基于工業(yè)以太網(wǎng)的云桌面技術(shù)研究與應(yīng)用

任少波，陳 源

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

0 引言

隨著信息化和智能化技術(shù)的深入發(fā)展，世界制造業(yè)正在向智能制造升級發(fā)展，工業(yè)4.0時代悄然來臨，傳統(tǒng)自動化工廠正在向智能工廠轉(zhuǎn)變。世界主要的發(fā)達(dá)國家重新重視制造業(yè)，美國政府希望重新實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，讓美國制造企業(yè)回到美國，德國提出工業(yè)4.0行動計劃，以在國家制造業(yè)競爭中占領(lǐng)制高點(diǎn)和話語權(quán)。國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》以及“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃對傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級，讓中國從低端、低利潤制造業(yè)向中高端、較高利潤制造業(yè)升級，搶奪世界工業(yè)分工體系制高點(diǎn)。制造企業(yè)向智造企業(yè)的升級須充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施自動化服務(wù)、生產(chǎn)資源和生產(chǎn)環(huán)境平臺化服務(wù)，服務(wù)系統(tǒng)軟件定制化以及智能化辦公和運(yùn)營服務(wù)，能夠使企業(yè)獲得軟硬一體集成的解決方案，真正實(shí)現(xiàn)智能制造、智能運(yùn)維、智能服務(wù)。工業(yè)以太網(wǎng)為制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、自動控制提供了可靠高效的通信基礎(chǔ)，是傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)變的物理連接基礎(chǔ)。云桌面技術(shù)能有效保證制造企業(yè)的數(shù)據(jù)安全性、業(yè)務(wù)工作的連續(xù)性，為員工提供便捷的數(shù)據(jù)訪問，為企業(yè)精益制造和柔性制造提供了技術(shù)支撐。基于工業(yè)以太網(wǎng)的云桌面技術(shù)為企業(yè)向智能制升級造架起了技術(shù)橋梁。

1 以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)

1.1 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)在20世紀(jì)70年代開發(fā)，被電氣和電子工程師協(xié)會定義為IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)定義了郵箱訪問控制的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，覆蓋了一系列局域網(wǎng)設(shè)備。這些標(biāo)準(zhǔn)還描述了配置以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則以及網(wǎng)絡(luò)元素如何相互配合。使用以太網(wǎng)時，數(shù)據(jù)流被分成較短的片段或幀-每個片段或幀都包含特定信息，例如數(shù)據(jù)的源和目標(biāo)。為了使網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)是必需的。以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)通常采用雙絞線或光纖電纜，以太網(wǎng)設(shè)備連接該電纜以提供數(shù)據(jù)傳輸路徑。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbps～100 Mbps。千兆以太網(wǎng)又稱吉比特以太網(wǎng)，采用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)1 000 Mbps的信息傳輸速率。千兆以太網(wǎng)主要用于大傳輸量需求的骨干網(wǎng)。以太網(wǎng)使計算機(jī)可以通過一個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，沒有它，當(dāng)今現(xiàn)代世界中的設(shè)備之間將無法進(jìn)行通信。以太網(wǎng)是用于在組織的單個網(wǎng)絡(luò)上連接多臺計算機(jī)、設(shè)備、機(jī)器等的電線和電纜系統(tǒng)的全球標(biāo)準(zhǔn)，以便所有計算機(jī)可以相互通信。以太網(wǎng)利用傳輸介質(zhì)可以將多個設(shè)備連接到一個網(wǎng)絡(luò)上。以太網(wǎng)技術(shù)在眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，是全世界使用最多的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)可以在更多的辦公室中使用。辦公室以太網(wǎng)是為辦公場景使用級別而設(shè)計的，而工業(yè)以太網(wǎng)可以考慮為多個級別，并可以應(yīng)用于更重負(fù)荷的環(huán)境[1]。工業(yè)以太網(wǎng)需要應(yīng)對工廠噪聲、工廠過程需求以及更惡劣的環(huán)境，甚至及時響應(yīng)工廠現(xiàn)場的數(shù)據(jù)沖突。工業(yè)以太網(wǎng)中的電纜和連接器也可能有所不同，如在工業(yè)環(huán)境中使用的連接器將不是基本的嵌入式鎖定機(jī)制。由于惡劣的環(huán)境，需要更重的鎖定機(jī)構(gòu)。重型應(yīng)用中通常也需要密封連接器。商業(yè)或辦公室以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)的電纜連接器也會有所不同，即使是輕型的工業(yè)電纜也可能比商業(yè)以太網(wǎng)電纜具有等級更高的護(hù)套，同時重型的工業(yè)電纜使用的保護(hù)套及保護(hù)金屬的質(zhì)量也更高，更加結(jié)實(shí)耐用。確定性是定義工業(yè)以太網(wǎng)并將其與以太網(wǎng)分離時的重要因素。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)本身并不是確定性的，但是工業(yè)環(huán)境需要確定性，需要在特定時間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，并且需要確保每次都能成功傳遞數(shù)據(jù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行通信是出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者較大的數(shù)據(jù)延遲，可能造成重大的生產(chǎn)事故，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，降低良品率。對于選擇部署哪種類型的以太網(wǎng)解決方案，這種實(shí)時信息傳輸通常是公司的主要決定因素。公司將評估其特定需求，并確定最適合組織的以太網(wǎng)解決方案。以太網(wǎng)正在工廠中迅速成為眾所周知和使用的技術(shù)。與工業(yè)應(yīng)用中的現(xiàn)場總線相比，它在成本、數(shù)據(jù)量和傳輸速度方面都均有更高的要求。不用于商業(yè)和辦公環(huán)境以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境更加惡劣，需要能夠應(yīng)對數(shù)據(jù)沖突、工業(yè)噪聲以及嚴(yán)苛的生產(chǎn)環(huán)境要求。工業(yè)以太網(wǎng)本質(zhì)上仍是以太網(wǎng)，但是為適應(yīng)特殊的工業(yè)生產(chǎn)要求而設(shè)計的以太網(wǎng)[2]。

