工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有架構(gòu)的梳理總結(jié)和未來運(yùn)營商的發(fā)展策略

常潔，王藝，李潔，陳正文

（中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122）

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有架構(gòu)的梳理總結(jié)和未來運(yùn)營商的發(fā)展策略

常潔，王藝，李潔，陳正文

（中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122）

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，已經(jīng)不能被視為簡單的通信網(wǎng)絡(luò)，而是組成自動化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)。從現(xiàn)有的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)，對工業(yè)模型進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，將其劃分為企業(yè)外部和企業(yè)內(nèi)部，現(xiàn)有的架構(gòu)主要集中于制造企業(yè)內(nèi)部工廠內(nèi)，主要參考ISA-95模型，包含現(xiàn)場級、控制機(jī)、車間級和工廠級 4層，每層之間的網(wǎng)絡(luò)配置和管理策略相互獨立。然后詳細(xì)分析了現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系和面向制造業(yè)未來發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)升級需求，最后提出通信運(yùn)營商的發(fā)展策略。

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)；發(fā)展策略；架構(gòu)梳理

1 引言

全球新一輪的工業(yè)革命正在孕育興起，未來制造業(yè)將建立在以互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)平臺之上，將更多的生產(chǎn)要素進(jìn)行更為科學(xué)的整合，使其變得更加自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。美國GE公司倡導(dǎo)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)指利用“智能設(shè)備”采集“智能數(shù)據(jù)”，利用“智能系統(tǒng)”進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和可視化展現(xiàn)，形成“智能決策”，為生產(chǎn)管理提供實時判斷參考，反過來指導(dǎo)生產(chǎn)，優(yōu)化制造工藝[1]；德國的工業(yè)4.0是制造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化的一個體現(xiàn)，主要指在“智能工廠”以“智能生產(chǎn)”方式制造“智能產(chǎn)品”，整個過程貫穿以“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同”，從而整合生產(chǎn)資源、提升生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本[2]；我國政府相繼出臺的《中國制造 2025》[3]和《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》[4]，以推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合為主線，大力發(fā)展智能制造和“互聯(lián)網(wǎng)+”協(xié)同制造，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)條件下的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系和新型制造模式。

可以說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、中國制造2025一脈相承，都面向智能制造力圖實現(xiàn)工業(yè)制造的縱向集成、橫向集成和端到端集成。在生產(chǎn)制造過程中，縱向集成是指基于智能工廠中的網(wǎng)絡(luò)化的制造體系，實現(xiàn)分散式生產(chǎn)，以替代傳統(tǒng)的集中式中央控制的生產(chǎn)流程，主要體現(xiàn)在工廠內(nèi)的科學(xué)管理上，從側(cè)重于產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程，走到了產(chǎn)品全生命周期的集成過程，建立有效的縱向生產(chǎn)體系，實現(xiàn)從企業(yè)管理、生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)監(jiān)控到現(xiàn)場設(shè)備的集成，縱向集成的主要效果是提升效率；橫向集成是指傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈、工廠及銷售網(wǎng)絡(luò)的直線型價值組織方式會逐漸聯(lián)網(wǎng)，形成網(wǎng)絡(luò)制造生態(tài)，原來集中的工廠組織模式將發(fā)生改變，工廠不僅僅是智能的，其生產(chǎn)單元也將變得更為細(xì)小，這樣才便于實現(xiàn)更為個性化的生產(chǎn)，從而給產(chǎn)品生產(chǎn)制造的傳統(tǒng)工藝帶來革命性的影響，其目的是重構(gòu)價值生態(tài)和創(chuàng)新商業(yè)模式；端到端集成包含研發(fā)、原材料采購、物流、倉儲、生產(chǎn)、銷售、交付和服務(wù)的產(chǎn)品全生命周期流程的靈活集成，尤其是在一個單一的產(chǎn)業(yè)鏈上完成端到端集成，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的更好體驗和利益的最大化，從而提升產(chǎn)業(yè)鏈控制力，端到端集成是從工藝流程角度審視智能制造，主要體現(xiàn)在并行制造商，將由單元技術(shù)產(chǎn)品通過集成平臺，形成企業(yè)的集成平臺系統(tǒng)，并朝著工廠綜合能力平臺發(fā)展。

