基于工業以太網的云桌面技術研究與應用

任少波，陳 源

(航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都 610091)

0 引言

隨著信息化和智能化技術的深入發展，世界制造業正在向智能制造升級發展，工業4.0時代悄然來臨，傳統自動化工廠正在向智能工廠轉變。世界主要的發達國家重新重視制造業，美國政府希望重新實現工業化，讓美國制造企業回到美國，德國提出工業4.0行動計劃，以在國家制造業競爭中占領制高點和話語權。國務院發布的《中國制造2025》以及“互聯網+”行動計劃對傳統制造業進行轉型升級，讓中國從低端、低利潤制造業向中高端、較高利潤制造業升級，搶奪世界工業分工體系制高點。制造企業向智造企業的升級須充分利用互聯網技術和云計算技術實現企業生產基礎設施自動化服務、生產資源和生產環境平臺化服務，服務系統軟件定制化以及智能化辦公和運營服務，能夠使企業獲得軟硬一體集成的解決方案，真正實現智能制造、智能運維、智能服務。工業以太網為制造企業生產設備實現互聯互通、自動控制提供了可靠高效的通信基礎，是傳統制造業向智能制造轉變的物理連接基礎。云桌面技術能有效保證制造企業的數據安全性、業務工作的連續性，為員工提供便捷的數據訪問，為企業精益制造和柔性制造提供了技術支撐。基于工業以太網的云桌面技術為企業向智能制升級造架起了技術橋梁。

1 以太網與工業以太網

1.1 以太網

以太網在20世紀70年代開發，被電氣和電子工程師協會定義為IEEE 802.3標準。以太網IEEE 802.3 標準定義了郵箱訪問控制的物理層和數據鏈路層，覆蓋了一系列局域網設備。這些標準還描述了配置以太網網絡的規則以及網絡元素如何相互配合。使用以太網時，數據流被分成較短的片段或幀-每個片段或幀都包含特定信息，例如數據的源和目標。為了使網絡根據需要接收和發送數據，此類數據是必需的。以太網傳輸介質通常采用雙絞線或光纖電纜，以太網設備連接該電纜以提供數據傳輸路徑。標準以太網的數據傳輸速率為10 Mbps～100 Mbps。千兆以太網又稱吉比特以太網，采用IEEE 802.3標準能夠實現1 000 Mbps的信息傳輸速率。千兆以太網主要用于大傳輸量需求的骨干網。以太網使計算機可以通過一個網絡進行連接，沒有它，當今現代世界中的設備之間將無法進行通信。以太網是用于在組織的單個網絡上連接多臺計算機、設備、機器等的電線和電纜系統的全球標準，以便所有計算機可以相互通信。以太網利用傳輸介質可以將多個設備連接到一個網絡上。以太網技術在眾多領域都得到了廣泛應用，是全世界使用最多的網絡通信技術。

1.2 工業以太網

以太網可以在更多的辦公室中使用。辦公室以太網是為辦公場景使用級別而設計的，而工業以太網可以考慮為多個級別，并可以應用于更重負荷的環境[1]。工業以太網需要應對工廠噪聲、工廠過程需求以及更惡劣的環境，甚至及時響應工廠現場的數據沖突。工業以太網中的電纜和連接器也可能有所不同，如在工業環境中使用的連接器將不是基本的嵌入式鎖定機制。由于惡劣的環境，需要更重的鎖定機構。重型應用中通常也需要密封連接器。商業或辦公室以太網與工業以太網的電纜連接器也會有所不同，即使是輕型的工業電纜也可能比商業以太網電纜具有等級更高的護套，同時重型的工業電纜使用的保護套及保護金屬的質量也更高，更加結實耐用。確定性是定義工業以太網并將其與以太網分離時的重要因素。標準以太網本身并不是確定性的，但是工業環境需要確定性，需要在特定時間發送和接收數據包，并且需要確保每次都能成功傳遞數據。在工業生產過程中，生產設備進行通信是出現數據丟失或者較大的數據延遲，可能造成重大的生產事故，導致產品出現嚴重缺陷，降低良品率。對于選擇部署哪種類型的以太網解決方案，這種實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解決方案。以太網正在工廠中迅速成為眾所周知和使用的技術。與工業應用中的現場總線相比，它在成本、數據量和傳輸速度方面都均有更高的要求。不用于商業和辦公環境以太網，工業以太網的應用環境更加惡劣，需要能夠應對數據沖突、工業噪聲以及嚴苛的生產環境要求。工業以太網本質上仍是以太網，但是為適應特殊的工業生產要求而設計的以太網[2]。

