高巍

摘要：從目前工廠網絡面對智能制造需求存在的問題出發(fā)，分析工廠內部網絡 “三化（IP化、扁平化、無線化）+靈活組網”的發(fā)展趨勢，指出工業(yè)生產與互聯(lián)網業(yè)務模式的融合體現為四大類：信息技術（IT）系統(tǒng)與互聯(lián)網的融合、操作技術（OT）系統(tǒng)與互聯(lián)網的融合、企業(yè)專網與互聯(lián)網的融合、產品服務與互聯(lián)網的融合，并認為工廠網絡與互聯(lián)網的融合仍將基于目前以IP技術為基礎的互聯(lián)網技術體系。

關鍵詞： 工業(yè)互聯(lián)網；智能制造；互聯(lián)網；IT；OT

Abstract：In this paper， considering the existing problems of plant network faced by intelligent manufacturing， we analyze the development trend of plant network： IP networking， flat networking， wireless networking， and flexible networking. We also summarize the integration of the industrial manufacturing and the internet service model， including the convergence of information technology （IT） system， operation technology （OT） system， enterprise network， and product service with the Internet. It is believed that the integration of the plant network and the Internet will be based on the IP technology.

Key words： industrial Internet； intelligent manufacturing； Internet； IT； OT

2015年發(fā)布的《中國制造2025》是中國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領。“智能制造”是《中國制造2025》中的重要關鍵詞，可以總結為以“智能化生產”為主要制造形態(tài)，以“個性化定制”為主要生產方式，以“網絡化協(xié)同”為主要的組織機制，以“服務化轉型”為主要的發(fā)展方向的新型工業(yè)發(fā)展模式。

信息化與工業(yè)化的深度融合是實現智能制造的前提條件，工業(yè)互聯(lián)網是實現“智能制造”的重要基礎設施。工業(yè)互聯(lián)網就是工業(yè)制造業(yè)與信息通信技術（ICT）產業(yè)的交叉領域，綜合了工業(yè)制造、互聯(lián)網、物聯(lián)網的技術創(chuàng)新。預計在未來幾十年內，工業(yè)互聯(lián)網領域將出現應用、技術、網絡的大規(guī)模集中創(chuàng)新，可能引領網絡技術與架構的發(fā)展，并引發(fā)工業(yè)制造模式的變革。

1 工業(yè)制造領域的網絡發(fā)展

現狀

當前，工業(yè)生產過程的控制已經實現了從模擬信號到數字信號的飛躍，以微處理器為核心的智能生產控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用。伴隨著生產過程控制的自動化和數字化，數字通信網絡已經延伸到工業(yè)控制領域。隨著企業(yè)信息化的發(fā)展，連接信息終端與IT系統(tǒng)的信息網絡也成為工廠網絡的重要組成部分。

1.1 工廠網絡架構

目前工廠網絡的一般架構如圖1所示。

總體來看，工廠網絡呈現“兩層三級”的結構?！皟蓪印笔侵复嬖凇靶畔⒓夹g（IT）網絡”和“操作技術（OT）網絡”兩層技術異構的網絡；“三級”是指根據目前工廠管理層級的劃分，網絡也被分為“現場級”、“車間級”、“工廠級/企業(yè)級”3個層次，每層之間的網絡配置和管理策略相互獨立。

工業(yè)控制網絡，或稱為OT網絡，主要用于連接生產現場的控制器，如可編程控制器（PLC）、過程控制系統(tǒng)（DCS）、分散控制系統(tǒng)（FCS）等，以及傳感器、伺服器、監(jiān)測控制設備等部件。工業(yè)控制過程對網絡的主要需求是網絡的確定性（包括對時延、時延抖動的嚴格要求，以及時間同步要求等）和可靠性（網絡的丟包率與可用性）。工業(yè)控制網絡的主要實現技術可分為現場總線和工業(yè)以太網兩大類。

