数字智慧方案5713丨制造业智能工厂解决方案

思科制造业智能工厂解决方案Presenter

NameTitle,

Cisco思科智能工厂网络解决方案由三部分组成，

分别

是智能计划层网络解决方案，智能MES层网络解

决方案以及智能控制层网络解决方案组成。本次

介绍并没有包含三个解决方案的全部内容，

如需

进一步了解，可从公司行业与解决方案共享

服务器上获得。希望大家多提宝贵意见CIMS计算集成制造系统ERP企业资源计划MES制造执行系统制造企业生产网络IT架构执行层（面向车间生产控制）控制层（面向车间作业现场）计划层（面向客户）FCS现场控制系统ERP等系统（计划层）将实时的产品

库存量、客户订单状况与材料需求等

信息传送至MES，MES进行生产或安

排库存以满足客户订单需求。MES系统（中间层）负责完成产品制

造工作，产品的规格、型号参数等相

关资料储存于此系统中，

MES将此产

品相关资料转化为作业程序提供给控

制系统的作业人员或机器设备来使用。控制系统（底层），当作业程序、相

关流程、文件及其它相关生产需求项

目就绪，控制系统便运用所有工厂内

相关资源（软、硬件及人员）负责完

成生产制造过程以达成产品生产目标。各层间数据流走向云平台网络虚拟化

多媒体支撑MESCiscoCatalyst

4500DriveController

HMI

Distributed

I/OCell/Area#1(Redundant

StarTopology)ControllerHMIDriveDistributed

I/OCell/Area#3(Bus/StarTopology)前端服务器Gbps

Linkfor

FailoverDetectionFirewall

(Active)ERPAppsCRMSCMCisco

Catalyst

6500/4500车间应用服务器实时控制<50ms

收敛安装便利高可用接入安全

灵活接入

Cisco

Catalyst

3KIndustrialLayer

2Access

Switch计划层Firewall

(Standby)FCSDriveHMI智能计划层解决方案智能执行层解决方案智能控制层解决方案高可用网络无线车间虚拟桌面安全接入无线园区数据中心无线应用智能物流/仓

储工业以太网统一协同思科制造行业智能计划层

网络解决方案计划层服务CRM客户关系管理一体化接入媒体感知某著名企业性协同通信思科制造行业智能计划层构架计划层基础设施虚拟桌面无边界网络协作数据中心PDM产品数据管理ERP企业资源计划SCM供应链管理基础设施统一交换架构企业视频计划层应用虚拟化集中管理减少维护人员，降低维护成本

统一计费，统一核算与现有桌面系统集成集成现有的某著名企业MOC的语音和视

频，扩展协同的手段某著名企业/Mobility将通信转接到任何指定的设备上。快速接入可在网络中的任何节点通过多种

可能的方式实现通信OCSVideosystemTelephoneCUCM+VCSBBA日常办公系统.通过集中管理桌面应用程序和用户降低成本.简化桌面和应用程序部署研发系统.防止敏感信息.集中控制桌面和数据.分离公司和个人桌面

3DCADVirtualized

Environment.Designwork

invirtualizedworkstationof

data

center.Designdrawing

data

issaved

incentral

storage.Work

environmentthat

can

useterminal

whichsimultaneouslybringsvirtualizedoffice.Provideflexiblework

environmenttoexternal

userand

partners.Provideagoodoffice

environmentHyundaiVDI

POC架构

Measurement•

paredtoexistingworkstations

:0.065~0.21secondsdifferencein

responserate•

paredtothebladeworkstation

:0.035~0.195secondsdifferencein

response

rate

Systems•

CPU

:3.43GHzvs2.93GHzdifferencein

responserate

20%•

Canamodate

12

people

perblade(CPU

usage

up

to

50%)

Overall

Evaluation

Results•

“a

littleslower"•

Can

beappliedtoPartnersTeamCADworkstations(Security-sensitivedesignworkcan

bereplaced

:20%)测试结果丰富的协作应用虚拟化VDI/VXI情景感知的动态策略可视化一体管理一体化安全制造行业网络一体化接入一体化网络2010Ciscoand/oritsaffiliates.

