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1、 张锐利 张 军 冯 义 卢 希 朱恺真 张 旭 朱立彤 赵艳领 刚轶金 高洪福 向正权 王志军 张 薇 韩丹涛 汤春荣 廉 林 高 波 张大为 曹正民 刘梦晗 马建刚 周湖喜 中国电子节能技术协会 绿色全光网络专业委员会(ONA)中国勘察设计协会智能分会 华为技术有限公司 中国电子工程设计院有限公司 中国五洲建筑设计院有限公司 机械工业第六设计院有限公司 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 中国机械工业建设集团有限公司 上海诺基亚贝尔股份有限公司 长飞光纤光缆有限公司 神州数码集团股份有限公司 烽火通信科技股份有限公司 PREFACE 前 言 习近平总书记在党的二十大报告中指出:“建设现代化
2、产业体系。坚持把发展经济的着力点放在实体经济上,推进新型工业化,加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国。”2021 年 12 月 28 日,中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、教育部、科技部、财政部、人力资源和社会保障部、国家市场监督管理总局、国务院国有资产监督管理委员会等八个部委,联合印发“十四五”智能制造发展规划,明确提出了我国智能制造“两步走”战略:到 2025 年,实现转型升级成效显著,70%的规模以上制造业企业基本实现数字化网络化,建成 500 个以上引领行业发展的智能制造示范工厂;到 2035 年,规模以上制造业企业全面普及数字化网络化,重点行业、
3、骨干企业基本实现智能化。随后,各个省份也陆续发布了相应细则支撑,智能制造示范工厂已经在全国各地如火如荼地开展建设。工业 4.0 是以智能制造为主导的第四次工业革命,旨在通过信息通信技术和信息物理系统相结合的手段,推动制造业向智能化转型。智能制造在制造过程中利用实时数据分析、人工智能(AI)和机器学习,不仅要采用新型制造技术和装备,还要将快速发展的信息通信技术渗透到工厂,在制造领域构建信息物理系统,改变制造业的生产组织方式和人际关系,带来研发制造方式和商业模式的创新转变。此白皮书基于当前 F5G 技术在制造行业的应用和实践经验,阐述了智能制造 F5G 网络建设特点、网络系统、应用场景、网络架构、
4、优势、生态等,目的为进一步加快 F5G 技术在智能制造领域的认知和应用普及,促进我国智能制造的快速发展。CONTENTS 目 录 第一章 智能制造的发展趋势.1 1.1.术语和缩略语术语和缩略语.2 1.2.智能制造的发展趋势智能制造的发展趋势.3 第二章 智慧工厂网络建设趋势与挑战.5 2.1.智慧工厂典型应用及网络诉求智慧工厂典型应用及网络诉求.6 2.2.智慧工厂网络趋势与挑战智慧工厂网络趋势与挑战.10 2.2.1 工厂网络业务云化的趋势.10 2.2.2 WLAN 无线局域网应用的趋势.11 2.2.3 网络运维简化的趋势.12 第三章 智慧工厂 F5G 全光网定义和技术优势.14
5、3.1.智慧工厂智慧工厂 F5G 全光网定义全光网定义.15 3.1.1 F5G 定义.15 3.1.2 智慧工厂 F5G 全光网定义.16 3.2.智慧工厂智慧工厂 F5G 全光网和传统网络差异全光网和传统网络差异.18 3.2.1 网络架构差异.18 3.2.2 综合布线差异.20 3.2.3 差异总结.21 3.3.智慧工厂智慧工厂 F5G 全光网技术优势全光网技术优势.22 3.3.1 简架构的优势.22 3.3.2 高可靠的优势.24 3.3.3 智运维的优势.25 第四章 智慧工厂 F5G 全光网设计.28 4.1.智慧工厂智慧工厂 F5G 全光网架构全光网架构.29 4.2.智慧
6、工厂生产网络设计智慧工厂生产网络设计.29 4.2.1 生产网业务需求.29 4.2.2 生产网 F5G 网络架构.30 4.2.3 生产网 F5G 综合布线设计.31 4.2.4 生产网 F5G 设备选型建议.34 4.3.智慧工厂办公网络设计智慧工厂办公网络设计.36 4.4.智慧工厂安防监控网络设计智慧工厂安防监控网络设计.37 第五章 智慧工厂 F5G 应用案例.39 5.1 半导体电子行业案例半导体电子行业案例.40 5.1.1 东方日升滁州 F5G 智慧工厂.40 5.1.2 双良集团双良硅材料(包头)F5G 智慧工厂.42 5.1.3 烽火通信 F5G 智慧工厂.44 5.1.4
7、 长飞智慧全光园区&工厂.46 5.2 车辆装备行业案例车辆装备行业案例.47 5.2.1 东风岚图 F5G 智慧工厂.47 5.2.2 比亚迪汽车 F5G 智慧工厂.49 5.2.3 徐工集团 F5G 智慧工厂.51 5.2.4 一汽大众 F5G 智慧工厂.53 5.3 轻工业行业案例轻工业行业案例.55 5.3.1 人福药业 F5G 智慧工厂.55 5.3.2 山东某药业 F5G 智慧工厂.57 第六章 智慧工厂 F5G 全光网生态建设.59 6.1 F5G 全光网产业链全光网产业链.60 6.2 F5G 全光网主要厂商全光网主要厂商分析分析.61 6.2.1 华为技术有限公司.61 6.