2 現(xiàn)有工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)包含ISA-95提出的參考模型[5]、Cisco（思科）的信息系統(tǒng)整體框架及其 CPwE（converged plantwide ethernet architecture，全廠融合以太網(wǎng)）聯(lián)合架構(gòu)[6]、美國NIST（National Institute of Standards and Technology，國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）給出的智能制造生態(tài)體系模型[7]、德國電工電子與信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會的 RAMI 4.0（reference architecture model industry 4.0，工業(yè) 4.0參考架構(gòu)模型）[8]、我國 MIIT（Ministry of Industry and Information Technology，工業(yè)和信息化部）和 SAC（Standardization Administration of the People’s Republic of China，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會）兩部委聯(lián)合發(fā)布的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2015年版）》（以下簡稱“建設(shè)指南”）智能制造系統(tǒng)架構(gòu)[9]以及AII（Alliance of Industrial Internet，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟）給出的工業(yè)互連網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)[10]等。

（1）ISA-95標(biāo)準(zhǔn)參考模型

ISA-95標(biāo)準(zhǔn)參考模型如圖1所示，共分為5層，MES（manufacturing execution system，制造執(zhí)行系統(tǒng)）仍然在企業(yè)業(yè)務(wù)計劃層與底層控制層之間，處于中間層。其中，第0層表示過程，通常指制造或生產(chǎn)過程；第1層表示用來監(jiān)控和處理這些過程的人工或傳感器以及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；第2層表示手動或自動的控制動作，使過程保持穩(wěn)定或處于控制之下；第3層表示生產(chǎn)期望產(chǎn)品的工作流活動，生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)與優(yōu)化、生產(chǎn)記錄的維護(hù)等，這是制造運(yùn)作管理的范圍，也就是MES關(guān)注的范圍；第4層表示制造組織管理所需的各種業(yè)務(wù)相關(guān)活動，包括建立基礎(chǔ)車間調(diào)度、確定庫存水平以及確保物料適時適量適地進(jìn)行生產(chǎn)。第 3層和第4層之間的接口通常是工廠生產(chǎn)計劃和運(yùn)行管理及車間協(xié)調(diào)之間的接口。MES關(guān)注的是企業(yè)的制造執(zhí)行，其主要的功能范圍和制造執(zhí)行層相對應(yīng)；同時，MES也考慮與業(yè)務(wù)計劃層及過程控制層所選用系統(tǒng)之間的信息交互。

圖1 ISA-95標(biāo)準(zhǔn)參考模型

（2）思科的CPwE聯(lián)合架構(gòu)

思科的CPwE聯(lián)合架構(gòu)如圖2所示，是一個從廠房設(shè)備到MES和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，也包括用戶和合作伙伴的具有可預(yù)測性能和系統(tǒng)彈性的端到端的架構(gòu)，與主流的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（包括ISA-95和ISA-99）兼容。CPwE聯(lián)合架構(gòu)主要包含三大塊：控制區(qū)、隔離區(qū)和企業(yè)區(qū)，共 6個層級（0～5級），企業(yè)區(qū)分為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)（第5級）和業(yè)務(wù)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)和物流網(wǎng)絡(luò)（第4級），隔離區(qū)中未包含任何層級，主要提供緩存區(qū)域用于實現(xiàn)應(yīng)用和數(shù)據(jù)的共享，控制區(qū)分為生產(chǎn)運(yùn)營和控制（第3級）、區(qū)域控制（第2級）、基本控制（第1級）和流程（第0級）。CPwE可在0 ～ 2層級之間實現(xiàn)基于Ethernet/IP（工業(yè)協(xié)議）的網(wǎng)絡(luò)實時控制及流量隔離和管理，在第 3級實現(xiàn)站點操作和控制及多服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的安全管理，在 DMZ（demilitarized zone，隔離區(qū)）實現(xiàn)應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享、訪問控制和威脅防范，并在4～5級實現(xiàn)企業(yè)IT集成協(xié)作及應(yīng)用程序優(yōu)化。隨著無線技術(shù)的普及，思科已經(jīng)將最先進(jìn)的無線技術(shù)添加到 CPwE架構(gòu)中，借助無線技術(shù)，可以采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi，將它延伸到控制型應(yīng)用，并在工廠惡劣環(huán)境中實現(xiàn)無線操作，也可通過移動平板電腦查看生產(chǎn)設(shè)備。這對于提高生產(chǎn)率、加快響應(yīng)速度非常有利，同時由于無需使用電纜，還可以節(jié)省資金。

圖2 思科的CPwE聯(lián)合架構(gòu)

