CN110996368B - 一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法，其中网络架构包含：现场总线网络、工业以太网以及无线网络；其中，现场总线网络主要包含：现场总线网络控制器、现场总线网络以及现场总线终端；工业以太网络主要包含：工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；无线网络主要包含：网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端。本发明能够实现基于不同网络技术的现场设备之间有效互联互通，并能够保证工业控制类业务的端到端时延限制。

Description

一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法
技术领域
本发明涉及工业互联网互联互通的网络架构，尤其涉及一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法。
背景技术
智能制造成为新一轮工业革命的核心技术，工厂生产过程的智能化则成为实现智能制造的最为关键的环节。其中网络互联是实现生产过程智能化中全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析的基础，引领工业制造领域的智能控制、运营优化和生产组织方式的变革。因此，必须构建具备低时延、高可靠、广覆盖等特点的关键网络基础设施以满足工业智能化发展需求。
工业互联网的网络连接通常分为两个层次：操作技术(OT，OperationalTechnology)网络和信息技术(Informational Techonolgy)网络。OT网络主要位于工厂内的现场级及车间级，且由于历史原因不同生产设备商采用了多个协议标准，从而在同一个现场及车间将会出现多种传输协议，主流技术包含现场总线、工业以太网及工业无线技术。然而，现有主流连接技术(比如 Profinet、modus等)在时延、可靠性、带宽等方面均无法满足当前智能制造的业务需求。因此，近些年，将第五代移动通信技术(5G)、时延敏感网络(TSN，time sensitive network)等新兴网络技术用于工业互联网已成为业界共识。新技术全面取代原有技术仍是一个漫长的过程，可以预见的是未来相当长一段时间内将会是多种异构工业网络技术共存的局面。因此，支持智能工厂互联互通的融合架构应该包含现场总线、工业以太网及工业无线技术的融合。
然而，现阶段智能工厂异构网络融合方案的研究尚处初级阶段[1]-[3]，同时考虑这三种网络连接技术异构融合的研究成果极少，尤其是涉及到TSN、 5G等新型网络技术异构融合的相关成果甚少，从而导致现有的异构融合网络架构无法真正实现工业互联网中端到端的业务服务质量需求，因此有必要提出涉及现场总线网络、工业以太网以及无线网络的融合方案，尤其是TSN、 5G等新型网络技术与现有总线网络融合的方案。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有异构网络融合方案中存在的上述缺陷。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种智能工厂互联互通的异构融合网络架构，该异构融合网络架构包含三种网络：现场总线网络、工业以太网以及无线网络。现场总线网络模块主要包含可编程逻辑控制器、现场总线网络以及现场总线终端；工业以太网络主要包含工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；无线网络包含网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端。
基于上述架构，智能工厂异构融合网络的互联互通分为用户面和控制面两个层面的互联互通。用户面的互联互通主要通过两种网络模块实现：网桥和网关。其中，网桥主要实现工业以太网网络与现有现场总线网络之间的信令、数据的转换与传输。网关有两种功能，其一是实现无线网络与工业以太网之间的信令、数据的转换与传输；其二是经由无线网络，与支持无线传输的工业以太网终端设备实现无线通信。控制面的互联互通主要通过五种网络模块实现：现场总线网络控制模块、工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及无线网络中的网络转换、控制面管理模块。
基于上述SDN的思想，控制面的网络功能模块负责端到端路由配置信息的生成，并下发给用户面的网络功能模块。首先，工业以太网用户设备配置模块负责描述用户的时延敏感业务服务质量需求(QoS，Quality of Service)，该信息经由网络转换器转换为无线网络中的服务质量标识并形成相应的业务服务策略，经由网桥转换为现场总线网络中的控制时序并形成相应的业务服务策略，从而在现场总线网络、工业以太网及无线网络中以分布式方式形成全网一致的数据传输处理策略。该策略下发到现场总线网络控制模块、工业以太网网络控制模块以及无线网络控制面模块，实现异构融合网络中端到端的一致性路由选择策略。基于上述策略以及全网链路状态信息，利用SDN的东西向接口协议，现场总线网络控制模块、工业以太网网络控制模块以及无线网络网络控制模块之间相互协商，形成符合端到端时延限制的传输路径，以满足时延敏感工业控制业务需求。