8、2.2 上海诺基亚贝尔股份有限公司.62 6.2.3 长飞光纤光缆股份有限公司.62 6.2.4 烽火通信科技股份有限公司.63 6.2.5 浙江一舟电子科技股份有限公司.63 6.2.6 江苏亨通光电股份有限公司.64 6.2.7 浙江光大通信设备有限公司.64 声 明.65 1 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 1 第一章 智能制造的发展趋势 2 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 2 1.1.术语和缩略语术语和缩略语 AAA:Authentication,Authorization and Accounting 认证、授权和计费 AC:A
9、ccess Control 访问控制 AGV:Automated Guided Vehicle 自动导引运输车 AP:Access Point 访问接入点 APS:Advanced Planning and Scheduling 先进规划排程系统 CRM:Customer Relationship Management 客户关系管理 DMS:Desktop Cloud Management System 桌面云管理系统 DMZ:Demilitarized Zone 隔离区 ERP:Enterprise Resource Planning 企业资源计划 IoT:Internet of Thing
10、s 物联网 MES:Manufacturing Execution System 制造执行系统 MSTP:Multi-service Transport Platform 多业务传送平台 OLT:Optical Line Terminal 光线路终端 ODN:Optical Distribution Network 光分配网络 ODF:Optical Distribution Frame 光分配架 ONA:Optical Network Anywhere 绿色全光网络专业委员会 ONT:Optical Network Terminal 光网络终端 OMCI:ONU Management and
11、 Control Interface ONU 管理和控制接口 ONU:Optical Network Unit 光网络单元 OSU:Optical Service Unit 光服务单元 OTN:Optical Transmission Network 光传输网 PDA:Personal Digital Assistant 个人数字助理 3 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 3 PDH:Plesiochronous Digital Hierarchy 准同步数字体系 PoE:Power over Ethernet 以太网供电 POL:Passive Optical LA
12、N 无源光局域网 PLM:Process Lifetime Management 进程周期管理 P2MP:Point-to-Multipoint 点到多点 PON:Passive Optical Network 无源光网络 POTS:Plain Old Telephone Service 传统电话业务 QMS:Quality Management System 质量管理体系 RFID:Radio Frequency Identification 射频识别 SDH:Synchronous Digital Hierarchy 同步数字体系 SFP:Small Form-factor Pluggab
13、le 小型可插拔 SRM:Supplier Relationship Management 供应商管理 UPS:Uninterruptible Power Supply 不间断电源 WAC:Wireless Access Controller 无线接入控制器 WLAN:Wireless Local Area Network 无线局域网 XGS-PON:10 Gigabit-capable Symmetric Passive Optical Network 对称 10G 比特无源光网络 1.2.智能制造的发展趋势智能制造的发展趋势 当前,我国智能制造发展已从初期的理念普及、试点示范阶段进入到试点
14、示范引领、供需两端发力、多方协同推进的新阶段。未来智能制造领域主要有以下几个趋势。低碳的趋势:低碳的趋势:中国提出了“双碳”目标,力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。作为先进生产力代表的智能制造,与“双碳”关系密切。未来制造企业会利用大数据、人工智能和物联网技术,在智慧园区内建设基于智能制造核心驱动的能效管理系 4 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 4 统,对设备能耗信息、环境信息及运营信息进行统计、分析,得出与能涌消耗及能滞效率相关的决策性数据和信息,帮助管理人员了解历史和当前的能涌使用状况,预测未来的能耗趋势,辅助管理人员做出正确的能滞改善