（3）NIST智能制造生態(tài)體系模型

NIST的智能制造生態(tài)體系模型如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)橫跨產(chǎn)品、生產(chǎn)系統(tǒng)和商業(yè)這3項主要制造生命周期維度，展示了整個制造系統(tǒng)的三維空間。NIST參考的是常用的ISA-95參考模型，共分為4層：設(shè)備層、SCADA 層、MOM（manufacturing operations management，制造運(yùn)營管理）層和企業(yè)層。其中，設(shè)備層包含了常用的現(xiàn)場總線及傳感器和執(zhí)行器，對應(yīng)于ISA-95參考模型中的第1層。SCADA層遵循了IEC 61512《批控制》等一系列標(biāo)準(zhǔn)，用于現(xiàn)場設(shè)備的控制，等同于ISA-95參考模型中的第2層。MOM層等同于ISA-95參考模型中的第3層MES層。企業(yè)層側(cè)重于企業(yè)級的制造標(biāo)準(zhǔn)。右側(cè)有一些跨層的標(biāo)準(zhǔn)用于定義制造系統(tǒng)的安全（ISA-99）、質(zhì)量管理過程（ISO 9000）、能源管理（ISO 50001）和環(huán)境管理（ISO 14000）。

（4）RAMI 4.0參考架構(gòu)

RAMI 4.0以一個三維模型展示了工業(yè) 4.0涉及的所有關(guān)鍵要素，如圖4所示，工業(yè)4.0集中于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)全過程。RAMI 4.0從3個層面對模型進(jìn)行闡述，左側(cè)垂直軸從IT視角的架構(gòu)出發(fā)，借用了信息和通信技術(shù)常用的分層概念，類似于著名的 ISO OSI七層模型，各層實現(xiàn)相對獨立的功能，同時下層為上層提供接口，上層使用下層的服務(wù)。RAMI 4.0模型的第二個維度（左側(cè)水平軸）描述全生命周期及其相關(guān)價值流，這一維度從業(yè)務(wù)流程視角的架構(gòu)出發(fā)，此處的過程是指生產(chǎn)過程，完整的生命周期從規(guī)劃開始，到設(shè)計、仿真、制造，直至銷售和服務(wù)。RAMI 4.0模型的第三個維度（右側(cè)水平軸）從應(yīng)用視角的架構(gòu)出發(fā)，依據(jù)ISA-95和 ISA-88，主要關(guān)注的是工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下產(chǎn)品的制造過程控制和管理功能。更進(jìn)一步，由于工業(yè) 4.0不僅關(guān)注生產(chǎn)產(chǎn)品的工廠、車間和機(jī)器，還關(guān)注產(chǎn)品本身以及工廠外部的跨企業(yè)協(xié)同關(guān)系，因此在底層增加了“產(chǎn)品”層，在工廠頂層增加了“互聯(lián)世界”層。

圖3 NIST智能制造生態(tài)體系模型

（5）智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

《建設(shè)指南》從生命周期、系統(tǒng)層級和智能功能3個維度，如圖5所示，建立了智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系模型，并由此提出了智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架，主要完成智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和框架的建模研究工作。生命周期坐標(biāo)軸是由設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價值創(chuàng)造活動組成的鏈?zhǔn)郊?。不同行業(yè)的生命周期構(gòu)成不盡相同。在智能制造的大趨勢下，企業(yè)從主要提供產(chǎn)品向提供產(chǎn)品和服務(wù)轉(zhuǎn)變，價值鏈得以延伸。系統(tǒng)層級坐標(biāo)軸自下而上共5層，分別為設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層，智能制造的系統(tǒng)層級與主流的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ISA-95）相兼容，體現(xiàn)了裝備的智能化和 IP化以及網(wǎng)絡(luò)的扁平化趨勢。智能功能坐標(biāo)軸自上而下包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合和新興業(yè)態(tài)5層。

圖4 RAMI 4.0參考架構(gòu)

（6）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

圖5 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)包括工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和工廠外部網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示，工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)兩層三級的結(jié)構(gòu)。兩層是指存在工廠IT網(wǎng)絡(luò)和工廠OT網(wǎng)絡(luò)兩層技術(shù)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；三級是指根據(jù)目前工廠管理層級的劃分，網(wǎng)絡(luò)也被分為現(xiàn)場級、車間級、工廠級/企業(yè)級3個層次，每層之間的網(wǎng)絡(luò)配置和管理策略相互獨立。工廠 OT網(wǎng)絡(luò)主要用于連接生產(chǎn)現(xiàn)場的控制器（PLC、DCS、FCS等）、傳感器、伺服器、監(jiān)控設(shè)備等部件。工廠OT網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)技術(shù)主要為現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)等。工廠IT網(wǎng)絡(luò)主要由IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)和工廠 OT網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和安全隔離。工廠外部網(wǎng)絡(luò)主要強(qiáng)調(diào)工業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)正在走向深度協(xié)同與融合，包括IT系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，即企業(yè)將其 IT系統(tǒng)（如ERP、CRM等）托管在互聯(lián)網(wǎng)的云服務(wù)平臺中，或利用SaaS服務(wù)商提供的企業(yè)IT軟件服務(wù)。