All

rights

d.思科制造行业智能MES

网络解决方案MES具有节点分布广，

层次多的特点，同

时基于成本节省和

快速部署的原因，决定了MES必须具备

灵活接入的能力。WLAN是最常用的手

段MES是生产的关键组

成部分，负责把现

场控制层和企业计

划层连成统一的网

络。

MES必须有一个

可靠的的网络平台

来保证生产的顺利

运作。双机系统和

双链路连接是常用

的高可用技术MES上联企业计划层

,下联现场控制层

。需要在MES网络中

部署相应的安全手

段来保证MES自身以

及与其直接相连的

企业计划层，下联

现场控制层的安全

性。准入控制是必

备的安全手段之一可靠性安全性灵活性MES系统对网络的需求ERPAppsCRMSCMFirewall

(Standby)前端服务器Gbps

Linkfor

FailoverDetectionFirewall

(Active)Cisco

Catalyst

6500/4500车间应用服务器CiscoCatalyst

3KDriveController

HMI

Distributed

I/OCell/Area#1(Redundant

StarTopology)高可用接入安全

灵活接入CiscoCatalyst

4500MESControllerHMIDriveDistributed

I/OCell/Area#3(Bus/StarTopology)实时控制<50ms

收敛安装便利云平台网络虚拟化

多媒体支撑无线AP无线APIndustrialLayer

2Access

Switch计划层无线控制器FCSDriveHMI网关工业现场无线网络ISA-100a或WirelessHART制造行业无线车间架构

WIFI

电话生产线无线网络MES

网络厂无线接入点

厂Cisco

Catalyst

6500/4500无线接

入点无线控制器RFID

设备CiscoCatalyst

3K无线网管RFID在MES网络中部署思

科无线解决方案，采用

RFID的方式，通过实

时上传部件信息到计划

层ERP系统，实现对整个生产流程的管理和

监控固定式RFID

读写器扫描器Windows平台的车载或

固定安装的电脑整合了无线广域网以及

GPS技术的手持终端室内以及室外

AP条码及RFID

打印机RFID的手持终端键盘式手持终端托盘标签语音识别集成Cisco21Cisco21思科智能工厂控制层

网络解决方案很多自动化设备厂商已将开始向工业以太网方向转移•

优势：标准开放，理和集成

带宽丰富可实现远程访问和支持多种接入手段和多媒体的支持•

困难多网络共存管理维护困难带宽有限缺乏远程访问和支持的能力Corporate

NetworkControlNetworkDevice

Level

Network

EthernetBack-office

Mainframe

s

and

ServersHuman

MachineInterfaceOfficeApplications,Internetworking,

DataServers,StorageOfficeApplications,

Internetworking,DataServers,Storage基于以太网构架Sensors

andOtherInput/OutputDevicesProgrammableLogicControllersBack-office

Mainframe

s

and

ServersSensorsandOtherInput/OutputDevicesControl

Network

GatewayProgrammableLogicControllers传统构架Motors,Drives,ActuatorsMotors,Drives,ActuatorsHumanMachineInterfaceCorporate

NetworkPC

BasedControllersPC

BasedControllersEthernetRoboticsRobotics提升运营可视性.

底层设备的统一网络.

制造过程-企业运营的紧密集成提升业务可靠性和安全性.

网络安全与高可用.

网络冗余弹性提升运行效率.

标准化的架构.

可扩展的网络平台加速事件响应.

远程访问与监控.

故障诊断和技术支持HMIDriveControllerCell/Area#2(RingTopology)ControllerHMIDistributed

I/OCell/Area#3(LinearTopology)Enterprise/ITIntegrationCollaborationERP/SCM/BI/

…WirelessApplication

OptimizationPatch

ManagementTerminalServicesApplicationandDatashareAccess

ControlDetectionThreatProtectionFirewall(Active)SiteOperationsandControlMulti-ServiceNetworksNetworkandSecurity

ManagementNetwork

ServicesRoutingDriveControllerDistributedI/OCell/Area#1(Redundant

StarTopology)EtherNet/IP(IndustrialProtocols)Real–TimeControlFastConvergenceTrafficSegmentationandManagementEaseof

UseManufacturingZone

Level

3Distributionand

CoreCell/AreaZone

Levels0-2Layer2AccessDemilitarizedZone

(DMZ)

FirewallsEnterpriseNetworkLevels4-5RockwellAutomationStratix8000Layer2AccessSwitch

DriveCiscoCat.

3750StackWiseSwitchStackFactoryTalkApplicationServersApplication

MirrorAV

ServerCiscoCatalyst

6500/4500Gbps

Linkfor

FailoverCiscoCatalyst

SwitchFirewall

(Standby)CiscoASA5500HMIManufacturing.Purdue

Reference

ModelforControl

Hierarchy.ISA-95

Enterprise—ControlSystem

Integration.ISA-99—

ManufacturingandControlSystemsSecurity.NIST800-82—

IndustrialControlSystemSecurity.ODVAmonIndustrialProtocol

(CIP).

