工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)與發(fā)展*

于會(huì)群，黃貽海，彭道剛，王宜雪，馬 濤

(上海電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的不斷增加以及對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性要求不斷提高，工業(yè)通信技術(shù)由工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(luò)。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(chǎn)制造，實(shí)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(luò)。

在工業(yè)4.0 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，工業(yè)通信技術(shù)正從現(xiàn)場(chǎng)層和控制層網(wǎng)絡(luò)向管理應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)延伸的趨勢(shì)發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠網(wǎng)絡(luò)垂直方向的互聯(lián)互通。目前，工廠中新增的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要基于工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線新安裝節(jié)點(diǎn)在市場(chǎng)占有率增長(zhǎng)緩慢甚至下降[2]。由此預(yù)見，未來工業(yè)以太網(wǎng)會(huì)逐漸替代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線。

市場(chǎng)上存在著諸多不同標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議互聯(lián)互通，是當(dāng)前需要解決的主要問題之一。本文對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行分析，并結(jié)合我國(guó)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(luò)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(jìn)現(xiàn)代工廠向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，世界多個(gè)國(guó)家提出了各自的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)，例如德國(guó)的RAMI4.0(Reference Architecture Model Industry 4.0，工業(yè)4.0 參考架構(gòu))[3]、美國(guó)的IIRA（Industrial Internet Reference Architecture，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)）以及日本的IVRA(Industrial Value Chain Reference Architecture，工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu))等。

《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)（版本1.0）》由中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在2016 年發(fā)布，提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)包含網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全三大體系。其中，“網(wǎng)絡(luò)”是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。2020 年正式發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)（版本2.0）》，在體系架構(gòu)1.0 的基礎(chǔ)上對(duì)“網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全”體系重新整合為現(xiàn)在的“網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全”三大體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系通過構(gòu)建工業(yè)環(huán)境下人、設(shè)備、車間等主體的全面互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造鏈各生產(chǎn)要素的泛在互聯(lián)以及數(shù)據(jù)的順暢流通[4-5]。

中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)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(dòng)計(jì)劃（2021 年—2023 年）》[6]，對(duì)我國(guó)未來3 年內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提出了“3+3”行動(dòng)發(fā)展目標(biāo)，即實(shí)施供給質(zhì)量提升三大行動(dòng)、產(chǎn)業(yè)集群培養(yǎng)三大行動(dòng)。

1.2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)分析

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)備互聯(lián)的需求不斷增加，大量工業(yè)設(shè)備與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工廠向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)在其巨大的需求下迅速成長(zhǎng)。HMS Networks 每年度對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)進(jìn)行分析，通過對(duì)全球自動(dòng)化工廠的新配置節(jié)點(diǎn)數(shù)目統(tǒng)計(jì)[7]，估計(jì)每一年度現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)和無線的市場(chǎng)份額。圖1 為2017 年至2021 年工業(yè)通信技術(shù)的市場(chǎng)份額變化圖。

圖1 2017 年至2021 年工業(yè)通信技術(shù)的市場(chǎng)份額變化圖

通過比較近5 年所發(fā)布的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)份額報(bào)告，工業(yè)以太網(wǎng)保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)速度，并在2021 年占全球自動(dòng)化新安裝節(jié)點(diǎn)市場(chǎng)的65%，反觀工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線新安裝節(jié)點(diǎn)市場(chǎng)占有率呈下降趨勢(shì)，未來工業(yè)以太網(wǎng)將繼續(xù)向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中占據(jù)更多的市場(chǎng)份額，逐漸替代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)。

我國(guó)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展成效報(bào)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(dòng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)總投資近700 億元，連接設(shè)備超過7 600 萬臺(tái)/套，工業(yè)數(shù)字化裝備、工業(yè)自動(dòng)化等與軟件相關(guān)的核心企業(yè)規(guī)模年均增長(zhǎng)超過20%，展示了我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和小于1 ms的同步循環(huán)時(shí)間[9]，因此工業(yè)以太網(wǎng)更符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)嚴(yán)苛的要求。一些工業(yè)以太網(wǎng)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)修改，克服了標(biāo)準(zhǔn)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(shù))而導(dǎo)致的不確定性和時(shí)延，提高了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。目前，國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)設(shè)計(jì)理念。

圖2 三種類型工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議本質(zhì)設(shè)計(jì)理念圖

其中，Modbus-TCP、EtherNet/IP、POWERLINK、PROFINET、EtherCAT 是當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)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(yīng)用層，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高[11]，通常采用優(yōu)先調(diào)度策略、修改優(yōu)先級(jí)設(shè)定、完善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞壬蠈涌刂剖侄?，是?shí)現(xiàn)工業(yè)通信較為簡(jiǎn)單的協(xié)議。

(2)基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)：POWERLINK、PROFINET RT 使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件，通過在TCP/IP 協(xié)議棧中添加時(shí)間控制層控制數(shù)據(jù)傳輸過程，有效消除標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的不確定性，從而達(dá)到實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性。

(3)基于修改的以太網(wǎng)：EtherCAT、PROFINET IRT 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了修改并兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，在物理層使用專有的芯片，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性最強(qiáng)的，但成本較高[13]。