工廠信息網絡，或稱為IT網絡，主要由IP網絡構成，并通過網關設備實現與互聯(lián)網和現場網絡的互聯(lián)和安全隔離。

1.2 OT網絡的技術與產業(yè)現狀

OT網絡技術主要包括現場總線和工業(yè)以太網兩類。

現場總線技術出現于20世紀80年代初，目前在工業(yè)控制領域占有60%以上的市場份額。雖然經歷了30多年的標準化努力，現場總線技術標準仍呈現“諸侯割據，各自封閉”的狀況，許多國際制造業(yè)的巨頭形成并把控了各自不同的現場總線技術標準，并應用在不同的工業(yè)領域，如西門子的PROFIBUS、施耐德的Modbus、博世的CAN總線等。在現場總線國際標準IEC61158的第4版中，包括了20種不同的現場總線技術，也體現了目前工業(yè)控制領域各自為戰(zhàn)的局面。

隨著工業(yè)生產過程中信息化水平的不斷提高，現場總線正在向能夠兼容互聯(lián)網通信技術的工業(yè)以太網演進。工業(yè)以太網使基于IP技術的數據采集、監(jiān)測控制能力一直延伸到工業(yè)生產現場。目前工業(yè)以太網雖然都是基于標準的以太網（IEEE802.3）技術，但其技術體系也呈現“各自獨立”的局面，主要有西門子的PROFINET、羅克韋爾/思科的Ethernet/IP、倍福（Beckhoff）的EtherCAT等標準。總體上看，在工業(yè)控制領域中工業(yè)以太網的市場份額（2015年為34%）仍然低于現場總線，但近年來一直呈現緩慢上升的趨勢，預計到2017年其市場份額將達到38%。

中國在工業(yè)控制領域一直處于比較弱勢的地位，雖然由浙江大學、浙江中控技術有限公司、中國科學院沈陽自動化研究所等提出的面向工廠自動化的以太網（EPA）技術已經在2005年被列入IEC61158標準，但在產業(yè)中實際市場份額較低[1-2]。

2 工廠網絡存在的問題

目前工廠網絡中這種技術體系和網絡結構相互隔離的狀況使IT系統(tǒng)與生產現場之間的通信存在很多障礙，難以滿足智能制造的需要，主要體現在以下3點：

（1）工業(yè)控制網絡與企業(yè)信息化系統(tǒng)網絡技術體系各異，難以融合互通。智能化生產需要企業(yè)信息化系統(tǒng)充分收集生產現場的數據信息，以實現智能化的決策反饋。但目前工業(yè)企業(yè)內部在網絡結構上呈現“工業(yè)控制網絡”和“企業(yè)信息網絡”的兩級網絡劃分，工業(yè)控制網絡以工業(yè)總線、工業(yè)以太網等技術為基礎，企業(yè)信息網絡則以IP/以太網為基礎。兩級網絡之間由于技術體系的差異難以實現充分的信息交互，而且由于目前工業(yè)控制網絡技術呈現“七國八制，諸侯割據”的狀態(tài)，采用不同標準的系統(tǒng)之間的互通也存在極大障礙。因此，亟需在保障生產環(huán)節(jié)安全的前提下，打通企業(yè)信息網絡與工業(yè)控制網絡，實現生產現場數據的有效采集和流動。

（2）工業(yè)生產全流程存在大量“信息死角”，亟需實現網絡全覆蓋。智能制造是設計、生產、銷售、維護全流程的信息化、網絡化，但目前從機器設備、控制系統(tǒng)，到產供銷各流程還有大量沒有實現網絡化，或“智能化使能”的環(huán)節(jié)。在工業(yè)企業(yè)內部，由于沒有充分的網絡覆蓋，大量與生產、管理相關的數據無法生成和采集，這會使得企業(yè)信息化系統(tǒng)變成是信息死海中的一個個“孤島”，難以發(fā)揮其作用。

（3）工業(yè)制造過程與互聯(lián)網的融合不足，難以催生新模式、新業(yè)態(tài)。無論是個性化定制還是網絡化協(xié)同，以及制造業(yè)的服務化轉型，互聯(lián)網都在其中發(fā)揮了連接產業(yè)環(huán)節(jié)，實現資源優(yōu)化配置的重要作用。目前，中國的工業(yè)企業(yè)對互聯(lián)網的融合利用還很不足，對互聯(lián)網的應用大多數僅限于信息發(fā)布等簡單形式，“互聯(lián)網+制造”所引發(fā)的新模式、新業(yè)態(tài)還遠未得到開發(fā)。

