于會群，黃貽海，彭道剛，王宜雪，馬 濤

(上海電力大學 自動化工程學院，上海 200090)

0 引言

隨著網(wǎng)絡節(jié)點設備的不斷增加以及對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性要求不斷提高，工業(yè)通信技術由工業(yè)現(xiàn)場總線發(fā)展到工業(yè)以太網(wǎng)，再到現(xiàn)在的工業(yè)無線網(wǎng)絡。2013 年漢諾威工業(yè)展宣告第四次工業(yè)革命的開始[1]，其主旨是將互聯(lián)網(wǎng)融入生產制造，實現(xiàn)開放兼容、多元協(xié)同、分布互聯(lián)的現(xiàn)代化工業(yè)控制網(wǎng)絡。

在工業(yè)4.0 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動下，工業(yè)通信技術正從現(xiàn)場層和控制層網(wǎng)絡向管理應用層網(wǎng)絡延伸的趨勢發(fā)展，以實現(xiàn)整個工廠網(wǎng)絡垂直方向的互聯(lián)互通。目前，工廠中新增的自動化控制系統(tǒng)主要基于工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)現(xiàn)場總線新安裝節(jié)點在市場占有率增長緩慢甚至下降[2]。由此預見，未來工業(yè)以太網(wǎng)會逐漸替代工業(yè)現(xiàn)場總線。

市場上存在著諸多不同標準的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，在實際應用中，實現(xiàn)網(wǎng)絡中不同標準的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議互聯(lián)互通，是當前需要解決的主要問題之一。本文對工業(yè)網(wǎng)絡市場和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進行分析，并結合我國工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出可行性建議。

1 工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

在推進現(xiàn)代工廠向智能化、數(shù)字化轉型的過程中，世界多個國家提出了各自的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考體系架構，例如德國的RAMI4.0(Reference Architecture Model Industry 4.0，工業(yè)4.0 參考架構)[3]、美國的IIRA（Industrial Internet Reference Architecture，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構）以及日本的IVRA(Industrial Value Chain Reference Architecture，工業(yè)價值鏈參考架構)等。

《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構（版本1.0）》由中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)聯(lián)盟在2016 年發(fā)布，提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應包含網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、安全三大體系。其中，“網(wǎng)絡”是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎。2020 年正式發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構（版本2.0）》，在體系架構1.0 的基礎上對“網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、安全”體系重新整合為現(xiàn)在的“網(wǎng)絡、平臺、安全”三大體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡體系通過構建工業(yè)環(huán)境下人、設備、車間等主體的全面互聯(lián)，實現(xiàn)工業(yè)制造鏈各生產要素的泛在互聯(lián)以及數(shù)據(jù)的順暢流通[4-5]。

中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項工作組在2021 年印發(fā)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021 年—2023 年）》[6]，對我國未來3 年內工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提出了“3+3”行動發(fā)展目標，即實施供給質量提升三大行動、產業(yè)集群培養(yǎng)三大行動。

1.2 工業(yè)網(wǎng)絡市場分析

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)設備互聯(lián)的需求不斷增加，大量工業(yè)設備與工業(yè)網(wǎng)絡連接是實現(xiàn)現(xiàn)代工廠向智能化、數(shù)字化轉型的基礎，工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)絡在其巨大的需求下迅速成長。HMS Networks 每年度對工業(yè)網(wǎng)絡市場進行分析，通過對全球自動化工廠的新配置節(jié)點數(shù)目統(tǒng)計[7]，估計每一年度現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和無線的市場份額。圖1 為2017 年至2021 年工業(yè)通信技術的市場份額變化圖。

圖1 2017 年至2021 年工業(yè)通信技術的市場份額變化圖

通過比較近5 年所發(fā)布的工業(yè)網(wǎng)絡市場份額報告，工業(yè)以太網(wǎng)保持穩(wěn)定的增長速度，并在2021 年占全球自動化新安裝節(jié)點市場的65%，反觀工業(yè)現(xiàn)場總線新安裝節(jié)點市場占有率呈下降趨勢，未來工業(yè)以太網(wǎng)將繼續(xù)向工業(yè)現(xiàn)場總線中占據(jù)更多的市場份額，逐漸替代工業(yè)現(xiàn)場總線，成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術。

我國《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展成效報告(2018-2021 年)》顯示[8]，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程”已帶動實體經濟總投資近700 億元，連接設備超過7 600 萬臺/套，工業(yè)數(shù)字化裝備、工業(yè)自動化等與軟件相關的核心企業(yè)規(guī)模年均增長超過20%，展示了我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場具備龐大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.3 工業(yè)以太網(wǎng)類型