1.4 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)存在的問題

1.4.1 技術(shù)隔離

進(jìn)入IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)種類多達(dá)數(shù)十種，但是因?yàn)橹С值膹S商和開發(fā)的組織不同，使得每種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都有不同的物理接口、傳輸機(jī)制和對(duì)象要求，各廠商組織為維護(hù)自身的利益，優(yōu)先推廣自己的技術(shù)而不兼容其他廠商的技術(shù)，導(dǎo)致不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸困難。因此大部分協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)常常自成體系，形成一個(gè)個(gè)封閉的軟硬件系統(tǒng)。

1.4.2 必要的資產(chǎn)保留

一方面，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)往往需要多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共同運(yùn)作，從現(xiàn)場(chǎng)層采集的數(shù)據(jù)傳輸至管理應(yīng)用層時(shí)，需要協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)將不同的協(xié)議類型數(shù)據(jù)重新包裝和轉(zhuǎn)發(fā)[14]，才能使數(shù)據(jù)在不同協(xié)議組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部以及各網(wǎng)絡(luò)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(shè)備通過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與外部系統(tǒng)通信，如果直接棄用原有設(shè)備而直接安裝新的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備，不僅需要大量的成本，還是對(duì)原有資產(chǎn)的浪費(fèi)[15]，因此仍需要協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)作為新舊設(shè)備連接的橋梁。

1.4.3 我國(guó)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)研究尚淺

從我國(guó)整體制造業(yè)的實(shí)力分析，我國(guó)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(guān)鍵技術(shù)、工業(yè)通信技術(shù)等重要技術(shù)仍滯后于歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，并且缺乏足夠的資金去儲(chǔ)備人才、研發(fā)技術(shù)、培養(yǎng)企業(yè)、宣傳產(chǎn)品。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)大型企業(yè)可以依靠自身的規(guī)模和資金，購(gòu)買新型的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)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(duì)技術(shù)更為成熟的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線接納程度仍然較高，長(zhǎng)期來看，我國(guó)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)仍會(huì)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線并存。

1.4.4 我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系不完善

目前我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，是我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在實(shí)現(xiàn)工廠智能化、數(shù)字化目標(biāo)的巨大差距之一[17]。雖然在框架、標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試、安全等方面取得初步進(jìn)展，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，總體發(fā)展水平及顯示基礎(chǔ)仍不高，產(chǎn)業(yè)支撐能力不足，核心技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)外依賴程度較高，關(guān)鍵平臺(tái)綜合能力不強(qiáng)，缺乏龍頭企業(yè)引領(lǐng)。

2 工業(yè)以太網(wǎng)與新技術(shù)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(dòng)下，許多智能制造型企業(yè)已經(jīng)實(shí)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(shè)備的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，因自身的高度分散性和技術(shù)專有性，使得多種不可互操作的總線技術(shù)方案應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)層。

SPE(Single Pair Ethernet，單對(duì)以太網(wǎng))也叫雙線以太網(wǎng)，是采用單對(duì)雙絞線作為傳輸介質(zhì)的以太網(wǎng)技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)四對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)，具備更輕的質(zhì)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(shì)[18]。

IEEE802.3 以太網(wǎng)工作組早在2016 年開始對(duì)SPE進(jìn)行研究，并在2019 年通過了IEEE802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，稱為10BASE-T1L[19]。工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的完善將不斷推動(dòng)SPE 的發(fā)展，并不斷向現(xiàn)場(chǎng)層延伸，逐漸替代高度分散的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，SPE 是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)“一網(wǎng)到底”和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

理想的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是既能傳輸來自O(shè)T(Operational Technology，運(yùn)營(yíng)技術(shù))網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，又能傳輸IT(Information Technology，信息技術(shù))網(wǎng)絡(luò)的大吞吐量數(shù)據(jù)的融合性網(wǎng)絡(luò)。各工業(yè)以太網(wǎng)開發(fā)商為保證工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和確定性，對(duì)以太網(wǎng)協(xié)議改造的思路和設(shè)計(jì)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(luò)內(nèi)部難以互聯(lián)互通，工廠內(nèi)需要安置大量的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)解決該問題。

TSN(Time Sensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò))是工作在OSI 模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，是對(duì)第二層實(shí)時(shí)機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)化，能夠?yàn)楣I(yè)網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)間同步、調(diào)度和流量整型以及通信路徑的選擇、預(yù)留和容錯(cuò)等功能[20-21]。圖3 展示了TSN 在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的位置。

圖3 TSN 在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中位置示意圖

目前，TSN 已經(jīng)在IEEE802.1 標(biāo)準(zhǔn)框架下定義了一系列子標(biāo)準(zhǔn)，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和確定性的同時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)IEEE 硬件上運(yùn)行，基于TCP/IP和基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)類型的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件上實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步、低抖動(dòng)、帶寬預(yù)留等功能[22]。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)與語(yǔ)義互操作

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需要做到互聯(lián)、互通、語(yǔ)義互操作三個(gè)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(yǔ)義不統(tǒng)一的問題。