3 工廠網絡與互聯(lián)網的融合

發(fā)展

3.1 工業(yè)互聯(lián)網帶動工廠網絡與

互聯(lián)網的融合

工業(yè)互聯(lián)網對現有生產過程的改造一方面體現在覆蓋工業(yè)生產生命周期的信息采集與分析，另一方面體現在利用互聯(lián)網實現工業(yè)生產的資源配置、協(xié)同合作和延伸服務。這些愿景需要工廠網絡與互聯(lián)網實現充分的融合。

工廠網絡與互聯(lián)網的融合使工業(yè)互聯(lián)網呈現以3類企業(yè)主體、7類互聯(lián)主體、9種互聯(lián)類型為特點的互聯(lián)體系，如圖2所示。

3類企業(yè)主體包括工業(yè)制造企業(yè)、工業(yè)服務企業(yè)和互聯(lián)網企業(yè)。工業(yè)制造企業(yè)提供基本的產品設計、生產、維護能力；工業(yè)服務企業(yè)利用對智能產品的數據采集、建模、分析形成創(chuàng)新的用戶服務模式與業(yè)態(tài)；互聯(lián)網企業(yè)利用其平臺資源優(yōu)勢實現工業(yè)生產全生命周期的資源優(yōu)化配置。在工業(yè)互聯(lián)網體系中，這3類企業(yè)的角色是不斷滲透，并且不斷進行轉換的。

7類互聯(lián)主體包括在制品、智能機器、工廠控制系統(tǒng)、工廠信息系統(tǒng)、智能產品、協(xié)作企業(yè)和用戶。在目前的工業(yè)生產模式中，機器、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)等主體已經具備了一定的互聯(lián)能力，工業(yè)互聯(lián)網將互聯(lián)主體進一步擴展至在制產品、智能產品、用戶等工業(yè)生產生命周期各環(huán)節(jié)、各層面的主體之中，這也需要新型傳感設備、物聯(lián)網等使能技術的支撐。

9種互聯(lián)類型包括了7類互聯(lián)主體之間復雜多樣的互聯(lián)關系，目前已梳理出的互聯(lián)類型可能還不能完全體現工業(yè)互聯(lián)網中互聯(lián)關系的復雜性。這些互聯(lián)關系體現出工業(yè)生產過程中的網絡互聯(lián)已經遠遠超出了傳統(tǒng)OT系統(tǒng)或IT系統(tǒng)互聯(lián)的范疇，成為連接生產能力、設計能力、商業(yè)能力以及用戶服務的復雜網絡系統(tǒng)，其支撐技術也涵蓋了已有的工業(yè)控制網絡、互聯(lián)網、物聯(lián)網等技術。

3.2 工廠內部網絡與互聯(lián)網技術的

融合

面向工業(yè)互聯(lián)網的需求，工廠內部網絡正逐步與互聯(lián)網技術實現融合，呈現“三化（IP化、扁平化、無線化）+靈活組網”的發(fā)展趨勢。

IP化是指OT網絡的IP化，以實現從機器設備到IT系統(tǒng)的端到端IP互聯(lián)，進而實現整個制造系統(tǒng)更大范圍、更深層次的數據交互與協(xié)同。IP網絡是目前互聯(lián)網和企業(yè)信息系統(tǒng)普遍采用的網絡技術，通過“IP到底”實現工業(yè)生產全過程信息采集是合理的技術選擇。目前以PROFINET、Ethernet/IP等為代表的工業(yè)以太網協(xié)議已經支持為現場設備分配IP地址，并可以實現IP流量與控制信息的共線傳送。

扁平化是減少工廠內數據傳送的層級，實現工業(yè)數據在生產現場和IT系統(tǒng)間的快速流通，并支持實時或準實時的數據分析與決策反饋，從而實現智能化生產。扁平化有兩層含義：一是OT層面的扁平化，將傳統(tǒng)上現場級、車間級、控制級等復雜分層的OT網絡統(tǒng)一為扁平化的二層網絡；二是IT、OT的融合化，通過業(yè)務網關類設備實現IT層和OT層的數據融合互通。

