：当多节点同时失效时，网络中的其余光节点仍 能保持正常通信。 根据以上对工业光网的概述，本白皮书将探讨如何将工业光网 技术应用在工业领域，为企业提供一张高质量、高可靠、高兼容度、 高安全性的网络，帮助企业便捷的实现生产要素全连接。 二、工业光网的应用范围和行业部署场景 （一）工业光网的应用范围 1. 工业园区网络 （1）园区内骨干网连接 园区骨干网主要指园区公共服务网，由于园区内企业众多，业 务应用丰富，对网络带宽需求大（链路采用万兆甚至100G互联通道， 接入的各企业侧需要采用千兆或者万兆互联），同时极为看重网络 安全和传输可靠性。部署网络时，需要在设备性能、带宽能力、接 入用户能力、安全防护等多个方面进行综合考虑。工业光网根据自 身特点可以作为园区骨干网络的部署解决方案。 （2）跨园区协同 随着智能化生产和柔性制造方式的推广，企业需要面向订单对 多个园区或园区内外的生产资源统筹调配，可在生产过程各环节同 供应链并行组织生产方案，并可对生产运行状态进行监控。园区内 8
外协同应支撑企业调配、组织不同生产网的资源、满足多个生产网 的协同生产、支撑多厂区的实时数据采集等。工业光网的硬管道、 良好的业务隔离度和安全性是跨园区协同应用下很好的解决方案。 2. 企业管理网络 （1）企业信息网络互联 传统企业的信息网络分散部署着各类IT管理系统，如MES、PLM、 ERP、SCM、CRM 等。为了打破信息孤岛、提高运营效率，会将上述 分散部署在各服务器的IT系统集中部署到工厂内数据中心/云平台， 进行数据的联合分析，快速决策。不同的部署方式会引起网络架构 的变化。无论采用哪种部署方式，均可以采用工业光网连接各类IT 管理系统模块，作为可靠的信息数据承载通道。 （2）企业管理云化 随着云技术的应用，一些企业的信息系统逐步尝试在企业内网 与外网应用云技术。当前，越来越多的 IT App也基于云平台提供服 务。企业与云基础设施的连接需求在增加。工业光网可作为连接工 业生产网和企业信息网中云基础设施的可靠通道，也可作为企业私 有云和公有云互联协同应用的业务承载网络。 （3）IT 和 OT 网络融合 工业互联网业务发展使工厂内网络呈现出融合、开放、灵活的 发展趋势，其中融合趋势带来了网络结构的扁平化。传统的“两层 三级”网络架构严重影响着信息互通的效率，随着大数据分析和边 缘计算业务对现场级实时数据的采集需求，OT 网络中的车间级和现 场级将逐步融合（尤其在流程行业），同时 MES 等信息系统向车间 9
和现场延伸的需求，推动了 IT 网络与 OT 网络的融合趋势。工业 光网可以实现企业 IT 和 OT 的融合组网以及工业数据可靠有效的在 IT 和 OT 间传输。 3. 工业生产网络 （1）生产信息采集 生产环境的信息采集是数字化、智能化生产的重要前置条件， 在工业互联网的智能工厂中，企业级IT管理运营系统对现场实时生 产过程数据和设备运行状态数据有着强烈的需求。工业光网可以作 为工业企业生产设备与企业IT管理运营系统间的数据承载通道，连 接现场级设备与上层管理实体（如服务器、SCADA系统等），实现工 业生产设备运行状态、运行环境、传感器数据等生产相关信息的采 集，还可用于生产指令下达、厂区视频监控等重要业务数据的承载。 （2）边缘计算 未来超过70%的数据和应用将在边缘进行处理。在工业场景应用 中，边缘计算在生产过程的预测性维护、产品的质量保证、以及流 程优化方面对企业的生产经营有很大帮助。此外，企业还可以基于 边缘计算平台提高生产工艺与流程的柔性，支撑个性化生产。工业 光网可以提供边缘计算所需要的数据承载通道，还可在数据汇聚节 点设备中集成计算算力，按需实现边缘计算功能。 （3）柔性生产调度 在个性化定制或批量定制过程中，生产会根据订单的切换而发 生变化，这要求生产域能够根据需求进行灵活重构，智能机器可以 10
11 在不同生产域间调整和迁移。工厂内的网络架构须能够适应快速组 网与灵活调整的需求，工业光网设备可以结合网络切片技术并采用 集中管控以实现生产设备的灵活划域组合，并能够快速发现设备重 新组网时出现的问题，引导现场人员快速进行处理。此外，工业光 网还可以满足智能化生产对网络时延、抖动、带宽提的更高要求。 （二）工业光网的行业应用场景 工业光网的应用场景涵盖生产制造与企业信息化的各个环节。 按照从内到外划分，主要包括企业内部各要素互联的智能化生产、 个性化定制以及企业不同生产网和供应链之间的或企业与云平台之 间的网络化协同等应用场景。 1. 工业光网在离散制造业的场景应用 （1）网络的特点和面临的挑战 离散制造业中的制造的产品往往由多个零件经过一系列并不连 续的工序加工装配而成，因此涉及的生产终端类型较多，数字化生 产背景下企业会非常关注产品各个生产环节的数据信息采集。一般 离散制造企业车间生产过程中的数据通常包括物料、加工设备、工 装、加工过程、质量等，涉及了制造实行中的各个环节，导致离散 制造业车间管理过程复杂，接入终端数量繁多。总体来说，离散制 造业的数据管理网络存在以下问题：  制品情况，成产设备关键数据未能按需送达管理层；  接入终端数量繁多，网络带宽无法支撑；  数据采集的实时性不能满足要求，造成企业对市场变化的响 应速度慢；