通過現(xiàn)有架構(gòu)的對比分析和總結(jié)，給出了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)模型的全視圖，為之后的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系奠定了基調(diào)，如圖7所示。通過現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)分析可以看出，現(xiàn)有的架構(gòu)主要集中于制造企業(yè)內(nèi)部工廠內(nèi)，以網(wǎng)絡(luò)為依托，采取縱向分層、橫向分散的策略，縱向分層主要參考ISA-95參考模型，包含現(xiàn)場級、控制機(jī)、車間級和工廠級4層，每層之間的網(wǎng)絡(luò)配置和管理策略相互獨立。其中，由于現(xiàn)場作業(yè)的特點使得業(yè)務(wù)處理位置分散、軟硬件條件參差不齊，而且需要維護(hù)的設(shè)備種類數(shù)量繁多，這就要求系統(tǒng)用簡便、高效、智能的技術(shù)手段簡化系統(tǒng)的維護(hù)工作。同時需要通過標(biāo)準(zhǔn)化選項完成現(xiàn)場信息錄入，在簡化現(xiàn)場操作的同時，消除因為人員差異而對同一作業(yè)信息的不同主觀描述。在企業(yè)外部，采用互聯(lián)網(wǎng)、專線和移動網(wǎng)絡(luò)等與合作伙伴、用戶和智能設(shè)備互聯(lián)。

圖6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

圖7 工業(yè)系統(tǒng)模型梳理

由工業(yè)系統(tǒng)的模型可以梳理出工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的分層架構(gòu)，主要分為現(xiàn)場級、控制級、車間級、工廠級和互聯(lián)級，其中，互聯(lián)級主要處于場外，由互聯(lián)網(wǎng)、公共移動網(wǎng)和專線等組成，特點是以運(yùn)營商公用網(wǎng)絡(luò)承載為主，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，專線缺乏“隨選”能力，智能設(shè)備/產(chǎn)品遠(yuǎn)程接入需求不能完全滿足，現(xiàn)有的解決方式是部分企業(yè)使用非授權(quán)頻段將“連接能力”擴(kuò)展到公共區(qū)域。在廠內(nèi)IT域（包含車間級和工廠級），由商業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi、非 3GPP LPWA、RFID、藍(lán)牙、Zigbee以及3GPP 蜂窩網(wǎng)絡(luò)等承載，在工廠園區(qū)內(nèi)不好布線的地方以公用承載的專用網(wǎng)絡(luò)為主，在工廠廠區(qū)內(nèi)以有線承載為主，無線應(yīng)用逐步擴(kuò)大，通過客戶的調(diào)研反饋發(fā)現(xiàn)，車間有線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不高，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)可靠性不高，因此工業(yè)PON等帶動有線網(wǎng)絡(luò)開始升級，少量大型工廠自建專用蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)。在廠內(nèi)OT域（包含現(xiàn)場級和控制級），由現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi、非 3GPP LPWA、工業(yè)WSN和5G等組成，對于傳輸時延、同步精準(zhǔn)度要求較高，本質(zhì)安全，總線供電，通信環(huán)境惡劣，目前呈現(xiàn)以有線為主、無線為輔的特點，面對遠(yuǎn)程維護(hù)和縱向集成需求，面對現(xiàn)場總線帶寬不足、在短期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)過多無法形成統(tǒng)一、部署復(fù)雜等問題，未來需要實現(xiàn)具有時延敏感性的工業(yè)以太網(wǎng)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。IT-OT融合體系架構(gòu)如圖8所示。

圖8 IT-OT 融合體系架構(gòu)

3 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已逐步應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，并呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢。M2M通信技術(shù)服務(wù)于生產(chǎn)線的制造協(xié)同、智能原材料的識別和定位跟蹤、設(shè)備交互之后的在線數(shù)據(jù)采集和在線服務(wù)，常用工業(yè)通信技術(shù)為有線和無線通信技術(shù)。有線通信技術(shù)可滿足未來智能設(shè)備之間雙向交互、高寬帶、低時延等需求，已廣泛應(yīng)用，現(xiàn)階段有線通信技術(shù)由現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、實時以太網(wǎng)、TSN（time-sensitive networking，時間敏感網(wǎng)絡(luò)）和工業(yè)PON等主流技術(shù)組成，基于無線技術(shù)的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)按照距離和速度可分為以2G/3G/LTE/5G網(wǎng)絡(luò)和 LPWA（low power wide area，低功耗廣域）網(wǎng)絡(luò)為代表的廣域網(wǎng)、以Wi-Fi專網(wǎng)為代表的無線局域網(wǎng)和 RFID（radio-frequency identification，射頻識別）、基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線個域網(wǎng)。