無線化是利用各種無線技術支持工廠內更加廣泛的信息采集與傳送，消除工廠內的“信息死角”。目前傳統(tǒng)的2G/3G/LTE、WiFi及zigbee等無線技術已經逐步在工業(yè)互聯(lián)中獲得一定規(guī)模的應用；同時針對于工業(yè)場景的工業(yè)無線技術也開始出現，如WIA-PA、WirelessHART及ISA100.11a等。但工業(yè)無線的應用總體還處于初期階段，實際應用部署較少，且主要在流程工業(yè)領域。隨著工業(yè)互聯(lián)網的發(fā)展，工業(yè)無線技術將逐步成為有線網絡的重要補充，但還需要解決電磁信道干擾、低功耗、可靠性等關鍵問題。

5G技術在場景設計中已經考慮到低功耗、大連接、高可靠的物聯(lián)網應用場景，未來可能在工業(yè)無線領域發(fā)揮更大作用。

靈活組網是面向柔性生產的需要，通過網絡資源的動態(tài)調整，實現生產過程的靈活組織及生產設備的“即插即用”。目前的工業(yè)生產（主要指離散工業(yè)）基本上都是“剛性生產”模式，其互聯(lián)網絡也是“剛性網絡”，制造環(huán)節(jié)中機器、設備、輔助工具等需要按照預先的設定進行互聯(lián)。未來工業(yè)生產大規(guī)模定制化的特點需要資源組織更加靈活，更加智能，以軟件定義網絡（SDN）為基礎的新型網絡技術可實現網絡資源的動態(tài)調整，打破工廠內部網絡剛性組織的局限，適應智能機器自組織和生產線敏捷部署的要求[3]。

3.3 工業(yè)生產與互聯(lián)網業(yè)務模式的

融合

目前工業(yè)生產生命周期與互聯(lián)網的結合主要是商業(yè)銷售環(huán)節(jié)的結合，并催生出“淘工廠”等新業(yè)態(tài)。隨著網絡和信息技術、服務模式的發(fā)展，原來局限在工廠內的工業(yè)生產過程逐步走向外部網絡，體現為工廠內系統(tǒng)、網絡與工廠外網絡（互聯(lián)網）逐步實現融合，以實現更為靈活的生產組織、更加優(yōu)化的產業(yè)分工、更加便捷的產業(yè)鏈協(xié)作，或形成以往無法實現的新的服務業(yè)態(tài)[4]。

工業(yè)生產與互聯(lián)網業(yè)務模式的融合體現為四大類：IT系統(tǒng)與互聯(lián)網的融合、OT系統(tǒng)與互聯(lián)網的融合、企業(yè)專網與互聯(lián)網的融合、產品服務與互聯(lián)網的融合。

IT系統(tǒng)與互聯(lián)網融合從網絡層面來看是工廠內部IT網絡向外網的延伸。企業(yè)將其IT系統(tǒng)（如企業(yè)資源計劃（ERP）、客戶關系管理系統(tǒng)（CRM）等）托管在互聯(lián)網的云服務平臺中，或利用軟件即服務（SaaS）服務商提供的企業(yè)IT軟件服務。目前美國的Autodesk、法國的達索，以及中國的數碼大方等企業(yè)已經開始面向中小企業(yè)提供這類云服務。

OT系統(tǒng)與互聯(lián)網融合從網絡層面看是OT系統(tǒng)網絡向外網的延伸。在一些人力較難達到，且又需要實現生產過程調整和維護的場景下，需要通過可靠的互聯(lián)網連接，實現遠程的OT系統(tǒng)控制。目前沈陽機床廠的“i5”平臺可以初步實現對不同地理位置機床的遠程監(jiān)測控制，就是這類服務的雛形，但不同的OT業(yè)務流對網絡要求不同。目前互聯(lián)網的質量對于時延、抖動、可靠性等有著極高要求的實時控制和同步實時控制還很難承載。