与现有智能工厂异构融合网络架构相比，本发明具有以下优势：
1、能够同时支持现有总线技术、工业以太网以及无线网络技术的互联互通；
2、基于SDN技术，能够生成端到端的传输路径，以精确控制时延敏感业务的传输时延，保证其服务质量需求；
3、基于不同的生产场景及生产规模获得相应的QoS需求并动态生成网络传输策略，从而能够满足智能工厂中可伸缩的生产过程自动化需求。
附图说明
图1为本发明实施提供的一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法示意图；
图2为本发明实施提供的一种支持TSN、5G及PLC互联互通的异构融合网络架构示意图；
图3为本发明实施提供的一种基于SDN的异构融合工业互联网端到端路由配置方法。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的说明。
图1为本发明实施提供的一种应用于智能工厂的异构融合网络架构及路由配制方法示意图。如图1所示，异构融合网络包含三种不同的网络：现场总线网络、工业以太网络以及无线网络。现场总线网络主要包含：现场总线网络控制器、现场总线网络以及现场总线终端；工业以太网络主要包含：工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；无线网络主要包含：网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端。
本发明实施例能够实现基于不同网络技术的现场设备之间有效互联互通，并能够保证工业控制类业务的端到端时延限制。
下面分别以Profinet现场总线网络、时延敏感工业以太网络(TSN)以及 5G无线网络为例说明该网路架构的具体实施方法。
如图2所示，本发明实施例中的异构融合网络架构具体实施例包含三种网络：Profinet现场总线网络、TSN网络以及5G网络。Profinet现场总线设备主要包含可编程逻辑控制器和现场总线终端等基于现场总线技术连接的各种设备；TSN网络主要包含TSN用户设备配置模块、TSN网络控制模块以及TSN 网桥等基于TSN技术连接的各种设备；5G网络包含TSN转换器、网络功能开放模块、统一数据管理模块、策略控制模块、会话管理模块、接入管理模块等控制面功能模块，TSN/5G网关、用户面模块、接入网模块等用户面功能模块，以及5G终端、支持5G传输的TSN终端。
基于上述架构，智能工厂异构融合网络的互联互通分为用户面和控制面两个层面的互联互通。用户面的互联互通主要通过两种网络模块实现：TSN网桥和TSN/5G网关。其中，TSN网桥主要实现TSN网络与现有现场总线网络之间的数据转换。TSN/5G网关有两种功能，其一是实现5G与TSN网络之间的数据转换；其二是经由5G网络，与支持5G的TSN终端设备之间实现无线通信。控制面的互联互通主要通过七种网络模块实现：可编程逻辑控制器上的网络控制模块、TSN用户设备配置模块、TSN网络控制模块以及5G网络中的TSN转换器、网络功能开放模块、策略控制模块以及会话管理模块。TSN 用户设备配置模块负责描述用户的时延敏感业务服务质量需求(QoS，Quality of Service)，该信息经由TSN转换器将该QoS转换为5G网络中的服务质量标识(5G quality identity)，并驱动策略控制模块形成相应的服务策略，从而在TSN及5G网络中以分布式方式形成全网一致的数据传输处理策略。该策略下发到可编程逻辑控制器的网络控制模块、TSN网络控制模块以及5G会话管理模块，实现异构融合网络中端到端的一致性策略控制。基于上述策略以及全网链路状态信息，利用SDN的东西向接口协议，PCL网络控制模块、TSN 网络控制模块以及5G网络控制模块之间相互协商，形成符合端到端时延限制的传输路径，以满足时延敏感工业控制业务需求。
图3为本发明实施提供的一种基于SDN的异构融合工业互联网端到端路由配置方法。如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S10：根据不同业务的传输需求，TSN用户设备配置模块制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到TSN网络控制模块；
步骤S11：TSN网络控制模块将该用户周期性时间相关的传输需求通过网桥和网关分别发送给可编程逻辑控制器(PCL)上的网络控制模块以及5G网络中的TSN网络转换器；
步骤S12：PCL上的网络控制模块生成Profinet网络中的路径选择策略，并生成Profinet网络中的路由配置信息下发到现场总线网络设备中；
步骤S13：5G网络中的TSN网络转换器将用户周期性时间相关需求转换为5G网络中的服务质量标识(5G quality identity)，并将该信息下发给网络功能控制模块及策略生成模块；
步骤S14：策略生成模块基于业务的服务质量标识生成5G网络中的路由选择策略，并将该策略下发给会话管理模块；