15、策略,实现多能涌、多业态和多用户的综合管理。“双碳”对于厂商而言,是一个发展契机,覆盖产品、技术、营销等诸多方面。IT 和和 OT 融合的趋势:融合的趋势:制造业曾经的常见应用是项目管理、研发管理和协同工具等,随着数字化时代的发展,实现了软件化并产生了大量数据。这些数据分为两类:IT 数据与 OT 数据。基于物理实体的基本状态,将两类数据融合,可以构建设施、设备和产品的完整数字孪生模型,涵盖从收到订单、制作生产到发货物流监控全过程,实时监测,还可以在数字世界提前预测未来可能的业务变化,做出数据驱动的决策,提高智能制造敏捷性。海比研究院数据显示,厂商技术关注度排行榜第一名是数据安全,23%的厂商
16、表示这是他们重点关注的技术。之所以出现这一现象,是因为数据是 DT(数据技术)时代的基石,数据安全作为数据治理的重要组成部分,关乎数据治理的成败。无论出于业务发展的内在需要,还是 中华人民共和国数据安全法 等外部合法合规要求,如何做好数据安全治理、保障数据安全,是如今制造企业和智能制造软件厂商需要重视的问题。中国制造业体量庞大,在数字中国的宏观环境下有强烈的智能化改造需求。随着“中国制造 2025”战略不断落实,物联网、云计算、人工智能等新兴技术的大力推动,我国智能制造软件行业处于成长阶段,在此阶段绝大多数制造企业正从粗放管理转向精细化、高质量发展,同时智能制造领域也在迎来越来越多的利好政策。
17、机构数据显示,2022 年中国智能制造软件市场规模将达到 2610 亿元,并保持每年 15%左右的增长速度,2025 年可以成长为 4000 亿体量的市场。其中生物制药、集成电路等细分行业是 2022 年热门需求行业。5 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 5 第二章 智慧工厂网络建设趋势与挑战 6 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 6 2.1.智慧工厂典型应用及网络诉求智慧工厂典型应用及网络诉求 随着制造企业数字化转型的不断深入,提出了“智慧工厂”、“黑灯工厂”的概念,其本质是借助不断进步的 ICT 技术实现工厂的数字化、网络化、无人化、智能
18、化。如下图所示,将末端的设备/机器实现数字化,通过可靠的工业互联网实现末端设备的连接和数据的传输,最终数据在智能云平台上完成收集、处理,由统一的数字化云平台实现研发、物流、生产、质检、安防、供应、经销等各种应用系统的有效、高效管理,真正实现让设备开口说话,让机器代替人工作业,用 AI 数据训练实现数据分析处理,最终实现制造企业提质增效的目标。图 2-1 智慧工厂数字化架构模型 “要想富,先修路”,在制造工厂的数字化转型过程中,网络就是需要优先考虑的“路”,是一条信息的高速公路,是工厂数字化、信息化的底座和基础,智慧工厂需要选择合适的 ICT 网络技术。7 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用
19、 技 术 白 皮 书 7 图 2-2 AI 质检在制造行业的应用 以机器视觉为代表的AI技术,正在被广泛地应用于半导体电子制造、食品制造、车辆装备制造等多个领域,包括缺陷瑕疵检测、生产环境安全等多项功能。通过机器视觉设备采集被检产品的图像信息,利用本地边缘计算设备或者后续服务器使能 AI技术,可以更经济、更高效、更准确地完成质量检测。由于 AI 质检各行业对检测的精度、效率要求不同,近端或者远端通过 AI 推理计算的设备对机器视觉成像的图片有不同的诉求,对网络传输也有相应的要求,主要体现为带宽、时延以及图像数据传输的确定性。带宽的诉求可以通过单位时间内传输图片的大小计算峰值带宽,网络设备建议预
20、留对应的确定性带宽,一般为 40Mbit/s 至 400Mbit/s。时延取决于质检工序整个流程对图像回传预留的时间,一般为毫秒级至秒级。图像数据传输的确定性需满足 AI 质检对数据传输丢包率的要求,要求做到无损传输、不能丢包,选择无线传输通常信息容易受到干扰,有线传输相对来说更可靠、更适合。8 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 8 图 2-3 AGV 小车应用场景 AGV(Automated Guided Vehicles)又名无人搬运车、自动导航车或激光导航车。其显著的特点是无人驾驶,AGV 上装备有自动导向系统,可以保障系统在不需要人工引航的情况下能够沿预定的路