2 云桌面

云桌面技術(shù)的核心是桌面技術(shù)虛擬化，即利用云計算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把本地用戶計算機(jī)終端上的計算機(jī)桌面虛擬化安裝到遠(yuǎn)程云服務(wù)器上，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對云桌面的操作[3]。本地計算機(jī)終端主要用于云桌面的顯示，并把鍵盤鼠標(biāo)輸入通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給云服務(wù)器。云桌面技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)計算機(jī)部署和使用方式，本地計算機(jī)終端變成了一個遠(yuǎn)程桌面登錄終端，桌面操作和軟件安裝和使用都被在遠(yuǎn)程云桌面上實(shí)現(xiàn)。無論用戶身處何地，只用有網(wǎng)絡(luò)條件許可，就可以像在辦公室一樣使用計算機(jī)，并且從用戶體驗(yàn)上完全感覺不到差異，極大地提高了辦公效率，簡化和節(jié)省了系統(tǒng)維護(hù)成本。

不同于傳統(tǒng)個人計算機(jī)一般只安裝一個操作系統(tǒng)，使用一套桌面系統(tǒng)，云服務(wù)器可以根據(jù)需要虛擬出多個云桌面，每個云桌面都可以有獨(dú)立的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，并有自己的用戶賬戶和密碼。對每個用戶而言，云桌面及其配置環(huán)境都是私有的。一臺云服務(wù)器上可以同時運(yùn)行多個云桌面，實(shí)現(xiàn)了對處理器、內(nèi)存和磁盤等硬件設(shè)備的共享，同時用戶對桌面的使用是獨(dú)立安全互不影響的。云桌面技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要用到兩項關(guān)鍵技術(shù)，即桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議和服務(wù)器虛擬化。服務(wù)器虛擬化是實(shí)現(xiàn)云桌面的基礎(chǔ)，正是采用虛擬化技術(shù)，使得服務(wù)器硬件資源被軟件化、定制化，可以靈活實(shí)現(xiàn)分配和管理。而桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議是為用戶桌面云服務(wù)的通信手段，正是有了桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議用戶才使用體驗(yàn)上才幾乎感覺不到云桌面與本地桌面的差異。

