摘要：数字化车间为了通过大量的感知设备及时准确掌握生产过程的各种信息，必须通过网络系统来实现。本文在数字化车间网络设计过程中，按照模型化、高稳定、抗干扰、可扩展等几个原则为导向，致力于建立一个安全、稳定、可靠的网络系统，以达到支撑数字化车间物联网数据实时采集、传输，决策指令精准下达，以数字化、信息化、智能化驱动车间生产，从而实现资源的高效利用、计划的精准执行、成本的显著降低和利润稳定增长的效果。
关键词：数字化车间；信息采集；网络系统；无线网
引言
随着新兴技术的不断涌现，传统的生产模式已经不能适应全球化的竞争要求，生产车间纷纷将提升信息化水平作为产业升级的重要举措。生产车间的信息化主要包括生产制造的数字化、工厂管理的数字化、机械装备的数字化、供应链的数字化等等[1]。通过将信息技术与车间生产相结合，不仅可以大幅提升企业的整体生产效率，而且还能够显著地提升产品的质量水平，高效的进行企业资源的配置，从而让企业更具有国际竞争力。
物联网是上个世纪90年代提出来的，物联网技术是实现工厂物理信息和网络虚拟信息的桥梁，通过物联网技术可以实现信息融合，提升人员、物料与设备之间的协调配合。而快速发展起来的信息技术，如信息采集技术、网络通信技术、无线通信技术等为物联网技术的快速发展打下了基础。本文通过对数字化车间信息采集的需求，提出了信息采集总体技术框架，设计了车间网络系统，使得数据能够合理得传输，并且给出了网络设计的结构和逻辑框架。
数字化车间信息感知需求分析
数字化生产车间通过各种感知设备，对生产过程、设备状态、车间环境、产品外观等要素实现精确感知。环境感知技术利用微型传感器形成的无线感测网络，监测温度、湿度、亮度、空气质量等环境指标，采集相应数据，传送到后端由数据采集中心处理与存储。位置感知技术是利用使用者所携带的手持装置感知当前所处的地理位置或相对位置，后端系统根据位置信息提供相应的服务。视觉感知通过CCD设备，根据图形信息自动识别设备以及目标产品进行外观检测。数字化车间常通过使用温湿度传感器、红外测距传感器、射频识别、压力传感器、磁导航传感器、图像识别与外观检测、红外扫码等感知设备与技术，辅助生产流程连接、生产运行维护等环节[2]。
环境、位置、视觉感知设备的投入使用有力保障了复杂大型数字化车间的安全可靠生产。然而，由于数字化车间生产作业的复杂性，为全面获取车间的实时生产状况、达到深入挖掘数字化车间生产效率的目的，尚需要在采用感知设备的基础上，融合通过其它通信方式获取的数据，提取有效数据，进行综合分析判断，全方位高效运作数字化车间。
数字化车间网络总体设计
首先为保障车间生产数据的安全，应将车间信息采集网络与内部网络逻辑分离，设计满足信息采集需求的独立应用服务区、设备接入区及无线区，并结合实际的物理分区和功能分区划分不同的网络区域，并规划机房及若干网络弱电间，确保数字化车间网络分布均匀且全覆盖。其次应该根据实际的接入设备数量和采集信息数据流量，选择合适网络带宽和网络设备，并结合安全需要增加相应的网络防火墙、逻辑隔离装置等安全设备。
按照模型化、高稳定、抗干扰、可扩展等几个原则，以某数字化车间为例，提出了某数字化车间内网方案总体架构，如图1所示。物理空间上在一层设计有生产区、包装区、自动化库房、视频区和无线区；二楼有检验区、视频区和无线区。
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图1 网络总体架构
安全方面，通过无线AP控制器及防火墙设备限制无线区设备只能访问至移动作业前置机，而移动作业前置机访问信息内网时经过逻辑强隔离装置和防火墙双重安全防护，仅允许特定方式访问信息内网。此外对各区域间的访问均通过防火墙设置严格的逻辑访问控制，并对无线区域采用加密认证方式，进一步确保车间网络系统整体的安全性。
针对服务器区域，结合业务特点可逻辑划分为三个区域，包括应用服务区、常规应用区、移动应用区。其中应用服务区主要部署重要程度高及需要与内网服务器进行数据交互的应用系统，如：生产管控系统、调度系统、运营分析系统、数据库服务器及存储设备等；常规应用区主要部署直接与生产设备产生数据交互的应用系统，如：设备状态采集系统、自动化生产作业系统、监控系统等；移动应用区主要部署对无线区设备进行管控的系统，通过移动前置机，反向实现接口通讯，达到数据交互的目的，确保无线应用的安全性[3]。
数字化车间无线网络规划设计
考虑到无线接入设备的发展较无线通信技术的发展稍微滞后的现状，兼顾技术成熟度和实际业务需求，避免过度使用新技术带来的风险和造成投资浪费。无线网络设计需遵从以下几点原则：