21、线自动行驶,将货物或物料自动从起始点运送到目的地。AGV 的另一个特点是柔性好,自动化和智能化程度高,AGV 的行驶路径可以根据货物位置要求、生产工艺流程等改变而灵活改变,并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低廉。AGV 一般配备有装卸机构,可以与其他物流设备自动接口,实现货物和物料装卸与搬运全过程自动化。在智慧工厂中,AGV 可以广泛地应用于工厂生产流水线以及仓储货物搬运。对于生产线场景,可由多台 AGV 组成柔性的物流搬运系统,搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而即时调整,使一条生产线上能够制造出十几种产品,大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。以某轿车装配厂为例,该装
22、配厂装配线采用多台可装载轿车车体的 AGV 后,装配时间减少了 20%,装配故障减少 39%,投资回收时间减少 57%,所需劳动力减少了 5%。AGV 在世界的主要汽车厂,如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用。对于 AGV 小车应用,由于移动性较强,目前网络接入主要通过无线实现,可以采用运营商 5G 或者 Wi-Fi 6 技术。AGV 场景本身节点对带宽的要求不高,一般不超过 40Mbit/s,主要诉求为小车在不同位置移动时无线漫游的时延以及丢包,时延一般要求无线漫游低于 100ms,并要做到尽量不丢包,防止 AGV 小车因交互失败造成脱 9 智 慧 工 厂 F5
23、G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 9 管,最终导致物流拥塞。图 2-4 RFID 仓库资产盘点系统 制造工厂生产过程必然面临原材料以及产品的仓库存储,也面临物流流转货品的资产管理,一般包括如下内容:仓储管理:仓储管理:出入管理、智能分单、智能上架、库存调阅、自动盘点、定位跟踪、快速找货、调拨补货等。资产管理:资产管理:出入管理、智能盘点、电子围栏、智能查找、配件防盗等。传统的仓库资产盘点主要通过人力完成,费时费力且不准确,通过现有的盘点技术如 RFID 技术,可以快速、高效地完成盘点。这类业务主要要求末端的网络设备具备 IOT 网关的能力,能集成 RFID、蓝牙等短距通信模块,支持大量节
24、点的实时通信,通常选择无线或者 Wi-Fi 6 来实现多节点设备的接入,时间和带宽要求相对较低,单设备接入的容量不小于 1000。10 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 10 2.2.智慧工厂网络趋势与挑战智慧工厂网络趋势与挑战 2.2.1 工厂网络业务云化的趋势工厂网络业务云化的趋势 从智慧工厂数字化架构可以看出,智慧工厂需要通过统一的智能云平台搭建数字化底座,把工厂的各个系统统一部署在云平台上,业务云化成为一个明显的趋势。而业务云化需要简单架构、快速部署的网络。传统工厂数字化水平不高,各个系统往往各自为政,各种服务器都分散在本地部署,每个子系统各自成网。在子系统封
25、闭独立、没有云化的场景下,原有核心/汇聚/接入三层架构的以太网交换机是有一定优势的,各种终端访问服务器时可实现就近交换(如需要访问部署在同一个接入交换机下的服务器,只需在本接入交换机即可完成交换,业务流量无需经过汇聚交换机),减少对核心网络流量的占用。随着制造行业数字化水平的不断提升,越来越多的制造企业都在采用云业务,各种业务和应用服务器都集中部署到了数据中心机房,或部署在公有云/私有云上,工厂内的终端设备访问服务器都需要到数据中心节点,工厂网络的流量模型从原来的以东西向流量为主(水平方向的流量)演变为以南北向流量为主(垂直方向的流量)。图 2-5 业务云化导致业务流量的变化 11 智 慧 工
26、 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 11 业务云化后,业务流量由东西向为主转变为以南北向为主,原多层以太网交换机交换的网络架构反而成为了瓶颈,每多一级汇聚或交换,就带来了更大的时延以及拥塞丢包的风险。业务的云化、架构的改变、系统的统一、应用的新增,都给智慧工厂网络提出了新的挑战,需要建一张适应网络南北流量为主、架构简单、设计统一、支持业务快速部署和持续演进的基础网络。2.2.2 WLAN 无线局域网应用的趋势无线局域网应用的趋势 WLAN 无线局域网技术已经普遍用于办公园区,无线接入可以实现随时随地移动办公,非常方便。目前主流商用的 WLAN 技术为 Wi-Fi 6 技术,相较于
27、运营商 5G无线技术,Wi-Fi 6 技术方案成本低、易部署,且有不错的性能表现,成为很多智慧工厂实现无线办公、AGV 小车和智能仓储的第一选择。Wi-Fi 6 AP 的空口带宽和 Wi-Fi 5 AP 的空口带宽相比有了较大的增强(提升了 4倍),Wi-Fi 6 AP 的空口最大速率达到了约 10GE,故 Wi-Fi 6 AP 回传的带宽也需由GE 提升至 10GE,AP 传输网络也需从千兆网络升级为万兆网络。传统园区工厂部署的 Cat5 和 Cat6 铜缆(网线)面临着带宽瓶颈,无法支持万兆带宽 100 米远的传输,需要全部更换为支持万兆的 Cat6A 及以上网线。若后续升级到 Wi-Fi