企業(yè)專網與互聯(lián)網融合是將在公眾網絡中為企業(yè)生成獨立的網絡平面，并可對帶寬、服務質量等進行定制。這類業(yè)務場景不僅需要為企業(yè)提供獨立的鏈路資源，還需要提供獨立的網絡資源控制能力，開放的網絡可編程能力，以及定制化的網絡資源（如帶寬、服務質量等）。目前的互聯(lián)網尚不支持此類業(yè)務場景，需要網絡虛擬化及軟件定義技術的進一步發(fā)展與部署。

產品服務與互聯(lián)網融合將通過智能工業(yè)產品的信息采集和聯(lián)網能力為工業(yè)企業(yè)提供新的產品服務模式。目前IBM、微軟、GE等公司紛紛推出各自的工業(yè)互聯(lián)網數據分析平臺，工業(yè)企業(yè)基于這些平臺可以為用戶提供產品監(jiān)測、預測性維護等延伸服務，從而延長了工業(yè)生產的價值鏈。這類業(yè)務的基礎是對海量產品的數據采集與監(jiān)測，需要通過無線等技術實現工業(yè)產品的泛在接入。

3.4 工廠網絡與互聯(lián)網融合發(fā)展的

技術需求

基于我們目前的研究，工廠網絡與互聯(lián)網的融合仍將基于目前以IP技術為基礎的互聯(lián)網技術體系。另外由于工業(yè)互聯(lián)網需要連接大量的無處不在的企業(yè)、用戶、智能產品（如汽車、工程機械）等，需要依托公眾網絡，因此從網絡建設部署的角度看，工業(yè)互聯(lián)網應和公眾網絡融合在一起，部分環(huán)節(jié)有可能采用專網或虛擬專網[5]。

雖然工業(yè)互聯(lián)網引發(fā)的工廠網絡與互聯(lián)網融合尚在發(fā)展初期，但一些關鍵技術需求或方向已經顯現，包括以下6個方面：（1）支持控制信息與數據信息共線傳送的高可靠工業(yè)以太網技術；（2）面向工業(yè)生產的無線解決方案；（3）支持生產現場控制網絡靈活組網的SDN技術；（4）包括NB-IoT、5G在內的面向海量產品泛在接入的無線網絡技術；（5）生產現場數據向云端集成的信息傳送技術；（6）支持骨干網絡多租戶隔離的網絡虛擬化和軟件定義網絡技術。

4 中國工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展的

建議

（1）利用科研專項等方式加快中國自主知識產權的工業(yè)控制網絡技術研發(fā)及標準化，并以產業(yè)聯(lián)盟的形式集中工業(yè)企業(yè)、IT企業(yè)、互聯(lián)網企業(yè)以及研究機構的力量，盡快實現規(guī)模應用，形成產業(yè)生態(tài)。

（2）利用中國ICT、互聯(lián)網產業(yè)技術方面的比較優(yōu)勢，加強ICT新技術與工業(yè)領域融合技術的研究，在一些新興技術領域形成我們自己的突破點，占據國際技術研究的前沿。

（3）鼓勵中國企業(yè)、科研機構等積極參與國際工業(yè)互聯(lián)網相關產業(yè)、標準組織活動，緊跟國際工業(yè)互聯(lián)網技術進展的步伐，并爭取對其發(fā)展方向產生影響。

（4）建立國家級工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新平臺，圍繞工業(yè)互聯(lián)網整體技術架構、網絡技術、標識解析、工業(yè)大數據、工業(yè)云平臺、安全防護等領域的技術、標準、產品驗證，構建工業(yè)互聯(lián)網技術和產業(yè)創(chuàng)新服務體系，開展產業(yè)轉化與推廣，引領和支撐中國工業(yè)互聯(lián)網技術與產業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

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[2] 全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準化技術委員會（SAC/TC124）. 工業(yè)通信網絡現場總線類型I0：PROFINET IO規(guī)范： GB/Z25415.1～3-2010[S].

[3] 繆學勤. 20種類型現場總線進入IEC61158第四版國際標準[J].自動化儀表， 2007，28（S1）： 25-29

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[5] MARK， HOSKE. 應用于工廠的無線技術[J]. 李靜，譯. 軟件， 2009（7）：28-30