現(xiàn)場總線主要應(yīng)用在長距離、短時延、信號穩(wěn)定的工業(yè)控制系統(tǒng)里，主要用于分布式控制之間的控制信息傳輸，比如電機(jī)、電流、電壓和位置等跟設(shè)備狀態(tài)和控制相關(guān)的信息，加上配置和報警的信息。目前應(yīng)用較多的有 Profinet、Ethernet/IP、Ethernet PowerLink、EtherCAT、CAN總線（ISO 11898）、LonWorks、HART。CAN總線由德國 BOSCH公司推出，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)以及航空工業(yè)；LonWorks總線標(biāo)準(zhǔn)由美國Echelon公司推出，被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、工業(yè)過程控制等行業(yè)。其余主要的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在IEC 61158中規(guī)定，長期以來，關(guān)于現(xiàn)場總線的問題爭論不休，互連、互通和互操作問題很難解決，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12 Mbit/s（如西門子ProfiBus-DP），于是現(xiàn)場總線開始轉(zhuǎn)向工業(yè)以太網(wǎng)。

工業(yè)以太網(wǎng)與普通商業(yè)以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計、材質(zhì)選用、產(chǎn)品強(qiáng)度、適用性和實時性方面能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。根據(jù)實現(xiàn)方式的不同，可將工業(yè)以太網(wǎng)分為3種類型：通用硬件、標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP型（以Ethernet/IP、ModBus/TCP 等為代表）；通用硬件、自定義實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議型（以Ethernet PowerLink、EPA、Profinet RT等為代表）；專用硬件、自定義實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議型（以EtherCAT、Profinet IRT等為代表）。類型1完全兼容通用以太網(wǎng)，成本低廉，實現(xiàn)方便，但只適用于實時性要求不高的工業(yè)過程自動化應(yīng)用；類型2采用通用以太網(wǎng)控制器，但卻引入了專門的實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用特定以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)較高的實時性，這種結(jié)構(gòu)對以太網(wǎng)的讀取受到實時層的限制；類型3在類型2的基礎(chǔ)上底層使用專有以太網(wǎng)控制器（至少在從站側(cè)），在實時通道內(nèi)由實時MAC接管通信控制，徹底避免報文沖突，簡化通信數(shù)據(jù)處理，其缺點是成本較高，需使用專有協(xié)議芯片、交換機(jī)等，但優(yōu)點是實時性強(qiáng)。IEC 61158 協(xié)議新舊版本對比如圖9所示。

圖9 IEC 61158 協(xié)議新舊版本對比

在一些條件苛刻、無法布線的現(xiàn)場區(qū)域，工業(yè)無線技術(shù)已成為工業(yè)以太網(wǎng)強(qiáng)有力的延伸手段，主要包括基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的用于工業(yè)過程測量、監(jiān)視與控制的 WirelessHART（IEC 62591:2016）、ISA100.11a（IEC 62734:2014）、WIA-PA（wireless networks for industrial automation-process automation，用于工業(yè)過程自動化的無線網(wǎng)絡(luò)）（IEC 62601:2015）等工業(yè)級無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，RFID技術(shù)是利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)非接觸式的無線射頻自動識別技術(shù)。與條形碼相比，RFID標(biāo)簽在智能制造環(huán)境下有著不可比擬的優(yōu)勢，如防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息可在信號激活后進(jìn)行更改、可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)、能夠同時處理多個標(biāo)簽、可以對所附著的物體進(jìn)行追蹤定位等。以世界著名的米其林輪胎為例，北美公司推出的帶有 RFID標(biāo)簽的輪胎被寫入輪胎的序列號、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠商代號等信息，一旦輪胎出現(xiàn)質(zhì)量問題，可以縮小召回的范圍。除此之外，RFID技術(shù)還可以貫穿服務(wù)使用的過程，2016年8月阿里巴巴YunOS在ITU-T SG20物聯(lián)網(wǎng)研究組新立項的 Open IoT Identity correlation service（開放 IoT 身份標(biāo)識協(xié)作服務(wù)），旨在打通設(shè)備、數(shù)據(jù)與人之間的協(xié)作關(guān)聯(lián)，目標(biāo)是可以滿足 IoT應(yīng)用領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的唯一安全身份標(biāo)識，相應(yīng)地，其連接的業(yè)務(wù)平臺可以提供給信任設(shè)備相應(yīng)的服務(wù)。最后，RFID技術(shù)可以提供生產(chǎn)制造控制系統(tǒng)、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)的服務(wù)信息，以汽車生產(chǎn)過程管理應(yīng)用為例，戴姆勒—克萊斯勒將 RFID標(biāo)簽附在汽車的底盤上，能夠自動傳輸數(shù)據(jù)，比如要噴涂的顏色。