28、 7(估计需要 25GE 带宽),办公房间/办公车间的水平电缆(4 对双绞电缆,俗称网线)还要更换一次,整体 WLAN 升级 AP 传输网络综合布线改动工作量非常大。12 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 12 图 2-6 Wi-Fi 6 需要有更高的回传带宽 另外随着仓储 IoT 等业务的涌现,接入信息点的数量和网络的规模成倍增加,各种泛智能化电子设备的增多对于工厂网络提出更强的稳定性、可靠性以及更大规模终端互联的要求。为实现更多场景的实时互联互通,未来智慧工厂不仅要能够连接足够多的终端,且要支撑特定场景下的实时网络互联及超大带宽等要求,所以需要一个高带宽、广接入、
29、可支撑新业务持续演进的网络。2.2.3 网络运维简化的趋势网络运维简化的趋势 传统制造工厂各个子系统独立,各自成网导致整个制造工厂通常有多张烟囱式网络组网,网络规划没有统一的架构,多级网络设备的串接导致网络冗余,建设/维护工作量将会成倍增加,对维护人力也提出了很大的需求。此外,由于网络数量和网元节点的增加,导致整个网络非常庞大,如果还是采用传统的维护方式,每台网络设备都需配置一个独立的管理 IP 地址以实现对设备的管理,即需配置为数众多的管理节点,尤其是规模较大的制造企业存在多个二级企业和工厂,统一规划 IP 地址成为一个非常头疼的问题。因此,需要优化现有的运维及管理方式,做到简易运维、统一管
30、理,简化网络的管理维护。13 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 13 图 2-7 工厂网络需能支持简化管理 IoT 等多种新增业务导致了接入信息点/网元数量的大幅增加,也使工厂网络规模和组网更加复杂。现有的传统制造工厂网络已经显得力不从心,急需进行一轮新的升级,建设一张简易运维、统一管理的网络,以满足智慧工厂数字化转型的需要。14 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 14 第三章 智慧工厂 F5G 全光网定义和技术优势 15 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 15 3.1.智慧工厂智慧工厂 F5G 全光全光网定义网定义
31、 3.1.1 F5G 定义定义 F5G 是 The 5th Generation Fixed Networks 的缩写,即第五代固定网络。F5G 是由中国提出的,欧洲电信标准协会 ETSI 接纳、业界广泛参与的最新一代固定网络。2019 年 6 月,中国信息通信研究院在上海移动大会上,首次提出了 F5G。2019 年底 ETSI 通过了 F5G 立项,对固定网络的代际作出了定义。F5G 的参与者有诸多机构成员,包括运营商(中国电信、中国联通、意大利电信、法国电信等)、设备商(华为、烽火、康普等)、研究机构(中国信通院、英国标准研究所等)。过去 40 年,人们的生活发生了日新月异的变化,人们的通
32、信方式从最初的语音到现在的互联网,从第一代网络到第四代网络,网络不仅给家庭带来新的沟通、娱乐方式,并且通过信息化提升企业办公和管理效率,引起办公方式的革命。目前,网络正迈入数字化时代,F5G 和 5G 一起,通过使能产业互联网,掀起一场生产方式的革命,不断丰富人们的沟通与生活,加速行业数字化转型。图 3-1 F5G 固定网络技术代际定义 F5G 与 5G 是协同关系,有线网络和无线网络互相补充,为万物感知和网络应用赋能。16 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 16 图 3-2 固定网络技术与移动通信技术代际 F5G 具备了大带宽(eFBB,enhanced fixed
33、 broadband,增强型固定宽带),多连接(FFC,full-fiber connection,全光联接)和好体验(GRE,guaranteed reliable experience,极致体验)三个关键特征,其代表性的技术包括 10G PON 技术、Wi-Fi 6 技术、每波长 200G/400G 光传输技术、下一代 OTN 技术等。3.1.2 智慧工厂智慧工厂 F5G 全光全光网定义网定义 随着光纤网络快速发展,光纤已走进工厂,从车间弱电间、机柜继续往下延伸至机器,智慧工厂 F5G 全光网解决方案已快速崛起。智慧工厂 F5G 全光网给出了全新的定义:智慧工厂 F5G 全光网是以单模光纤