工業(yè)以太網(wǎng)與標準以太網(wǎng)相比，具備更穩(wěn)定可靠的連接器、電纜，具有確定性的實時數(shù)據(jù)交換和小于1 ms的同步循環(huán)時間[9]，因此工業(yè)以太網(wǎng)更符合工業(yè)現(xiàn)場各項嚴苛的要求。一些工業(yè)以太網(wǎng)在標準以太網(wǎng)協(xié)議的基礎上進行適當修改，克服了標準以太網(wǎng)因采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波監(jiān)聽多路訪問技術)而導致的不確定性和時延，提高了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)膶崟r性。目前，國際上使用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議按照所使用的原理可以基本分成：基于TCP/IP 協(xié)議、基于標準以太網(wǎng)和基于修改的以太網(wǎng)，圖2為三種類型的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的本質設計理念。

圖2 三種類型工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議本質設計理念圖

其中，Modbus-TCP、EtherNet/IP、POWERLINK、PROFINET、EtherCAT 是當前國際市場5 種主流的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

(1)基于TCP/IP 協(xié)議：Modbus-TCP[10]、EtherNet/IP 是采用TCP/IP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)類型中使用最廣泛的?；赥CP/IP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議處于OSI 模型(Open System Interconnection，開放式系統(tǒng)互連模型)的第七層應用層，對實時性的要求不高[11]，通常采用優(yōu)先調度策略、修改優(yōu)先級設定、完善網(wǎng)絡拓撲等上層控制手段，是實現(xiàn)工業(yè)通信較為簡單的協(xié)議。

(2)基于標準以太網(wǎng)：POWERLINK、PROFINET RT 使用標準的以太網(wǎng)硬件，通過在TCP/IP 協(xié)議棧中添加時間控制層控制數(shù)據(jù)傳輸過程，有效消除標準以太網(wǎng)的不確定性，從而達到實時可控效果[12]。因此與基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議相比，POWERLINK、PROFINET RT 具有更高的實時性。

(3)基于修改的以太網(wǎng)：EtherCAT、PROFINET IRT 對標準以太網(wǎng)協(xié)議進行了修改并兼容標準以太網(wǎng)，在物理層使用專有的芯片，實現(xiàn)實時通信控制。在三種類型中，基于修改的以太網(wǎng)類型的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議是實時性最強的，但成本較高[13]。

1.4 工業(yè)網(wǎng)絡互聯(lián)存在的問題

1.4.1 技術隔離

進入IEC 國際標準的工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)種類多達數(shù)十種，但是因為支持的廠商和開發(fā)的組織不同，使得每種網(wǎng)絡協(xié)議都有不同的物理接口、傳輸機制和對象要求，各廠商組織為維護自身的利益，優(yōu)先推廣自己的技術而不兼容其他廠商的技術，導致不同網(wǎng)絡協(xié)議的設備之間數(shù)據(jù)傳輸困難。因此大部分協(xié)議標準常常自成體系，形成一個個封閉的軟硬件系統(tǒng)。

1.4.2 必要的資產保留

一方面，工業(yè)控制網(wǎng)絡往往需要多種網(wǎng)絡協(xié)議共同運作，從現(xiàn)場層采集的數(shù)據(jù)傳輸至管理應用層時，需要協(xié)議轉換網(wǎng)關將不同的協(xié)議類型數(shù)據(jù)重新包裝和轉發(fā)[14]，才能使數(shù)據(jù)在不同協(xié)議組成的異構網(wǎng)絡內部以及各網(wǎng)絡層之間無障礙傳輸。另一方面，現(xiàn)階段工廠底層大量的傳感器、執(zhí)行器等終端設備通過工業(yè)現(xiàn)場總線與外部系統(tǒng)通信，如果直接棄用原有設備而直接安裝新的工業(yè)以太網(wǎng)設備，不僅需要大量的成本，還是對原有資產的浪費[15]，因此仍需要協(xié)議轉換網(wǎng)關作為新舊設備連接的橋梁。

1.4.3 我國對工業(yè)以太網(wǎng)研究尚淺

從我國整體制造業(yè)的實力分析，我國制造業(yè)信息化程度不高，與工業(yè)化融合度不足[16]，傳感器關鍵技術、工業(yè)通信技術等重要技術仍滯后于歐美日等發(fā)達國家，并且缺乏足夠的資金去儲備人才、研發(fā)技術、培養(yǎng)企業(yè)、宣傳產品。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動下，國內大型企業(yè)可以依靠自身的規(guī)模和資金，購買新型的工業(yè)以太網(wǎng)設備和系統(tǒng)，但是眾多中小型企業(yè)無法突破成本的限制，因此中小型企業(yè)對技術更為成熟的工業(yè)現(xiàn)場總線接納程度仍然較高，長期來看，我國工業(yè)以太網(wǎng)技術仍會和工業(yè)現(xiàn)場總線并存。