為滿足工業(yè)應(yīng)用需求并順應(yīng)技術(shù)發(fā)展，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)歷經(jīng)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)3個發(fā)展階段，實現(xiàn)控制級/現(xiàn)場級專用網(wǎng)絡(luò)和管理級通用網(wǎng)絡(luò)的融合以及有線到無線的補(bǔ)充。并且，由于數(shù)字化通信的特點，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)除基本數(shù)據(jù)傳輸功能外，還提供信息獲?。ò恢茫?、標(biāo)識和維護(hù)、報警診斷等智能化功能。然而，由于傳輸介質(zhì)不同，或者不同族的現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)具有幾個共性特征：通信協(xié)議的定義都是基于ISO/OSI模型的7層通信協(xié)議；將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實際應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，從通信角度來說，必須考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、確定性、可靠性等要求；從功能完備性角度來說，在滿足基本功能基礎(chǔ)上還需考慮互操作性、本質(zhì)安全性、功能安全性、通信安全性、高可用性、集成性等要求。

4 面向制造業(yè)未來發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)升級需求

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)需要一張無所不在的寬帶網(wǎng)絡(luò)，能把人、物、數(shù)據(jù)、流程全部連接起來，應(yīng)用場景主要包含3類：廣域應(yīng)用場景、工廠級應(yīng)用場景和現(xiàn)場級應(yīng)用場景。廣域應(yīng)用場景主要指跨域的多工廠之間的網(wǎng)絡(luò)通信和應(yīng)用，包括多廠之間的廣域網(wǎng)絡(luò)訪問和通信、協(xié)同設(shè)計、供應(yīng)鏈協(xié)作、多廠間物流等。現(xiàn)有多工廠之間的廣域網(wǎng)絡(luò)通信一般采用互聯(lián)網(wǎng)、專線網(wǎng)絡(luò)或VPN虛擬專網(wǎng)方式，通過整機(jī)廠和周邊零配件分廠之間的供應(yīng)鏈協(xié)作系統(tǒng)，整機(jī)廠供應(yīng)鏈管理人員可以通過電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程訪問周邊零配件分廠的供應(yīng)計劃，周邊零配件廠供應(yīng)鏈管理人員也可以通過電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程訪問整機(jī)廠的需求計劃。通過廣域通信將生產(chǎn)線和輔助配套設(shè)備與供應(yīng)商互聯(lián)起來，各方能洞察相互之間的依賴關(guān)系、物料流動和制造周期。支持位置跟蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)控資產(chǎn)運(yùn)行狀況、報告流經(jīng)供應(yīng)鏈的零件和產(chǎn)品的情況等諸多功能。工廠級應(yīng)用場景主要包含移動辦公應(yīng)用、移動MES應(yīng)用、安全管理（無線視頻監(jiān)控和無線巡檢）、節(jié)能管理、集群通話和廠區(qū)內(nèi)智能物料運(yùn)輸和配送等。傳統(tǒng)的工廠級通信網(wǎng)絡(luò)一般采用以太網(wǎng)+Wi-Fi的覆蓋方式，在工廠內(nèi)存在大量線纜，部署復(fù)雜、施工周期長、維護(hù)成本高、能耗和空間占用大，且廠區(qū) Wi-Fi存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全面、多 Wi-Fi部署、網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定和安全性不能得到保障等問題。智能工廠現(xiàn)場級應(yīng)用場景的生產(chǎn)過程包括數(shù)據(jù)采集及分析，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程、設(shè)備、資源監(jiān)控的可操作和可視化，要能支持采集不同現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的要求，支持將生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備故障信息顯示在監(jiān)控站的屏幕上，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)控與管理?，F(xiàn)有現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)一般采用工業(yè)控制總線，與廠區(qū)以太網(wǎng)安全隔離，具有可靠性高、安全性好和實時性好等特點。但是存在如下局限性：布線成本比較高，有些地方不好布線，工業(yè)控制總線數(shù)據(jù)采集不夠全面，組網(wǎng)方式比較簡單，新的應(yīng)用場景需要更多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