34、为介质,采用 10G GPON(兼容 GPON)、Wi-Fi 6 为主的第五代固定接入技术构建的园区网络,主要包括光线路终端 OLT、无源光配线网络 ODN、光网络单元 ONU 等,能够统一承载工业生产控制数据、生产现场感知数据、视频监控数据、办公数据、语音通话数据等多业务,具备简架构、易演进、智运维和高可靠等特性。智慧工厂 F5G 全光网主要采用的是 F5G 无源光局域网(POL)技术,OLT 设备和 ONU 设备通过无源的分光器实现 P2MP 的连接。17 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 17 图 3-3 智慧工厂 F5G 全光网定义 F5G 为智慧工厂园区的生
35、产网络、视频监控网络、办公网络提供了全新的网络解决方案。智慧工厂 F5G 全光网可根据需要选择不同的 OLT 设备,OLT 设备类型可分为插卡式或者单机版,常见种类如下表所示。表 3-1 OLT 设备种类划分 规格类型规格类型 插卡式插卡式 单机版单机版 规格规格 1 规格规格 2 规格规格 3 规格规格 4 双主控、双电源热备 支持 支持 支持-单台设备支持 GPON 端口数量(个)200 96 32 16 单台设备支持 10G GPON 端口数量(个)100 48 16 16 单台设备接入 GPON ONU 数量(台)6000 3000 1000 512 单台设备接入 10G GPON O
36、NU 数量(台)6000 3000 1000 1024 注:单台设备接入 ONU 数量,GPON 按 1:32 分光比,10G GPON 按 1:64 分光比计算。智慧工厂 F5G 全光网可根据不同场景选择不同形态的 ONU 设备,常见的 ONU 18 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 18 设备种类及安装方式如下表所示。表 3-2 ONU 设备类型划分及安装方式 设备类型设备类型 主要功能主要功能 接口要求接口要求 典型业务典型业务 安装方式安装方式 类型 1 生产数据接入 以太网口 MES/质检/数采/以太网/IP 数据 工业 DIN 导轨安装 类型 2 生产数据
37、接入 以太网口 MES/质检/数采/以太网/IP 数据 信息配线箱安装 类型 3 办公数据接入 以太网口/POTS 口 以太网/lP 数据/IP视频/IP 话音/传真 信息配线箱安装 类型 4 办公数据接入 以太网口/POTS 口 以太网/lP 数据/IP视频/IP 话音/传真 嵌墙或桌面电源盒(标准 86 盒)安装 类型 5 视频监控数据接入 以太网口带PoE 以太网/IP 数据/IP视频/PoE 信息配线箱安装 常见的 ONU 形态包括工业 DIN 导轨 ONU,桌面型 ONU,机架式 ONU,SFP ONU,86 盒面板 ONU 等。智慧工厂 F5G 全光网采用的光纤为单模光纤,ODN
38、设备也有多种形态,光分路器(也称分光器)的形态包括通用机架式光分路器,盒式光分路器。可按具体项目的实际需求选用,推荐使用机架式分光器。3.2.智慧工厂智慧工厂 F5G 全光全光网和传统网络差异网和传统网络差异 3.2.1 网络架构差异网络架构差异 传统以太网交换机网络,核心交换机部署于核心机房,汇聚交换机部署于生产车间弱电间、办公楼宇弱电间或者楼层弱电间,接入交换机一般部署于生产车间机柜、办公楼层弱电间。核心交换机、汇聚交换机和接入交换机之间通常采用光纤互连。生产车间机柜、办公楼层弱电间的接入交换机提供标准的以太网端口,提供各种用户终 19 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白
39、皮 书 19 端的接入能力。从接入交换机到各种用户终端采用网线,线缆长度通常不大于90米。智慧工厂 F5G 全光网的核心交换机和 OLT 部署于核心机房,无源分光器通常放置于生产车间弱电间、办公楼层弱电间,ONU 放置于尽可能靠近最终接入终端的位置。核心交换机及 OLT 和 ONU 之间采用单模光纤互连。ONU 提供标准的以太网端口,提供各种接入终端的接入能力。从 ONU 到各种接入终端采用网线,电缆长度通常小于 10 米。图 3-4 网络架构差异 传统以太网交换机网络主要由以太网交换机和网线组成,传统以太网络一般采用三层架构,主要包括核心层、汇聚层和接入层;而智慧工厂 F5G 全光网架构采用
40、扁平化二层架构,主要包括核心层和接入层,减少了汇聚层。智慧工厂 F5G 全光网一般采用 OLT 和 ONU 设备,中间采用的是单模光纤进行连接。表 3-3 智慧工厂 F5G 全光网和传统以太网交换机网络比较 网络类型网络类型 核心层核心层 汇聚层汇聚层 接入层接入层 交换机网络 核心交换机 汇聚交换机 接入交换机 智慧工厂 F5G 全光网 核心交换机/OLT/ONU 20 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 20 智慧工厂 F5G 全光网采用的设备和技术与传统以太网交换机网络也有区别。智慧工厂 F5G 全光网主要采用的是 OLT 和 ONU 设备,采用的是基于 F5G