Profinet—Technology.IEEE

802.3—standard

Ethernet,PrecisionTimeProtocol

(PTP—1588).IETF—standard

Internet

Protocol(IP)Builton

IndustryStandards“采用统一标准的网络平台，使我们能够简单快速的

提升系统可靠性并降低成本，从而更有效的将工作

重心聚焦在业务创新上.

“—

Kirk

Gutmann,

全球制造部门CIO,

GM•

从业务层到制造设备底层，全部采用

集成化的网络架构•

全球统一的技术标准和支持体系•

将网络停机时间减少了95%•

加速了故障响应过程集成化的网络架构驱动业务提升08.html核心交换机千兆接口数量：

>=2三层交换机，能路由节点交换机千兆接口数量：

<=2二层交换机，不能路由思科工业网络解决方案简介Device

Manger,Smart

Ports,

CIP-

Support,

IESwapDrive,

DHCPpersistanceLayer2-4ACL

’s,

Port

Security,

UserBased

Authentication(802.1x/NAC),Secure

CIPIEEE

1588

PTP,ODVA

CIP,VLAN,

802.xx,

QoS,

IGMP,

Profinet,

REPconvergenceEasy-to-UseEfficientdeployment,

managementandreplacementSecureIntegratedsecurity—forITand

industrialapplicationscisco

IE

3000seriesIndustry

Leading

IndustrialSwitchingITandIndustrial

IntegrationLeadingCiscoswitchingcapabilitiesandkeyfeaturesforindustrialapplicationsExtendedshock,vibration,

humidity

andthermalenvironmentsRuggedDesignedfor

industrialapplications.

4

&

8-

端口基础模块

(10/100BaseT）–

双用途上联接口.10/100/1000BaseTor

SFP–尺寸.6.0”w

x5.8”

hx4.4”d.

8-

端口电口扩展模块

(10/100BaseT).

8-

端口光口扩展模块

(100FX多模)–

扩展选项:.1个或两个8端口电口扩展模块

.1个8口的百兆扩展模块.1个8口的电口模块加1个8口的百兆电口模块

–

尺寸.3.5”w

x

5.8

h

x

4.4”

d.

扩展电源选项–扩展电源的电压输入:

.85-265VAC.88-300VDC–

尺寸:.2”w

x

5.8”

h4.4”

d©2011Ciscoand/oritsaffiliates.

All

rightsd.cisco

IE

3000seriesIndustry

Leading

IndustrialSwitching2

IE-3010-

16S-8PC双千兆上联，

16个100MSFP光口

下联，8个100M电口下联，双交流/直流电源，

-40

°Cto60

°C双千兆上联，

24个100M电口下联，双交流/直流电源，

-40

°Cto

60

°Ccisco

IE-3010系列工业交换机(机架式)IE-3010-24TC后面板视图1Cisco

IE2000Seriesaredesignedforlow

cost,

low

ports,

and

small

sizes:•4,8,or

16

10/100Base-T

Ethernet

ports

fixed

configurations

withpact

form

factor•2x

Gigabitbo

ports,

SFP

or

RJ45

uplink•

Dual-input

DC

powersupply,alarm

relays,

DIN

rail

mount•One

modelwithconformal

coating•SwappableSDflashcard

(forconfigurationstorage),

mini-USB

connector,

RS-232

console

port•

Industrialenvironmentalplianceandcertifications•

Industrial

partnerapplications:

EtherNet/IPand

PROFINETcisco

IE

2000series固定端口配置的2层交换机LAN

Lite

FeatureSet

LAN

Base

FeatureSetPeriod1secondor

longer10

msto

100

ms<1

msIndustriesOil&gas,

chemicals,energy,waterAuto,foodandbev,electricalassembly,semiconductor,metals,

pharmaceuticalSubsetoffactoryautomationMaterialhandling,filling,labeling,palletizing,packaging;welding,stamping,cutting,metalforming,soldering,sortingSynchronizationofmultipleaxes:printing

presses,wiredrawing,webmaking,pickingand

placingPumps,pressors,mixers;monitoringoftemperature, pressure,flow

HardwareandSoftwaresolutions,e.g.CIP

Motion,

PTPInformationIntegration,SlowerProcess

AutomationTime-criticalFactory

AutomationFactoryAutomationProcessAutomationm.TechnologyIndustrialProtocols,CIP,

etc.MotionControl.Net,

,TCP/IPApplicationsMotionControlFunction技术创新与客户应用相结合多环结构SD卡-快速更换快速收敛安全特性可靠性应用亮点StandbyACTIVE请先看看我们的竞争对手是怎么做的快速收敛以HIPER-Ring（超级冗余环网协议）