2 云桌面

云桌面技術的核心是桌面技術虛擬化，即利用云計算技術和網絡技術把本地用戶計算機終端上的計算機桌面虛擬化安裝到遠程云服務器上，并通過網絡實現對云桌面的操作[3]。本地計算機終端主要用于云桌面的顯示，并把鍵盤鼠標輸入通過網絡傳遞給云服務器。云桌面技術的出現徹底改變了傳統計算機部署和使用方式，本地計算機終端變成了一個遠程桌面登錄終端，桌面操作和軟件安裝和使用都被在遠程云桌面上實現。無論用戶身處何地，只用有網絡條件許可，就可以像在辦公室一樣使用計算機，并且從用戶體驗上完全感覺不到差異，極大地提高了辦公效率，簡化和節省了系統維護成本。

不同于傳統個人計算機一般只安裝一個操作系統，使用一套桌面系統，云服務器可以根據需要虛擬出多個云桌面，每個云桌面都可以有獨立的操作系統和應用軟件，并有自己的用戶賬戶和密碼。對每個用戶而言，云桌面及其配置環境都是私有的。一臺云服務器上可以同時運行多個云桌面，實現了對處理器、內存和磁盤等硬件設備的共享，同時用戶對桌面的使用是獨立安全互不影響的。云桌面技術的實現需要用到兩項關鍵技術，即桌面傳輸協議和服務器虛擬化。服務器虛擬化是實現云桌面的基礎，正是采用虛擬化技術，使得服務器硬件資源被軟件化、定制化，可以靈活實現分配和管理。而桌面傳輸協議是為用戶桌面云服務的通信手段，正是有了桌面傳輸協議用戶才使用體驗上才幾乎感覺不到云桌面與本地桌面的差異。

3 工業以太網與云桌面

傳統工業制造企業要向智能制造企業轉型升級首先要實現生產過程信息化，生產系統的信息化是企業實現智能制造的物理基礎，對企業生產效率會產生直接影響，是企業邁進工業4.0的第一步。

制造企業要實現自動化和信息化控制首先要解決設備和系統的通信接入問題。20世紀80年代隨著生產制造規模的利益擴大和系統復雜化，工廠設備開始引入現場總線技術解決數據采集和數據交換工作，實現對設備的自動化控制。

現場總線技術由眾多企業研發，雖然群雄逐鹿但沒有哪家企業能實現行業標準壟斷，最終國際電工委員會通過了一個包含多個現場總線協議的IEC61158標準。IEC61158現場總線標準是對行業多種協議標準并存的妥協，但多標準就是事實上的無行業標準。為了實現企業生產設備的互聯互通，需要采用一種得到廣泛認可、技術成熟的工業通信技術，因此在商業和辦公環境中廣泛使用的以太網技術由于開發性好、協議簡單、價格不高等優點成為工業通信技術的新選擇。一些企業提出采用以太網和TCP/IP協議的解決方案，實現工廠生產設備的通信連接，由此產生了工業以太網。由于以太網最初是為辦公環境設計的計算機局域網技術，沒有考慮工業生產中可能產生的溫度、濕度、灰塵、噪聲等一系列環境需求，以及對數據丟包率、傳輸延遲容忍度的要求，因此不能把以太網技術直接用于工業生產過程，需對其進行特殊處理。工業以太網基于IEEE803.3標準，主要采用HSE，Modbus TCP/IP，ProfINet，Ethernet/IP等4種通信協議。從廣義的角度看，工業以太網可視作眾多現場總線技術中的一種。以太網在商業和辦公環境中稱為信息管理和信息通信的基礎設施，工業以太網也是工業生產管理、生產過程控制的信息基礎設施。工業以太網的突出優點是能夠實現企業信息網絡和生產控制網絡的統一，能夠實現網絡快速集成，硬件及相關開發技術眾多，得到大量廠商技術支持。

