面向智能制造的工業連接現狀及關鍵技術分析

李潔，張東，常潔，楊震

（1. 中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122；2. 中國電信集團公司政企客戶事業部，北京 100010）

面向智能制造的工業連接現狀及關鍵技術分析

李潔1，張東2，常潔1，楊震1

（1. 中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122；2. 中國電信集團公司政企客戶事業部，北京 100010）

隨著美國工業互聯網、德國工業4.0以及中國制造2025的提出，互聯網、信息化與工業融合已成為實現智能制造的大趨勢，而工業連接是實現智能制造的基礎能力。基于此，首先介紹了工業領域OT與IT網絡連接技術的現狀，然后結合中國制造2025，對工業互聯網的八大場景需求進行分析總結，并對工業連接的數據采集、IP網絡、無線網絡、標識解析以及網絡安全等方面的關鍵技術進行分析，最后結合國內現狀，對工業連接的未來趨勢進行展望。

智能制造；工業連接；工業互聯網；中國制造2025

1 引言

隨著美國工業互聯網與德國工業 4.0計劃的提出，我國也于2015年提出了“中國制造2025”，并將其定位于國家戰略高度。2015年，國務院先后出臺了《中國制造2025》《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》《工業和信息化部關于貫徹落實〈國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見〉的行動計劃（2015?2018年）》等一系列文件。目的在于互聯網與制造業融合進一步深化，制造業數字化、網絡化、智能化水平顯著提高。

工業化與信息化及互聯網的融合是實現智能制造的基礎，隨之也帶來了對工業連接需求的進一步提升。通過工業連接可以實現工業領域全系統、全設備、全產業鏈的互聯互通，實現工業數據的無縫集成，從而為工業智能應用與新型商業模式的創新建立基礎。到2017年，全球工業網絡新增節點數將達到1.4億個，年增長率超過7%（根據埃士信咨詢公司（HIS）估計）。近年來，我國工業網絡節點數增長迅速，預計將從2012年的每年1 800萬個節點增長至2017年的近4 000萬個節點，累計的工業網絡節點數總量超過2億個，年增速超過 25%。以工業連接為基礎的各種應用也發展迅速，根據預測，到2020年，我國預測性維護市場規模將達到300億元，前景非常廣闊。工業產品的智能化、網絡化需求也在反向驅動整體工業連接的演進。

2 工業領域連接技術現狀

工業領域的連接技術分為兩個層次：操作技術（OT）網絡與信息技術（IT）網絡。工業領域連接架構如圖1所示。

OT網絡主要位于工廠內的現場級及車間級，對應ISA-95架構中的0～2層。現場級網絡主要指底層I/O、可編程邏輯控制器（PLC）等控制單元，工業級計算機（IPC）等上位機的互聯，此類連接需要在保障可靠性、時延/抖動性能的同時大幅提升帶寬和規模，確保不同協議間數據互通和物理互通。其主流技術為現場總線、工業以太網及工業無線技術。車間網絡主要指車間級別內的實時運行監控與控制，包括人機界面接口（HMI）、數據采集與監視控制系統（SCADA）等。此類連接需要確保數據傳輸的可靠性，同時隨著采集數據的劇增，對帶寬要求較高。此外，由于采集接口與協議的多樣性，需要適配多種采集接口協議。