为例网络出现断点网络正常运行Broken主交换机管理工业环网的隐患快速收敛节点交换机节点交换机节点交换机节点交换机节点交换机节点交换机主交换机备交换机逻辑断点主模式主交换机节点交换机主交换机管理工业环网的隐患快速收敛状态改为转发备模式节点交换机节点交换机节点交换机节点交换机节点交换机逻辑断点备交换机主模式123导致的结果1.依赖主交换机来维护环结构单点故障

&主备切换问题2.必须经过多个探测周期才能确认故障探测故障的时间周期长(3*100=300ms)3.对光纤虚接等故障无法排除造成网络结构频繁倒换，传输时通时断主交换机管理工业环网的隐患快速收敛技术问题

备模式节点交换机节点交换机主交换机备交换机节点交换机节点交换机节点交换机节点交换机主模式逻辑断点弹性以太网协议环形链路断路保护•

Distributed

Protocol:

Any

REPportcan

initiateaswitchoveras

longas

it

haspreviouslyacquiredasecure

keyto

unblockthealternateport.•UsingaCisco

Multicastaddress,thenotificationisforwardedin

hardwaresothateachnode

inthesegment

is

notifiedimmediatelywithoutsoftwareinvolvementfrom

any

node.快速收敛Alternate

PortOpenOpenFailedFailedOpenOpenOpenOpen

OpenLink

Failure

notificationLink

Failure

notificationEdgeSwitch

Switch

CFloodedFloodedFloodedFloodedFlooded

Switch

D测试说明：1.测试采用16个环节点，

80%线速双向流量方式

2.在测试VLAN300上发送80Mbps的测试流量3.背景流量在其它所有VLAN上发送，共计4个FE

端口，各发送80Mbps的背景流量测试结果：环网自愈时间在33~40毫秒ms快速收敛FeatureDescription安装模式DIN-Rail,Wall-Mount

and

Rack-Mount

(19”

rack

converter

provided)-40C

to

75C

(-40F

to

167F)相对湿度5%-

95%

Condensing震荡20g(Operational),

30g(Non-Operational)浪涌保护4

kV

(line

to

earth)/

2

kV

(line

to

line)告警Dual24Valarm

relays,

normallyopen实时以太网IEEE

1588v2–

hardware

ready光纤接口LC防护等级IP20(Protectionagainstdust,

No

protectionagainstwater)电源输入（基础模块自带）24V/48V

DC可靠性适用于恶劣环境特性描述通用工业协议

(CIP)Apeer-to-peerapplicationlayerprotocolsuite,sharedbyindustrialnetworkssuchas

DeviceNet,ControlNetandEtherNet/IP.工业自动化灵活端口模板OptimizedSmartportprofilesforindustrialautomationdevices.DHCP精确地址分配DHCPserveroffersthesame

IPaddresstothedevicesPTP(IEEE

1588v2)PTPSoftwaremodulefortimesynchronizationCatalyst2960LAN

Base

Image

+为工厂应用优化当前版本都已提供可靠性BAlternatePortPre-emption

delay:15sec.to

300

sec.PreferredAlternatePortAlternatePortCisco

42APreferredAlternatePort2011

Cisco

.All.断路点

Graceful恢复主要的应用亮点2可靠性故障查明/处理后PreferredAlternatePortSecondary

Edge

PortPrimary

Edge

PortPreferredAlternatePortAlternate

Port特性特性所带来的好处VLAN

/

VLAN

Trunking减少广播域，从而降低广播所带来的影响DHCP

(client)IP地址的分配SNMP

(v3)为上层管理软件提供安全的协议IGMP

/

IGMP

snooping

(with

querier)管理组播流量的分发，提高网络带宽的利

用效率Broadcast

&

Multicastrate

limiting消除因为大量广播或组播流量产生的网络

中断Spanning

Tree

Protocol消除网络中的潜在环路，防止广播风暴Rapid

Spanning

Tree

Protocol

(RSTP)在链路断开后能够使网络迅速自愈Port

Mirroring方便问题定位Port

Security限定在一个交换端口上的接入设备个数安全特性设备级的安全特性SecurityServices

Must

notpromiseManufacturingOperationor

ImpactControlTrafficprehensiveSecurity

ArchitectureProtectingCritical

ManufacturingAssetsDeployzoneconceptforenterprise,DMZandmanufacturing

areas•Network

infrastructuresecurity•Portsecurity

(MACfiltering,etc.)•Identityaccesscontrol

withACLs

andfirewalls•

Security

managementforall

securitydevicesand

services•

Threatcontrolandcontainment—

IPS安全特性“

零配置

”更换-

当遇到问题的时候可以简单的替换交换机-操作人员几乎不需要懂网络技术就可以做到替换-IE

SwapDrive

技术保证了快速的恢复存储在SwapDrive中的文件-IOS系统文件

–

(tar,html)