兼容性
网络系统应采用开放式技术架构，便于实现动态扩展，使各分系统能够根据业务变化而进行组合和调整。采用的通信协议应符合国内外通信及工业标准，不同网络环境相对独立，降低耦合度的同时保证网络的互联互通。
可管理性
网络系统需要具有良好的管理、监控、故障分析和处理能力，以增强系统的健壮性，提升业务连续性。具体包括集中控制、分权管理、统一分配资源、管理与业务分离等。
高性能
设计时应根据业务数据量规划充足的网络骨干带宽、合理设计网络拓扑结构和子网划分，努力实现网络的无阻塞通信，避免网络性能成为业务应用的瓶颈。
安全性
无线网络的灵活性也带来了安全方面的风险，因此在网络规划时应充分考虑网络的保密性和安全性，应采用不易被入侵的网络安全加密协议，并配以动态管控的权限限制和访问控制措施，防止各种形式的非法入侵和窃密行为。同时还应加强网络设备的物理安全，从物理层面彻底组织各类恶意行为的发生[4]。
无线接入安全，主要是设置多重控制，以求最大化达到不可破解的目的。首先，限制厂区周边或者厂区外来人员可能通过无线方式接入到网络中，需在三层交换机上配置IP与MAC的绑定，把无线接入点的MAC地址和IP地址绑定起来，非本厂区的客户端如果未绑定即不能接入到网络当中。其次，通过AC控制器将SSID设置为非广播模式，有一定复杂度的SSID加上不广播SSID，增强了无线网络的安全性。再次，整个子网中不对接入设备提供DHCP服务，设备IP均为手动设置；AC控制器中配置可接入设备MAC表，非合法MAC均不可接入。最后在所有LAP注册到AC控制器后，禁止AC控制器再接受新的注册，防止无名的LAP私自注册入网[5]。
技术层面，在同一无线蜂窝内，部署的AP数量最大不超过3个，因为在2.4GHz频段中，国内共规划13个信道，连续信道所占用的频率有交叠，相互之间完全不重叠的信道只有三个。AP之间的水平距离控制在16~20米左右，因为每个室内型AP覆盖直径约为20~25米左右，超过25米将极大地影响传输性能，同时考虑到终端在不同AP之间的漫游需求，所以AP之间应设计20%的重叠区域[6]。采用同时能够提供双频多模的AP来进行网络部署，提升其兼容性和抗干扰性，并在接入点密级区域采用高带宽AP设备，减少因增加AP而带来的成本和干扰，同时满足高密接入的业务需求。每个AP采用POE方式供电，最大化利用了综合布线的资源，降低实施成本和后期维护成本。最后通过观测无线信号覆盖范围内的障碍物以确定AP的数量和放置位置，尽可能注意以避开墙、柱子等，同时辅以信号测试设备的检测以优化。
结束语
数字化车间信息采集的需求复杂多变，但在排除具体业务需求和场景外，其核心技术和设计思路都是相通的，本文结合某数字化车间的实际需求，完成了满足对数字化车间的信息采集需求的网络系统的总体设计，提出了网络总体架构和逻辑框架，经实际检验，该技术方案满足了数字化车间的实际需求，并支持依据此架构应用至其他同样规格的数字化车间。
参考文献
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[2] 刘桂涛，李志敏，贺秋冬，中国制造背景下的自动化信息技术[J]，电子技术与软件工程，2017(4):155-155。
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[4] 钱红梅，基于移动互联网的智能物流系统设计与实现[D]，镇江：江苏科技大学，2017。
[5] Makki A, Siddig A, Saad M, et al. Indoor Localization Using 802.11 Time Differences of Arrival[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement, 2016, 65(3):614-623.
[6] Ostrowski I, Szulewski P, Masowski A. Analysis of WiFi Communication (Data Interchange) for Mobile Robot in Industrial Environment[J]. Applied Mechanics & Materials, 2016, 817(1):342-347.
作者简介：徐驰（1988.04-），男，汉族，山东济宁人，硕士，工程师。研究方向：计算机及应用。
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