OPC UA(Open Platform Communication Unified Architecture，開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu))是OSI 第七層應(yīng)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(shí)時(shí)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(tái)上運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備相互通信。

目前國(guó)外對(duì)OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)的研究更加深入和全面，例如德國(guó)Unified Automation 公司、波蘭自動(dòng)化設(shè)備CAS公司已經(jīng)完成對(duì)OPC UA 可視化信息模型設(shè)計(jì)工具，為實(shí)現(xiàn)OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)的信息建模提供了極大的便利。國(guó)內(nèi)對(duì)OPC UA 的研究仍在各大學(xué)院內(nèi)進(jìn)行，還未形成一個(gè)完整的成熟體系，一般企業(yè)還未將OPC UA 應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中[25]。

3 現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)發(fā)展建議

3.1 推進(jìn)OPC UA over TSN

OPC UA 在機(jī)制上已經(jīng)覆蓋了OSI 模型的應(yīng)用層、會(huì)話層和表示層，不僅可以在水平方向集成多個(gè)品牌的控制器，還可以在垂直方向上將工廠設(shè)備連接到云端，可以與工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合，使數(shù)據(jù)在多個(gè)維度集成。在未來OPC UA 可以通過與TSN 融合形成新的自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)，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(chǎng)總線結(jié)合

目前，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)日益成熟，在國(guó)內(nèi)仍廣泛應(yīng)用于汽車制造、工業(yè)控制、機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和大型儀器設(shè)備等領(lǐng)域[26-27]，但是整體技術(shù)上缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，具有確定性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，擁有全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以工業(yè)以太網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中能與其他系統(tǒng)銜接與結(jié)合，但是應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層仍存在一些不足和缺點(diǎn)。因此將工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合是一種非常必要的應(yīng)用途徑[28]，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高我國(guó)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)性，并注重與其他技術(shù)融合，在不久的將來，工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)合會(huì)更加緊密。

3.3 自主研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和國(guó)家政策的推動(dòng)下，我國(guó)工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)將飛速增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)關(guān)的需求量也隨之增長(zhǎng)。但是我國(guó)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)研究尚淺，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)仍存在大量的基礎(chǔ)設(shè)備和具有長(zhǎng)時(shí)間更換周期的硬件，必須通過安裝大量的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，將控制層工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)層工業(yè)總線進(jìn)行連接。對(duì)于國(guó)內(nèi)大部分中小型企業(yè)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線遺留的資產(chǎn)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)整合到自動(dòng)化或企業(yè)架構(gòu)中是非常必要的。

因?yàn)楣I(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)合仍需要一段時(shí)間，這就需要國(guó)內(nèi)大型企業(yè)發(fā)揮引領(lǐng)作用，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，開發(fā)系列產(chǎn)品[29]。目前國(guó)內(nèi)宏電和研華的相關(guān)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品代表國(guó)內(nèi)一線水平，尤其在華為5G 工業(yè)模組技術(shù)加持下迅速發(fā)展。中小型企業(yè)通過研發(fā)自己的相關(guān)產(chǎn)品，滿足相應(yīng)的市場(chǎng)需求，占據(jù)對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)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(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在2021 年12 月發(fā)布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系(版本3.0)》，該版本整理了已有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以及未來需要制定的標(biāo)準(zhǔn)，形成統(tǒng)一、綜合、開放的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。

但是體系的標(biāo)準(zhǔn)化仍無法快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，我國(guó)雖然在上層應(yīng)用領(lǐng)域有一定的成果，但是缺乏底層技術(shù)的自主權(quán)。在一些工業(yè)特定技術(shù)領(lǐng)域中，如工業(yè)以太網(wǎng)，中國(guó)企業(yè)的專利布局?jǐn)?shù)量相對(duì)落后于歐美企業(yè)。雖然我國(guó)自主研發(fā)的EPA(Ethernet for Plant Automation)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)在工廠中應(yīng)用，但是總體上我國(guó)仍缺乏自主研發(fā)的技術(shù)。未來，我國(guó)在繼續(xù)推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的過程中，要以國(guó)家政策為指導(dǎo)，明確工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路線，并催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)；以市場(chǎng)需求為牽引，構(gòu)建和拓展國(guó)際和國(guó)內(nèi)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)；以實(shí)踐為核心，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)并不是簡(jiǎn)單的“工業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)”，需要緊密地與工業(yè)制造相結(jié)合，滿足工業(yè)制造的需求，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈與供應(yīng)鏈的高水平協(xié)同發(fā)展。

4 結(jié)論

綜上所述，我國(guó)正大力發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，隨著工業(yè)通信技術(shù)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(zhǎng)足發(fā)展。雖然目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(shù)的融合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在未來各工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之間能進(jìn)行無障礙溝通，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中全方面覆蓋。當(dāng)前，我國(guó)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(shù)更加成熟的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)合，能滿足現(xiàn)階段工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)底層控制的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求。我國(guó)將不斷完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，在未來緊隨國(guó)際新技術(shù)發(fā)展的腳步，完成現(xiàn)代工廠向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。