以LTE網(wǎng)絡(luò)為代表的高速連接網(wǎng)絡(luò)可基本解決工廠級應(yīng)用場景下廣域網(wǎng)和廠域網(wǎng)的需求?，F(xiàn)階段部分工業(yè)企業(yè)開始嘗試在廠區(qū)內(nèi)部自行搭建一張LTE 專用網(wǎng)絡(luò)來滿足工業(yè)制造的需求，通過新建一張LTE EPC 核心網(wǎng)，分別與企業(yè)內(nèi)部各類應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行互通，或者新建一張LTE無線接入網(wǎng)，采用特殊申請無線LTE頻段覆蓋整個工業(yè)廠區(qū)。但是這些方式都存在一些局限，如建設(shè)成本大、后期維護(hù)成本持續(xù)投入、LTE無線頻段資源難以獲取、特殊無線頻段的定制化終端成本較高等問題，難以在工業(yè)領(lǐng)域廣泛推廣，需要采用已規(guī)模部署的公眾LTE網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與工廠園區(qū)的基站將數(shù)據(jù)流量接入工廠網(wǎng)絡(luò)，用戶面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)側(cè)（如核心網(wǎng)）而直接在本地傳輸。

LPWA技術(shù)主要適用于M2M小流量數(shù)據(jù)傳輸需求，3GPP已成立專門項目組開展了LPWA技術(shù)研究，同時，一些在非授權(quán)頻段上定義的接入技術(shù)已經(jīng)在歐洲投入商業(yè)運(yùn)營，用戶數(shù)正在逐步擴(kuò)大。目前可以納入LPWA范疇的無線接入技術(shù)主要分成幾塊：一是3GPP RAN中基于 LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的 eMTC；二是 3GPP GERAN提出的基于 GSM演進(jìn)的 EC-GSM（extended coverage-GSM，擴(kuò)展覆蓋GSM）技術(shù)；三是3GPP RAN融合由華為、高通、Neul聯(lián)合提出 NB-CIoT及由愛立信、諾基亞等提出的NB-LTE的NB-IoT技術(shù)；四是在非授權(quán)頻段上定義 Sigfox、LoRa等接入技術(shù)。LTE-M（LTE-machine-to-machine）是基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在R12中被稱為Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC（eMTC），旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。在工業(yè)應(yīng)用中，低功耗的LPWA網(wǎng)絡(luò)可以快速建立工廠運(yùn)行設(shè)備的參數(shù)采集系統(tǒng)，無需用戶進(jìn)行大規(guī)模的信息化改造就可以實現(xiàn)設(shè)備實時報警、狀態(tài)分析、故障診斷等多類功能。

在工業(yè)領(lǐng)域中，5G可以提供高效率、高質(zhì)量、低成本的網(wǎng)絡(luò)連接。IHS 2017年的5G經(jīng)濟(jì)報告顯示，2035年，5G使能的工業(yè)制造空間高達(dá)3.4萬億美元。在智能工廠里，5G網(wǎng)絡(luò)能夠靈活地支撐智能制造的多業(yè)務(wù)場景，包括機(jī)械臂協(xié)同控制所需毫秒級的極低時延（uRLLC）、先進(jìn)的生產(chǎn)輔助系統(tǒng)應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實所需的高帶寬與毫秒級的低時延（MBB+uRLLC）。在2017年3月巴塞羅那世界移動大會上，德國電信與華為聯(lián)合開發(fā)的機(jī)械臂接球用于展示超低時延切片在工業(yè)制造中的應(yīng)用，該切片基于對接入、傳輸及核心網(wǎng)的域內(nèi)及域間編排控制技術(shù)以及邊緣計算部署來達(dá)到ms級的時延保障，最高可達(dá)1 ms?？傊?，通信運(yùn)營商已經(jīng)逐步開展 5G在工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景及相關(guān)技術(shù)研究。

針對不同應(yīng)用場景，對網(wǎng)絡(luò)的QoS、可靠性、安全性要求不同。對于廣域網(wǎng)絡(luò)，通信實時性要求相對低、數(shù)據(jù)交互一般、帶寬要求一般、可靠性要求一般、安全性要求高；工廠級通信實時性要求相對低、數(shù)據(jù)交互頻繁、帶寬要求高、可靠性要求高、安全性要求高；現(xiàn)場級通信對于實時性要求相對高（毫秒級的時延）、可靠性要求高、抗干擾性要求好、安全性要求高。