圖1 工業領域連接架構

OT網絡技術由于其歷史原因，形成了各個制造業巨頭間相互獨立的多個技術標準，根據2014年5月發布的最新版的IEC 61158，共采納了 19種主要類型的現場總線、工業以太網/實時以太網技術。工業總線技術從20世紀80年代開始，經過30多年的發展，在工業控制領域占有絕大部分市場份額，主要技術包括西門子Profibus、博世CAN、FF基金會的FF、DeviceNet等。隨著工業信息技術的不斷發展，現場總線正在向著兼容以太網通信技術的方向發展，工業以太網技術應運而生。工業以太網使得IP技術得以延伸至工業控制層面，使得OT網絡與IT網絡的融合成為可能。但由于工業控制對時延及抖動要求較高，導致各廠商對工業以太網技術中的數據鏈路層進行了私有化的重新定義，各標準間差異依然較大，形成了以西門子 Profinet、羅克韋爾/施耐德Ethernet/IP、PowerLink、EtherCAT等多種標準體系。工業無線網絡作為有線網絡的補充，可以有效延伸工業網絡的控制范圍，并提供了極高的靈活性，主要技術包括WirelessHart、ISA100.11a以及由沈陽自動化研究所提出的、擁有自主知識產權的WIA-PA/FA等。

IT網絡主要位于工廠級及工廠間網絡互聯，對應ISA-95架構中的3～4層。工廠級網絡主要指OT網絡與信息系統（ERP、MES、SCM和CRM等系統）的互聯。隨著底層數據量的指數型增長、視頻等高帶寬應用向工業領域的滲透，對工廠內部的IT網絡的帶寬、時延及抖動的性能提出了更高的要求。工廠間網絡主要指企業與工業云端應用的連接網絡，是現實工業互聯網的關鍵，此類連接主要采用專線等技術。企業與云端應用的連接則需要在可靠性、帶寬、時延性能、業務形態等方面進行切合工業領域特點的創新嘗試。

由于傳統OT網絡采用的通信技術相對封閉，且標準多樣，使得現有的OT網絡和IT網絡相對隔離，難以實現數據采集與交互，因此工業數據采集技術成為打通OT網絡與IT網絡的關鍵。

3 工業連接場景及需求

工業連接涵蓋了工業生產流程中機器終端及控制系統、原料、信息系統、在制品、產品以及人之間的互聯，涵蓋各類連接形態。隨著信息通信技術向工業領域的加速滲透，工業連接的性能不斷提升，類型不斷豐富，極大地拓展了傳統工業網絡的內涵和外延，為智能制造的發展奠定了良好基礎。通過對工業領域各類連接的梳理，工業連接可以包含兩類連接、四大場景、八項需求，具體如下。

兩類連接包括企業內部連接和企業外部連接。其中，企業內部連接包括機器設備、控制設備、企業云平臺、企業內人員間的互聯關系；而企業外部連接包括不同企業間（如上下游企業間）、企業與外部公有云平臺間、企業和售出產品、企業與客戶間的互聯關系。

四大場景分別為促進智能化生產的智能生產場景，促進網絡化協同的網絡協同場景，促進個性化定制的用戶定制場景，促進服務化轉型的服務化場景。

結合以上描述的兩類連接與四大場景，本文將引申出工業連接的八項需求，具體描述如下。

需求一：現場設備與工廠控制系統的連接。此類連接主要指底層I/O、PLC等控制單元、IPC等上位機的互聯。需要在保障可靠性、時延性能的同時大幅提升帶寬和規模，確保不同協議間的數據互通和物理互通。

需求二：現場設備與私有云平臺的連接需求。此類連接主要指現場設備與運行在私有云上的MES等IT系統的直接連接。現場設備可通過以太網或者光網絡，跨越上位機“e網到底”，實現與運行在私有云上的IT系統的直接連接，需要通過網絡和各類現場工業通信協議的高效互通。

需求三：工業控制系統與私有云平臺的連接需求。此類連接主要指控制系統與信息系統的互聯。特別是隨著視頻等高帶寬應用在工業領域的使用不斷普及，此類連接需要大幅提升工業以太網和通用網絡技術的互通性能。

需求四：私有云平臺與人的連接需求。此類連接主要指人通過HMI、移動設備等方式與工業IT系統的交互，需要提升 HMI、SCADA、遠程操控、移動設備操控等不同的軟硬件人機界面的性能，提升管理的敏捷性和效率。