41、的 POL 技术;而传统以太网交换机网络,采用的是核心交换机、汇聚交换机和接入网交换机等交换机设备,采用的是传统的以太网交换技术。智慧工厂 F5G 全光网中,ONU 需尽可能靠近最终接入终端安装,以缩短 ONU到最终用户终端的网线长度,需提前考虑 ONU 的安装和取电。3.2.2 综合布线差异综合布线差异 智慧工厂 F5G 全光网和传统以太网交换机网络在综合布线上也有差异,主要是在接入层水平布线上有差异。传统以太网交换机网络的综合布线中,核心交换机部署于园区的核心机房,汇聚交换机通常部署于弱电间,接入交换机通常部署于生产车间机柜或办公楼层的弱电间。核心交换机和汇聚交换机之间,汇聚交换机和接入交
42、换机之间都是采用光纤进行连接,但是从生产车间机柜或办公楼层弱电间到接入设备的水平布线采用的是水平电缆,通常采用的水平电缆包括 Cat5(5 类线)、Cat6(6 类线)、Cat6A(超 6 类线)、Cat7(7 类线)、Cat7A(超 7 类线)等。智慧工厂 F5G 全光网的综合布线主要是采用光纤。核心交换机和 OLT 部署于园区的核心机房,弱电间只部署无源分光器,从核心机房到楼宇/楼层弱电间采用光纤进行连接。ONU 设备部署于车间机台或办公桌面等工作区域,从弱电间到这些工作区域之间采用单模光纤进行水平布线。智慧工厂 F5G 全光网和传统以太网交换机网络在布线上的差异如下图所示。21 智 慧
43、工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 21 图 3-5 综合布线差异 智慧工厂 F5G 全光网和传统以太网交换机网络的主干布线、水平布线的差异如下表所示。表 3-4 智慧工厂 F5G 全光网和传统以太网交换机网络的比较 综合布线综合布线 主干主干 水平水平 工作区工作区 交换机网络 光缆 网线 网线 智慧工厂 F5G 全光网 光缆 光纤 网线 3.2.3 差异总结差异总结 智慧工厂 F5G 全光网和传统以太网交换机网络相比,在网络架构和综合布线上都有较大的差异,带来了技术上的优势。在行业上下游的认知程度上,智慧工厂 F5G 全光网和传统以太网交换机园区相比,认知度还需继续提高。智
44、慧工厂 F5G 全光网目前在工厂园区的普及度相对较低,园区的信息管理部门在选择园区网络基础设施方案时,更倾向于采用本园区已经熟练使用多年的以太网技术。从设计单位上看,以太网技术已经应用多年,技术相对成熟,占据了局域网领域 22 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 22 的大部分市场,不同工程项目间的差异不大,可以减少设计工作量。再加上当前 F5G网络处于上量期,设计单位对智慧工厂 F5G 全光网的了解暂时还是较传统以太网交换机组网要弱,也造成当前智慧工厂 F5G 全光网的建设量不如传统以太网交换机网络。但在国家信息化产业政策的支持下,“光进铜退”已成为大势所趋,智慧工厂
45、 F5G全光网在此背景下将得到大力推广。处于产业链上的机构要将自身发展与历史机遇相结合,加强智慧工厂 F5G 全光网特点和价值理念的宣传推广,加快智慧园区领域的标准编制工作,繁荣产业生态,提升产业影响力,为工厂园区网络基础设施的产业升级和建设发展贡献力量。3.3.智慧工厂智慧工厂 F5G 全光网全光网技术优势技术优势 3.3.1 简架构的优势简架构的优势 简架构优势:F5G 智慧工厂具有网络扁平化、架构简单的优势。智慧工厂 F5G 全光网和传统以太网园区相比,实现了网络扁平化。F5G 智慧工厂中,OLT 设备和核心交换机一起部署于核心机房;ONU 尽可能靠近最终的接入终端,中间采用光纤和无源分
46、光器来进行连接。智慧工厂 F5G 全光网架构中,采用无源的分光器替代了原来的有源汇聚交换机设备,减少了汇聚层,变更为扁平化的二层网络架构,实现了架构上的优化。23 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 23 图 3-6 智慧工厂 F5G 全光网简架构的优势 智慧工厂 F5G 全光网采用的无源分光器无需供电,且可部署于任意位置,可考虑取消或者减少弱电间的空间,提高建筑空间的利用率。智慧工厂 F5G 全光网的 ONU 体积小,轻便易安装,部署于车间接入终端附近的小信息箱或安装在接入终端所在的机台中,从而取消车间接入交换机机柜,节省出的空间可用于车间生产。随着接入交换机机柜的取
47、消,机柜至接入终端的大量网线也可以由数量少、重量轻、价格便宜的光纤代替,节省大量的综合布线物料成本和人力投入,这个成本对于制造工厂而言是一笔不小的开支。图 3-7 智慧工厂 F5G 全光网可取消车间机柜 24 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 24 智慧工厂 F5G 全光网中,由于 ONU 尽可能靠近最终的接入终端,实现了光纤下移,也解决了原来网线的带宽不足及传输距离小于 100 米的问题。光纤下移带来了可以持续升级的带宽能力,同时光纤也可以支持 40km 的传输距离,实现广覆盖。智慧工厂 F5G 全光网的简架构优点,很好地契合了生产业务云化的趋势。智慧工厂 F5G