5 通信運(yùn)營商的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)總體架構(gòu)主要呈現(xiàn)4個關(guān)鍵特征：一是在體系架構(gòu)方面，實現(xiàn)層級打通、內(nèi)外融合，傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)閼?yīng)用層、平臺層和邊緣層3層，整體架構(gòu)呈現(xiàn)扁平化發(fā)展趨勢；二是在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方面，各種智能裝備充分實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，無線成為有線的重要補(bǔ)充，新型網(wǎng)關(guān)推動異構(gòu)互聯(lián)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，工廠與產(chǎn)品、外部信息系統(tǒng)和用戶充分互聯(lián)；三是在數(shù)據(jù)智能方面，工業(yè)云平臺成為關(guān)鍵核心，實現(xiàn)工廠內(nèi)外部數(shù)據(jù)的充分匯聚，支撐數(shù)據(jù)的存儲、挖掘和分析，有效支撐工業(yè)信息控制系統(tǒng)和各種創(chuàng)新應(yīng)用；四是在安全保障方面，各種安全機(jī)制與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合，實現(xiàn)縱深防御、立體防護(hù)，通過多種安全措施保障網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和數(shù)據(jù)集成安全。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)的實現(xiàn)將是一個長期過程，需要架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全等方面逐步協(xié)同推進(jìn)。

· 從提出的IT和OT融合架構(gòu)出發(fā)，由于IT和OT部分功能融合，OT部分建議運(yùn)營商逐步切入，并考慮在發(fā)展過程中與現(xiàn)有現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)共存發(fā)展，同時加強(qiáng)工廠外部的廣域互連能力。

· 大網(wǎng)延伸，雖然具備一網(wǎng)到底能力，構(gòu)建

虛擬工廠專網(wǎng)等。

· 通信運(yùn)營商除了服務(wù)智能產(chǎn)品的移動 M2M可管理通道、互聯(lián)企業(yè)信息系統(tǒng)的廣域有線通道、4G/5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)下沉到生產(chǎn)現(xiàn)場之外，也可以考慮管道深度嵌入工業(yè)應(yīng)用。

· 網(wǎng)絡(luò)使用體現(xiàn)“專網(wǎng)”效果，確保網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，并不斷滿足客戶日益增長的需求，做到彈性網(wǎng)絡(luò)、實時配置等。

· 面向不同接入需求，提供綜合承載能力：高帶寬寬覆蓋、低時延高可靠、低功耗低成本等。

總體發(fā)展策略應(yīng)以完善廣域互聯(lián)能力為主，服務(wù)于橫向集成，同時切入工廠廠域網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于縱向集成。對于網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建議面向不同接入需求，同時管道深度嵌入工業(yè)應(yīng)用，聯(lián)網(wǎng)到底。技術(shù)研發(fā)則以LPWA + 5G、基于公網(wǎng)的工廠虛擬專網(wǎng)技術(shù)和隨選網(wǎng)絡(luò)為主要發(fā)展方向。

6 結(jié)束語

總之，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是對于可靠性和時延要求很高的網(wǎng)絡(luò)，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，通信運(yùn)營商的身份和信息化的專業(yè)經(jīng)驗決定了其現(xiàn)在及未來會積極主動地參與到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。

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Summary of existing framework in industrial communication networks and future development strategies for communication operators

CHANG Jie, WANG Yi, LI Jie, CHEN Zhengwen
Shanghai Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Shanghai 200122, China

Industrial communication networks are developing in the direction of networking, digitization and intelligence, which could not be considered as just a single communication network but as important sub-systems of the automatic control systems. Based on framework of the existing industrial communication network, the industrial model was systematically studied and divided into within and outside of the enterprise. The existing framework mainly concentrated in interior of factory within manufacturing enterprise and mainly referenced ISA-95 model, included field-level, control-level, workshop-level and factory-level. The network configuration and management strategies between each layer were independent. Then, the existing technology systems in industrial network and requirements of network upgrading facing future development of manufacturing were analyzed in detail. Lastly, the future development strategies of communication operators were put forward.

industrial communication network, development strategy, summary of framework

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017301

2017?09?30；

2017?11?10

常潔（1984?），女，博士，現(xiàn)就職于中國電信股份有限公司上海研究院，主要研究方向為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、5G等。

王藝（1973?），男，中國電信股份有限公司上海研究院首席物聯(lián)網(wǎng)專家，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)。

李潔（1980?），男，中國電信股份有限公司上海研究院工程師，主要負(fù)責(zé)車聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)研究工作。

陳正文（1973?），女，中國電信股份有限公司上海研究院高級工程師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)蜂窩通信技術(shù)。