目前我國制造業及工廠生產系統面臨的首要問題是加快實現信息化，為小批量、精細化、定制化的智能制造和柔性制造創造條件。制造企業往往員工眾多，特別是大型跨國企業員工分布在全世界眾多國家和地區，需要大量的計算機來對生產系統進行管理和控制。為應對生產線快速升級的需求，在智能工廠中采用本地計算機面臨的問題和弊端越來越多，使企業生產和管理系統信息化面對諸多挑戰。制造企業在生產過程中需要用到大量涉及知識產權和關鍵信息的技術方案、涉及圖紙、客戶訂單信息等的重要數據。如果使用本地計算機進行關鍵信息管理，把重要數據存儲在本地磁盤，在缺少有效的存儲管理措施的情況下，可能會造成重要數據泄露或丟失，給企業生產帶來巨大的風險。

生產制造過程中的升級維護可能涉及眾多設備終端的系統變更，傳統分散的計算機進行升級管理非常麻煩，需要逐個對計算機終端進行軟硬件進行重寫安裝和調試，工作量巨大、缺少靈活性，并容易造成重要生產數據丟失。同時，本地計算機一旦采購完成，其硬件升級的空間就會變得十分有限，難以靈活應對升級需求。通常為了保證數據安全，確保重要數據不被破壞，生產線系統升級時往往在完成數據備份后需要對計算機終端進行重新安裝，這會導致升級調試周期變得非常長，無法快速應對小批量，定制化的柔性制造需求。生產制造企業通常需要大量的計算機終端，因此軟件和硬件故障會不時發生，特別是對連續開工的生產線，需要專門的技術人員進行全天候進行系統維護，造成維護成本高昂、故障響應和處理不及時等問題，影響企業生產的連續性。云桌面技術的出現成了制造企業應對信息化過程中面對眾多挑戰的有效手段。通過云桌面技術，不管企業員工和專家在何處、何時辦公，都能通過網絡安全方便地查詢各種圖紙、生產數據、客戶資料、設備狀態等重要企業運行數據。云桌面技術由于其便捷性、靈活性、安全性和便于升級維護等優點在工業界受到重視[4]。在制造企業中，桌面云的優點能有效應對生產線在轉型升級中面對的問題，幫助企業實現智能制造。云桌面技術采用端到端安全技術把重要數據都存儲在云端，由于在本地計算機終端不用存儲關鍵數據，極大地提高了數據安全，同時由于對關鍵數據進行集中統一管理，可以避免數據泄露和丟失。云桌面技術把計算資源和存儲資源虛擬化，能根據生產線的要求按需分配計算和存儲資源。同時，位于不同地點的生產線和辦公室能夠共享資源，便于企業對靈活布設生產區域。與傳統制造企業不同，采用了云桌面技術和工業互聯網技術，生產和辦公環境的系統可以在云端進行遠程在線升級和維護，快速實現各種控制和辦公軟件的部署，快速應對智能制造中的精細化和柔性制造的各種需求。云桌面技術從設計架構上保證了企業生產的連續性，減少單個終端故障對系統運行的整體性影響。云桌面技術提供的分布式計算和存儲，硬件資源虛擬化技術能夠保證企業生產長時間連續運行，為企業提供全天候生產提供了技術支撐。工業互聯網實現了現場生產設備的安全、可靠、短延遲的通信連接，云桌面技術保障關鍵數據的安全，減小設備維護難度，并為企業員工提供了移動、便捷的工作環境。

4 結語

以智能制造為目標的工業4.0發展趨勢既是傳統制造企業的機遇，也是面臨的挑戰。首先，在工業4.0的大潮中，工業制造企業需要利用工業以太網技術實現工廠設備的互聯互通，對生產過程進行自動化、智能化控制；其次，大型制造企業往往規模巨大，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應用到生產線和企業辦公環境來提高競爭力，是各個制造企業都需要面對的問題。工業以太網實現了工廠生產設備之間的可靠互聯互通，以及自動控制，云桌面技術保證了企業能在全球范圍內靈活應對智能生產業務。工業以太網和云桌面技術的融合必將推動智能制造的深入發展，促進制造業向自動化、智能化轉型升級。