12  企业级管理信息难以深入到车间级和设备层；  传统交换机组网方案设计导致机柜多，网络重载。 （2）工业光网在传统汽车制造行业的应用和创造的价值 某汽车零件制造企业需要建立车间信息高速通道，实现现场级 生产终端和数据采集、MES 等信息系统的高速连接。 经过多种方案比较，企业最终选择部署工业光网，基于工业 PON 技术建设其智慧制造车间高速网络和数据采集系统，组网架构 见图 2。其组网方案为：  OLT通过以太网接口上联SCADA系统，通过PON接口接入ONU设 备，实现数控机床、拧紧机等工业设备与上层系统的联通；  ODN系统利用现布放的光纤，在车间通信柜中增加分光器增 加设备尾纤实现；  ONU网络在安装车间通信柜中，利用现有五类线布线接入到 各种数控机床、拧紧机以及工业设备。ONU采用模块化设计， 基本单元不变，通过配置不同的模块适配不同的业务和协议， 降低了部署成本；  ONU下挂多业务智能工业数据采集网关系统，该网关集成有 RS232/485、以太网、数字和模拟接口等多种输入资源，实 现对各种总线的工业现场级设备的接入和数据采集。智能网 关将采集到的信号进行统一的协议、数据转换，将车间生产 基础数据信息采集汇聚到SCADA系统，为MES系统提供设备的 实时信息，同时为MES系统提供设备管理和工艺下发的链路。
13 图 2 工业 PON 在智能化车间应用组网架构图 通过工业 PON 的部署为客户实现了以下价值：  实现了网络扁平化和大带宽、多业务承载：全光纤组网，采 用二层扁平架构，实现弹性扩容。支撑多业务接口，满足工 业互联网生产控制、数据采集、无线专网承载、行政办公各 种应用场景。实现低时延、大流量，满足承载工业控制、数 据采集、无线承载等各种业务工厂实际应用需求；  实现了现场设备的数据采集分析：通过在工业智能网关中内 置数据采集模块，能够低成本实现异构网络的联通和车间生 产全基础数据的采集，客户通过监控和分析生产数据，实现 了产线良品率的大幅提升，显著提高利润；  提高了网络稳定性和安全性：抗电磁干扰能力强，采用无源 设备，组网简单，提高了网络稳定性。通过双路光纤保护、 双机热备、工业级ONU满足了厂区安全性要求。 （3）工业光网在智能化产线的场景应用和创造的价值 图3是某企业的智能电子元器件组装测试生产线中每个环节对其
14 工业网络的性能需求总览。 图3 智能电子元器件组装测试生产线网络性能需求总览 企业智能化产线的生产流程包括SMT贴片加工、焊接、测试、整 机等环节。企业很快发现现有的工业网络性能无法支撑智能化的生 产模式，具体表现在：  AOI高清晰度的过程图片达到450M/张，每天上传照片1200张 +/台，数据量大，只能经过压缩才能上传。压缩后可到 20~30M，但由于压缩比较大，清晰度只能支撑基本分析；  部分现场级生产终端的日志要求达到秒级实时上传，且经常 有数据丢失现象；  贴片机抛料、贴片影像文件每台设备均会生成，每台设备每 天生成的文件量巨大，可达到1万+个，目前无法支撑数据的 实时上传。 工业企业通过选择工业PON技术组建支撑其智慧制造车间高速业 务承载和数据采集的网络，组网架构见图4。组网方案为：
15 图4 智能产线采用工业PON技术组网架构图  ONU安装在线槽立柱内以节省空间；  采用两级分光以连接不同区域的生产设备，其中一级分光器 安装在桥架线槽内；二级分光器安装在本槽立柱内。 通过工业光网的部署为客户实现了以下价值：  实现了各类生产终端的网络连接，通过部署工业PON设备提 供了足够的带宽承载能力。可以满足大带宽应用，如AOI高 清晰度照片的传输等，工业企业利用生产终端上送的数据实 现更深度的分析功能；  业务通过光纤承载和基于时分复用的通道化传输方式， 降低了传输时延，有利于承载时延敏感的数据业务，如贴片 机日志信息等；  网络部署通过大量ONU和小型化的无源器件，无需额外的机 房，相比传统交换机方案提供了更灵活部署方式。