1.4.4 我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系不完善

目前我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系不完善，是我國與發(fā)達國家在實現(xiàn)工廠智能化、數(shù)字化目標的巨大差距之一[17]。雖然在框架、標準、測試、安全等方面取得初步進展，但是與發(fā)達國家相比，總體發(fā)展水平及顯示基礎仍不高，產業(yè)支撐能力不足，核心技術和產品對外依賴程度較高，關鍵平臺綜合能力不強，缺乏龍頭企業(yè)引領。

2 工業(yè)以太網(wǎng)與新技術融合

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)與雙線以太網(wǎng)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動下，許多智能制造型企業(yè)已經實現(xiàn)從企業(yè)層、管理層、監(jiān)督層到控制層的以太網(wǎng)部署。然而，在工業(yè)底層連接大量傳感器、控制器和終端設備的工業(yè)現(xiàn)場總線，因自身的高度分散性和技術專有性，使得多種不可互操作的總線技術方案應用于現(xiàn)場層。

SPE(Single Pair Ethernet，單對以太網(wǎng))也叫雙線以太網(wǎng)，是采用單對雙絞線作為傳輸介質的以太網(wǎng)技術。相對于傳統(tǒng)四對以太網(wǎng)技術，具備更輕的質量、更低廉的成本，以及在1 km 的傳輸距離上提供10 Mb/s 的傳輸速度等優(yōu)勢[18]。

IEEE802.3 以太網(wǎng)工作組早在2016 年開始對SPE進行研究，并在2019 年通過了IEEE802.3 以太網(wǎng)標準，稱為10BASE-T1L[19]。工業(yè)以太網(wǎng)標準技術的完善將不斷推動SPE 的發(fā)展，并不斷向現(xiàn)場層延伸，逐漸替代高度分散的工業(yè)現(xiàn)場總線，SPE 是實現(xiàn)以太網(wǎng)“一網(wǎng)到底”和工業(yè)網(wǎng)絡互聯(lián)的關鍵。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)與時間敏感網(wǎng)絡

理想的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡應是既能傳輸來自OT(Operational Technology，運營技術)網(wǎng)絡的實時數(shù)據(jù)，又能傳輸IT(Information Technology，信息技術)網(wǎng)絡的大吞吐量數(shù)據(jù)的融合性網(wǎng)絡。各工業(yè)以太網(wǎng)開發(fā)商為保證工業(yè)以太網(wǎng)的實時性和確定性，對以太網(wǎng)協(xié)議改造的思路和設計不盡相同，因此也造就了目前各工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在網(wǎng)絡內部難以互聯(lián)互通，工廠內需要安置大量的協(xié)議轉換網(wǎng)關解決該問題。

TSN(Time Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)絡)是工作在OSI 模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，是對第二層實時機制的標準化，能夠為工業(yè)網(wǎng)絡提供時間同步、調度和流量整型以及通信路徑的選擇、預留和容錯等功能[20-21]。圖3 展示了TSN 在工業(yè)網(wǎng)絡中的位置。

圖3 TSN 在工業(yè)網(wǎng)絡中位置示意圖

目前，TSN 已經在IEEE802.1 標準框架下定義了一系列子標準，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸實時性和確定性的同時，使不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議互通互聯(lián)成為可能。未來TSN 協(xié)議可以在標準IEEE 硬件上運行，基于TCP/IP和基于標準以太網(wǎng)類型的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以在標準以太網(wǎng)硬件上實現(xiàn)高精度時間同步、低抖動、帶寬預留等功能[22]。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)與語義互操作

網(wǎng)絡互聯(lián)需要做到互聯(lián)、互通、語義互操作三個層面，工業(yè)以太網(wǎng)可以解決互聯(lián)、互通的問題，但是卻無法解決系統(tǒng)語義不統(tǒng)一的問題。

OPC UA(Open Platform Communication Unified Architecture，開放平臺通信統(tǒng)一架構)是OSI 第七層應用層的協(xié)議集，定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和信息模型，每種系統(tǒng)可以通過OPC UA 向其他系統(tǒng)獲取和采集實時數(shù)據(jù)和歷史信息[23-24]。換言之，OPC UA 允許使用不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議且在不同操作平臺上運行的工業(yè)設備相互通信。

目前國外對OPC UA 標準的研究更加深入和全面，例如德國Unified Automation 公司、波蘭自動化設備CAS公司已經完成對OPC UA 可視化信息模型設計工具，為實現(xiàn)OPC UA 標準的信息建模提供了極大的便利。國內對OPC UA 的研究仍在各大學院內進行，還未形成一個完整的成熟體系，一般企業(yè)還未將OPC UA 應用在現(xiàn)實生產中[25]。