3 工業(yè)以太網(wǎng)與云桌面

傳統(tǒng)工業(yè)制造企業(yè)要向智能制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級首先要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程信息化，生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化是企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的物理基礎(chǔ)，對企業(yè)生產(chǎn)效率會產(chǎn)生直接影響，是企業(yè)邁進(jìn)工業(yè)4.0的第一步。

制造企業(yè)要實(shí)現(xiàn)自動化和信息化控制首先要解決設(shè)備和系統(tǒng)的通信接入問題。20世紀(jì)80年代隨著生產(chǎn)制造規(guī)模的利益擴(kuò)大和系統(tǒng)復(fù)雜化，工廠設(shè)備開始引入現(xiàn)場總線技術(shù)解決數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換工作，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的自動化控制。

現(xiàn)場總線技術(shù)由眾多企業(yè)研發(fā)，雖然群雄逐鹿但沒有哪家企業(yè)能實(shí)現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)壟斷，最終國際電工委員會通過了一個包含多個現(xiàn)場總線協(xié)議的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)。IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是對行業(yè)多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)并存的妥協(xié)，但多標(biāo)準(zhǔn)就是事實(shí)上的無行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的互聯(lián)互通，需要采用一種得到廣泛認(rèn)可、技術(shù)成熟的工業(yè)通信技術(shù)，因此在商業(yè)和辦公環(huán)境中廣泛使用的以太網(wǎng)技術(shù)由于開發(fā)性好、協(xié)議簡單、價格不高等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)通信技術(shù)的新選擇。一些企業(yè)提出采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的解決方案，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)設(shè)備的通信連接，由此產(chǎn)生了工業(yè)以太網(wǎng)。由于以太網(wǎng)最初是為辦公環(huán)境設(shè)計的計算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)，沒有考慮工業(yè)生產(chǎn)中可能產(chǎn)生的溫度、濕度、灰塵、噪聲等一系列環(huán)境需求，以及對數(shù)據(jù)丟包率、傳輸延遲容忍度的要求，因此不能把以太網(wǎng)技術(shù)直接用于工業(yè)生產(chǎn)過程，需對其進(jìn)行特殊處理。工業(yè)以太網(wǎng)基于IEEE803.3標(biāo)準(zhǔn)，主要采用HSE，Modbus TCP/IP，ProfINet，Ethernet/IP等4種通信協(xié)議。從廣義的角度看，工業(yè)以太網(wǎng)可視作眾多現(xiàn)場總線技術(shù)中的一種。以太網(wǎng)在商業(yè)和辦公環(huán)境中稱為信息管理和信息通信的基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)以太網(wǎng)也是工業(yè)生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過程控制的信息基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)以太網(wǎng)的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速集成，硬件及相關(guān)開發(fā)技術(shù)眾多，得到大量廠商技術(shù)支持。

目前我國制造業(yè)及工廠生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的首要問題是加快實(shí)現(xiàn)信息化，為小批量、精細(xì)化、定制化的智能制造和柔性制造創(chuàng)造條件。制造企業(yè)往往員工眾多，特別是大型跨國企業(yè)員工分布在全世界眾多國家和地區(qū)，需要大量的計算機(jī)來對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。為應(yīng)對生產(chǎn)線快速升級的需求，在智能工廠中采用本地計算機(jī)面臨的問題和弊端越來越多，使企業(yè)生產(chǎn)和管理系統(tǒng)信息化面對諸多挑戰(zhàn)。制造企業(yè)在生產(chǎn)過程中需要用到大量涉及知識產(chǎn)權(quán)和關(guān)鍵信息的技術(shù)方案、涉及圖紙、客戶訂單信息等的重要數(shù)據(jù)。如果使用本地計算機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵信息管理，把重要數(shù)據(jù)存儲在本地磁盤，在缺少有效的存儲管理措施的情況下，可能會造成重要數(shù)據(jù)泄露或丟失，給企業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的風(fēng)險。