–2

sets-

配置信息-

VLAN的数据库-其他设备的配置信息SD卡-主机快速更换简单弹性以太网协议区段与环形拓扑之间的关系BlockedBlocked多环结构REPSegmentREPSegment4Segment

1Segment3Segment24Segment2REP灵活的应用支持复杂的环形拓扑组网多环结构Segment34Segment

1

Segment•

精准时间协议(PTP)

多个设备间实时同步时钟•在汽车生产网络中有广泛需求–

电机的控制精度需要达到毫秒级的精度–所有设备上时钟的精度达到小于1ms–

根据时间预先定义指定操作竞争优势--IEEE

1588V2-精准时间协议(PTP保证PLC等机械设备，能够在精准的环境下进行操作

标准的精准时间协议

主时钟•

提供网络冗余和快速收敛•支持开环或闭环等多种拓扑结构•

环的收敛时间小于50ms竞争优势--弹性以太网协议(

REP•

思科的创新之一东风汽车某著名企业某著名企业集团北京现代汽车上海通用汽车某著名企业福田-康明斯苏州轨道交通

上海地铁长沙政府大连政府上海某著名企业上海公安米其某著名企业浙江烟草武汉烟草中石油(大庆)中石油(大港)中石化某著名企业集团首钢集团中国南机团河南电力浙江电力南瑞电力汽车制造石油石化冶金、机械烟草电力行业公共事业PLC--采用德国施耐德Modicon

TSX

Premium系列及RockWell

PLC。40几台Cisco

IE3000用于生产线的PLC、

I/O、

Sensor等现场工控设备的网络连安全可靠的工业以太网络架构设计某汽车企业网络案例遵循思科工业以太网演进路线•

技术实现：•业务管理网和制造网共用核心网络设备，降低成本•

标准的双星形网络结构，

便于配合工艺流程的灵活调整•

IE3000交换机置于专业防护箱内，IP防护等级最高可达到

IP65•

客户需求：•

采用统一的网络架构和平台•

灵活的网络结构，局部调整快速方便•

IP防护等级要求IP43以上ProgrammingTerminalsHMI总装车间IE3000交换机Driver

CameraDevice涂装车间

Device

Driver树脂车间的的ContorllerRobot焊装车间IPCSystem冲压车间

千兆光纤

百兆光纤

百兆双绞线厂区骨干网及

数据中心生产核心A生产核心BIE3000交换机IE3000交换机IE3000交换机IE3000交换机Robot连线类型示意：千兆单模千兆多模千兆电12SW

图位号

百兆单模

百兆多模

百兆电原料交换机高炉部分网络拓扑图4SW4TC5SW4TC6SW8TC7SW核心交换机-22SW8TC+8F

M8TC+8F

M交换机核心交换机-

11SW工长服务器10SW增加110SW增加27SW增加110SW原煤100M电*

6100

MM*

4100M电*

6100

MM*

2干法除尘粗煤气热风炉上料除尘炉前除尘炉顶上料联合泵站倍福TMT本体下联1PLCPLC8TC+8FM4TC+8FM喷煤核心交换机-38TC+8FM11SW8SW4TC网管服务器100M电*

8专家系统综合管网4TC+8FM8TC+8FM8TC+8FM8TC+8TM61SW看水13SW12SW15SW14SW3SW9SW4TC4TC4TC8TC8TC•

技术实现：•业务管理网和制造网共用核心网络设备，降低成本•

标准的双星形网络结构，

便于配合工艺流程的灵活调整•

IE3000交换机置于专业防护箱内，IP防护等级最高可达到

IP65•

客户需求：•

采用统一的网络架构和平台•

灵活的网络结构，局部调整快速方便•

IP防护等级要求IP43以上SW1

SW24TC

4TC+8FX

4TC

4TC

4TC+8FX4TC+8FX4TC+8FX连线类型示意：千兆单模

千兆多模

千兆电SW3

图位号

百兆单模

百兆多模

百兆电炼钢服务器SW增加