步骤S15：可编程逻辑控制器中的网络控制模块、TSN网络控制模块及 5G网络中的会话管理模块基于SDN的东西向接口、各自网络中的链路状态进行协商，TSN网络控制模块将TSN网络中所能提供的传输时延上界和下界通过SDN东西向接口传输给5G网络中的会话管理模块，5G网络中的会话管理模块根据该时延界确定5G网络中时延敏感业务的最低时延要求，从而确定 TSN及5G网络中最终的服务质量要求；
步骤S16：根据S15所获得各自网络的服务质量需求，可编程逻辑控制器中的网络控制模块、TSN网络控制模块以及5G会话管理模块分别生成相应的路由配置信息；
步骤S17：可编程逻辑控制器中的网络控制模块、TSN网络控制模块以及 5G会话管理模块将各自生成的路由配置信息分别发下至Profinet网络中的总线终端、TSN网桥、TSN/5G网关以及5G网络中的用户面模块和接入网模块，从而完成端到端的路由配置。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用于智能工厂的异构融合网络架构，其特征在于，包含：现场总线网络、工业以太网以及无线网络；其中
现场总线网络主要包含：现场总线网络控制器、现场总线网络以及现场总线终端；
工业以太网络主要包含：工业以太网用户设备配置模块、工业以太网网络控制模块以及网桥；
无线网络主要包含：网络转换器、网关、无线网络控制面模块、无线网络用户面模块、接入网模块以及无线终端、支持无线传输的工业以太网终端；
所述异构融合网络架构具体包含：Profinet现场总线网络、TSN网络以及5G网络；其中，
Profinet现场总线网络主要包含：可编程逻辑控制器和现场总线终端；
TSN网络主要包含：TSN用户设备配置模块、TSN网络控制模块以及TSN网桥；
5G网络主要包含：TSN转换器、网络功能开放模块、统一数据管理模块、策略控制模块、会话管理模块、接入管理模块，TSN/5G网关、用户面模块、接入网模块，以及5G终端、支持5G传输的TSN终端；
异构融合网络的互联互通分为用户面和控制面两个层面的互联互通；其中，
用户面的互联互通主要通过两种网络模块实现：TSN网桥和TSN/5G网关；其中，TSN网桥主要实现TSN网络与现有现场总线网络之间的数据转换；TSN/5G网关有两种功能，其一是实现5G与TSN网络之间的数据转换；其二是经由5G网络，与支持5G的TSN终端设备之间实现无线通信；
控制面的互联互通主要通过七种网络模块实现：可编程逻辑控制器上的网络控制模块、TSN用户设备配置模块、TSN网络控制模块以及5G网络中的TSN转换器、网络功能开放模块、策略控制模块以及会话管理模块；其中，TSN用户设备配置模块，负责描述用户的时延敏感业务服务质量需求，信息经由TSN转换器将QoS转换为5G网络中的服务质量标识，并驱动策略控制模块形成相应的服务策略，从而在TSN及5G网络中以分布式方式形成全网一致的数据传输处理策略；数据传输处理策略下发到可编程逻辑控制器的网络控制模块、TSN网络控制模块以及5G会话管理模块，实现异构融合网络中端到端的一致性策略控制。
2.一种异构融合网络端到端路由配置方法，该方法包括以下步骤：
根据不同业务的传输需求，TSN用户设备配置模块制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到TSN网络控制模块；
TSN网络控制模块将用户周期性时间相关的传输需求通过网桥和网关分别发送给可编程逻辑控制器(PCL)上的网络控制模块以及5G网络中的TSN网络转换器；
PCL上的网络控制模块生成Profinet网络中的路径选择策略，并生成Profinet网络中的路由配置信息下发到现场总线网络设备中；
5G网络中的TSN网络转换器将用户周期性时间相关需求转换为5G网络中的服务质量标识(5G quality identity)，并将信息下发给网络功能控制模块及策略生成模块；
策略生成模块基于业务的服务质量标识生成5G网络中的路由选择策略，并将该策略下发给会话管理模块；
可编程逻辑控制器中的网络控制模块、TSN网络控制模块及5G网络中的会话管理模块基于SDN的东西向接口、各自网络中的链路状态进行协商，以确定本网络中最终的服务质量要求；
根据获得各自网络的服务质量需求，可编程逻辑控制器中的网络控制模块、TSN网络控制模块以及5G会话管理模块分别生成相应的路由配置信息；
可编程逻辑控制器中的网络控制模块、TSN网络控制模块以及5G会话管理模块将各自生成的路由配置信息分别发下至Profinet网络中的总线终端、TSN网桥、TSN/5G网关以及5G网络中的用户面模块和接入网模块，从而完成端到端的路由配置；
所述可编程逻辑控制器中的网络控制模块、TSN网络控制模块及5G网络中的会话管理模块基于SDN的东西向接口、各自网络中的链路状态进行协商，以确定本网络中最终的服务质量要求步骤具体为：
可编程逻辑控制器中的网络控制模块、TSN网络控制模块及5G网络中的会话管理模块基于SDN的东西向接口、各自网络中的链路状态进行协商，TSN网络控制模块将TSN网络中所能提供的传输时延上界和下界通过SDN东西向接口传输给5G网络中的会话管理模块，5G网络中的会话管理模块根据时延界确定5G网络中时延敏感业务的最低时延要求，从而确定TSN及5G网络中最终的服务质量要求。
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