生產(chǎn)制造過程中的升級維護(hù)可能涉及眾多設(shè)備終端的系統(tǒng)變更，傳統(tǒng)分散的計算機(jī)進(jìn)行升級管理非常麻煩，需要逐個對計算機(jī)終端進(jìn)行軟硬件進(jìn)行重寫安裝和調(diào)試，工作量巨大、缺少靈活性，并容易造成重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失。同時，本地計算機(jī)一旦采購?fù)瓿?，其硬件升級的空間就會變得十分有限，難以靈活應(yīng)對升級需求。通常為了保證數(shù)據(jù)安全，確保重要數(shù)據(jù)不被破壞，生產(chǎn)線系統(tǒng)升級時往往在完成數(shù)據(jù)備份后需要對計算機(jī)終端進(jìn)行重新安裝，這會導(dǎo)致升級調(diào)試周期變得非常長，無法快速應(yīng)對小批量，定制化的柔性制造需求。生產(chǎn)制造企業(yè)通常需要大量的計算機(jī)終端，因此軟件和硬件故障會不時發(fā)生，特別是對連續(xù)開工的生產(chǎn)線，需要專門的技術(shù)人員進(jìn)行全天候進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，造成維護(hù)成本高昂、故障響應(yīng)和處理不及時等問題，影響企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。云桌面技術(shù)的出現(xiàn)成了制造企業(yè)應(yīng)對信息化過程中面對眾多挑戰(zhàn)的有效手段。通過云桌面技術(shù)，不管企業(yè)員工和專家在何處、何時辦公，都能通過網(wǎng)絡(luò)安全方便地查詢各種圖紙、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、客戶資料、設(shè)備狀態(tài)等重要企業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)。云桌面技術(shù)由于其便捷性、靈活性、安全性和便于升級維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)界受到重視[4]。在制造企業(yè)中，桌面云的優(yōu)點(diǎn)能有效應(yīng)對生產(chǎn)線在轉(zhuǎn)型升級中面對的問題，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造。云桌面技術(shù)采用端到端安全技術(shù)把重要數(shù)據(jù)都存儲在云端，由于在本地計算機(jī)終端不用存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)，極大地提高了數(shù)據(jù)安全，同時由于對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，可以避免數(shù)據(jù)泄露和丟失。云桌面技術(shù)把計算資源和存儲資源虛擬化，能根據(jù)生產(chǎn)線的要求按需分配計算和存儲資源。同時，位于不同地點(diǎn)的生產(chǎn)線和辦公室能夠共享資源，便于企業(yè)對靈活布設(shè)生產(chǎn)區(qū)域。與傳統(tǒng)制造企業(yè)不同，采用了云桌面技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，生產(chǎn)和辦公環(huán)境的系統(tǒng)可以在云端進(jìn)行遠(yuǎn)程在線升級和維護(hù)，快速實(shí)現(xiàn)各種控制和辦公軟件的部署，快速應(yīng)對智能制造中的精細(xì)化和柔性制造的各種需求。云桌面技術(shù)從設(shè)計架構(gòu)上保證了企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性，減少單個終端故障對系統(tǒng)運(yùn)行的整體性影響。云桌面技術(shù)提供的分布式計算和存儲，硬件資源虛擬化技術(shù)能夠保證企業(yè)生產(chǎn)長時間連續(xù)運(yùn)行，為企業(yè)提供全天候生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的安全、可靠、短延遲的通信連接，云桌面技術(shù)保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全，減小設(shè)備維護(hù)難度，并為企業(yè)員工提供了移動、便捷的工作環(huán)境。

4 結(jié)語

以智能制造為目標(biāo)的工業(yè)4.0發(fā)展趨勢既是傳統(tǒng)制造企業(yè)的機(jī)遇，也是面臨的挑戰(zhàn)。首先，在工業(yè)4.0的大潮中，工業(yè)制造企業(yè)需要利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備的互聯(lián)互通，對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動化、智能化控制；其次，大型制造企業(yè)往往規(guī)模巨大，在全世界可能有多家工廠，人員全球辦公，如何將云計算等新技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)線和企業(yè)辦公環(huán)境來提高競爭力，是各個制造企業(yè)都需要面對的問題。工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了工廠生產(chǎn)設(shè)備之間的可靠互聯(lián)互通，以及自動控制，云桌面技術(shù)保證了企業(yè)能在全球范圍內(nèi)靈活應(yīng)對智能生產(chǎn)業(yè)務(wù)。工業(yè)以太網(wǎng)和云桌面技術(shù)的融合必將推動智能制造的深入發(fā)展，促進(jìn)制造業(yè)向自動化、智能化轉(zhuǎn)型升級。