3 現(xiàn)階段網(wǎng)絡互聯(lián)發(fā)展建議

3.1 推進OPC UA over TSN

OPC UA 在機制上已經覆蓋了OSI 模型的應用層、會話層和表示層，不僅可以在水平方向集成多個品牌的控制器，還可以在垂直方向上將工廠設備連接到云端，可以與工業(yè)以太網(wǎng)結合，使數(shù)據(jù)在多個維度集成。在未來OPC UA 可以通過與TSN 融合形成新的自動化控制網(wǎng)絡，圖4 展示了OPC UA over TSN 的OSI 參考模型。

圖4 OPC UA over TSN 的OSI 參考模型

3.2 與工業(yè)現(xiàn)場總線結合

目前，工業(yè)現(xiàn)場總線技術日益成熟，在國內仍廣泛應用于汽車制造、工業(yè)控制、機器人網(wǎng)絡互聯(lián)和大型儀器設備等領域[26-27]，但是整體技術上缺乏統(tǒng)一標準，對數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理較為困難。工業(yè)以太網(wǎng)本身兼容標準以太網(wǎng)，具有確定性、實時性等特點，擁有全球統(tǒng)一標準，所以工業(yè)以太網(wǎng)在實際應用中能與其他系統(tǒng)銜接與結合，但是應用在工業(yè)現(xiàn)場層仍存在一些不足和缺點。因此將工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場總線相結合是一種非常必要的應用途徑[28]，兩者優(yōu)勢互補，提高我國工業(yè)網(wǎng)絡通信的整體效果。

現(xiàn)階段工業(yè)以太網(wǎng)不斷提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和實時性，并注重與其他技術融合，在不久的將來，工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場總線的結合會更加緊密。

3.3 自主研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和國家政策的推動下，我國工業(yè)以太網(wǎng)市場將飛速增長，對網(wǎng)關的需求量也隨之增長。但是我國工業(yè)以太網(wǎng)技術研究尚淺，工業(yè)現(xiàn)場仍存在大量的基礎設備和具有長時間更換周期的硬件，必須通過安裝大量的協(xié)議轉換網(wǎng)關，將控制層工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡和現(xiàn)場層工業(yè)總線進行連接。對于國內大部分中小型企業(yè)，工業(yè)現(xiàn)場總線遺留的資產通過協(xié)議轉換網(wǎng)關整合到自動化或企業(yè)架構中是非常必要的。

因為工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場總線的結合仍需要一段時間，這就需要國內大型企業(yè)發(fā)揮引領作用，對工業(yè)以太網(wǎng)技術進行系統(tǒng)研究，開發(fā)系列產品[29]。目前國內宏電和研華的相關網(wǎng)關產品代表國內一線水平，尤其在華為5G 工業(yè)模組技術加持下迅速發(fā)展。中小型企業(yè)通過研發(fā)自己的相關產品，滿足相應的市場需求，占據(jù)對應的市場份額。

3.4 完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)聯(lián)盟在2021 年12 月發(fā)布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系(版本3.0)》，該版本整理了已有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準以及未來需要制定的標準，形成統(tǒng)一、綜合、開放的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系。

但是體系的標準化仍無法快速實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，我國雖然在上層應用領域有一定的成果，但是缺乏底層技術的自主權。在一些工業(yè)特定技術領域中，如工業(yè)以太網(wǎng)，中國企業(yè)的專利布局數(shù)量相對落后于歐美企業(yè)。雖然我國自主研發(fā)的EPA(Ethernet for Plant Automation)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經在工廠中應用，但是總體上我國仍缺乏自主研發(fā)的技術。未來，我國在繼續(xù)推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設的過程中，要以國家政策為指導，明確工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路線，并催生新產業(yè)新業(yè)態(tài)；以市場需求為牽引，構建和拓展國際和國內的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場；以實踐為核心，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)并不是簡單的“工業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)”，需要緊密地與工業(yè)制造相結合，滿足工業(yè)制造的需求，最終實現(xiàn)產業(yè)鏈與供應鏈的高水平協(xié)同發(fā)展。

4 結論

綜上所述，我國正大力發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，隨著工業(yè)通信技術和工業(yè)需求的不斷提高，工業(yè)以太網(wǎng)在近些年取得了長足發(fā)展。雖然目前工業(yè)網(wǎng)絡通信仍存在互聯(lián)互通障礙，但是工業(yè)以太網(wǎng)與SPE、TSN 等新技術的融合，優(yōu)勢互補，在未來各工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之間能進行無障礙溝通，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)網(wǎng)絡中全方面覆蓋。當前，我國工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展程度較低，將工業(yè)以太網(wǎng)與技術更加成熟的工業(yè)現(xiàn)場總線結合，能滿足現(xiàn)階段工業(yè)領域對工業(yè)底層控制的網(wǎng)絡技術需求。我國將不斷完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，在未來緊隨國際新技術發(fā)展的腳步，完成現(xiàn)代工廠向智能化、數(shù)字化轉型的目標。