48、全光网中业务可从接入侧直达网络核心,减少中间的有源汇聚环节,提供更低的时延、更好的体验、更少的拥塞点。3.3.2 高可靠的优势高可靠的优势 智慧工厂 F5G 全光网可提供 Type B 或者 Type C 的保护方式,支持从 ONU 上行端口到 OLT 上行端口之间的设备和光纤保护。可根据不同的应用场景选择不同的组网方式,提供不同程度的保护。图 3-8 智慧工厂 F5G 全光网支持高可靠 智慧工厂 F5G 全光网中,如果光纤或者设备出现问题,Type B 或者 Type C 会自动触发网络的保护,无需人工干预,实现链路业务的自动切换。在智慧工厂 F5G 全光网中,推荐采用 Type B 双归属
49、保护和 Type C 双归属保护。25 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 25 图 3-9 智慧工厂 F5G 全光网 Type B 和 Type C 双归属保护 双归属保护需要配置 2 台 OLT 设备,对 OLT 设备本身进行保护,推荐采用这种配置。智慧工厂 F5G 全光网采用了光纤作为传输介质,光纤也具有抗电磁干扰、耐腐蚀的优点,可对传输数据进行更好的保护。智慧工厂 F5G 全光网采用 POL 技术,支持对 PON 传输的数据进行加密。对于XGS-PON 技术,不管是从 ONU 到 OLT 的数据,还是从 OLT 到 ONU 的数据,都经过 AES128 的加密,
50、不同的 ONU 采用不同的加密密钥,并定期刷新,对用户数据进行加密传输。智慧工厂 F5G 全光网采用的 ONU 可支持 802.1x 的认证,只有通过 802.1x 认证之后才被允许接入到网络中。3.3.3 智运维的优势智运维的优势 智慧工厂 F5G 全光网采用 F5G 无源光局域网技术(POL),OLT 设备是整个 PON网络的智慧大脑,通过 OMCI 协议对整个 PON 网络的 ONU 设备进行管理和配置;无需再到 ONU 设备进行本地的业务和数据配置,ONU 设备也无需配置独立的管理IP 地址。26 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 26 图 3-10 智慧工厂
51、 F5G 全光网支持智运维 由于 OLT 设备采用了对 ONU 设备的集中管理机制,智慧工厂 F5G 全光网可极大减少网络的管理节点数量,在数据配置上,所有的 ONU 统一由 OLT 设备进行管理,OLT 对 ONU 设备的配置数据进行保存和下发;此外,智慧工厂 F5G 全光网可支持 ONU 的开局即插即用免调测功能,也可支持维护即换即通免配置功能,提升了网络的部署和管理效率。由于 OLT 设备实现了对 ONU 设备的集中管理,在 OLT 设备或者网络管理设备上都可支持整个网络数据的快速收集和处理,可在网络管理设备上对整个网络的部署情况、告警情况、健康度等各种报表进行收集、显示和快速处理,实现
52、整个园区网络的故障实时感知、高效管理,保障业务实时在线。智慧工厂 F5G 全光网的网络管理更加简单。智慧工厂 F5G 全光网中,OLT 和ONU 之间采用的是无源光纤网络,无源光纤网络中的光纤或者无源分光器等器件无需管理,也极大简化了运维。智慧工厂 F5G 全光网的管理节点数量远小于传统以太网园区。传统以太网园区中,每台交换机设备(包括汇聚交换机、接入交换机等)都是一个独立管理单元,需要有独立的管理 IP 地址进行管理,所以网络越复杂,交换机的数量越多,管理起来 27 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 27 就越复杂。智慧工厂 F5G 全光网中,由于 ONU 在软件管
53、理上无需独立配置,全部通过 OLT 进行管理,所以不管多大的园区网络,其管理节点都是几台 OLT 设备及核心交换机,管理更加简单。28 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 28 第四章 智慧工厂 F5G 全光网设计 29 智 慧 工 厂 F5G 全 光 应 用 技 术 白 皮 书 29 4.1.智慧工厂智慧工厂 F5G 全光网全光网架构架构 F5G 为智慧工厂园区的生产网络、视频监控网络、办公网络提供了全新的解决方案。智慧工厂 F5G 全光网架构如图 4-1 所示。图 4-1 智慧工厂 F5G 全光网架构示意 生产网络独立建网,其接入层至核心层的网络设备和光纤链路与办公
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