需求五：企業與工業公有云的連接需求。企業與公有云的連接需要在可靠性、帶寬、時延性能、業務形態等方面進行切合工業領域特點的創新嘗試。隨著新的網絡技術、信息技術以及互聯網商業模式的出現，工業生產過程已不僅僅局限在工廠內，開始逐步通過外部網絡，使得工業生產與互聯網業務模式實現深度融合，主要體現在IT系統與互聯網的融合、OT系統與IT系統的融合、企業專網與互聯網的融合等。

需求六：企業和企業的連接需求。此類連接可以具化為不同企業信息系統互通需求，分為兩個層次，一是CRM、ERP等非核心系統的互通，二是MES等核心系統的互通。這兩類互通需求都對遠程互聯的可靠性、時延性能、安全性提出了新的要求。

需求七：企業和用戶的連接需求。用戶需求與工業系統的實時互通是實現個性化定制的基礎，這需要工業云平臺對用戶定制應用的良好支撐以及對制造、物料、物流的高效協同。

需求八：企業和智能產品的連接需求。產品和工廠的泛在連接將是預測性維護、遠程維護的網絡基礎，也是企業實現服務化轉型的基礎。此類連接需要重點解決廣域大連接的問題，需要物聯網技術的深度應用。

4 工業連接關鍵技術

為了實現工業連接中不同場景下的各種需求，其基礎就是要實現工業網絡技術與互聯網技術的融合、海量異構數據的集成與交換以及網絡與數據在工業領域的安全保障。因此，工業數據采集技術、工業網絡IP化、工業網絡無線化、標識解析技術以及網絡安全技術成為實現工業連接的關鍵。

4.1 工業數據采集技術

數據是智能制造的核心，通過工業數據全周期的應用，實現機器彈性生產、運營管理優化、生產協同組織與商業模式創新，推動工業智能化發展。而如何實現數據的采集上傳則成為實現數據應用的關鍵。工業數據采集技術結構示意如圖2所示。

現有的工業數據采集主要有以下兩種方式。

方式一：由數據采集平臺集成各種工業協議驅動，直接與底層設備通過網絡連接并進行解析。該方式可連接設備種類多，但對于非以太網接口支持較為困難，因此需要將現存的RS232、RS485、控制器局域網絡（CAN）等物理接口轉換為以太網接口。

圖2 工業數據采集技術結構示意

方式二：由工業通信網關集成各種工業協議驅動。工業現場設備種類繁多，通信接口多樣化，工業通信網關作為不同接口及通信協議的設備之間通信的橋梁，可以在不同的工業接口與通信協議之間做轉換，是對不同設備進行數據采集的有效手段。工業通信網關通過工業PC或專業芯片，集成各種主流的工業協議，適配不同廠商設備的接口，并將各種工業協議轉換為標準的OPC UA、Modbus TCP、MQTT、HTTP RESTful等通用協議，連接至數據采集平臺。該方式可以減少數據采集平臺支持的協議種類，同時工業通信網關可以支持邊緣計算能力，實現數據的分布式計算分析，

形成本地的實時優化決策。

以上兩種方式各有優缺點，實施過程中應根據實際情況結合使用：通過工業通信網關適配各種工業協議，同時對于工業通信網關尚未支持的工業協議，通過方式一的數據采集平臺進行支持，實現各種工業數據采集的無縫集成。

4.2 工業網絡IP化

為實現生產過程全流程的數據采集、流動及智能化生產，IP化與無線化已成為工廠內部傳輸網絡發展共識，IP化基于以太網技術實現從機器到IT系統的端到端IP互聯，無線化是各種無線技術（在第4.3節中描述）在工廠內部的廣泛應用。

工業以太網由于以太網應用的廣泛性和技術的先進性，已逐漸成為企業商用計算機通信領域和過程控制領域中上層信息管理與通信的主流技術，并且將逐步替代現場總線，完成“e網到底”的目標，如圖3所示，從而實現OT網絡與IT網絡的無縫互通和融合。

工業以太網經歷了多年的快速發展，其產品已非常成熟，EMC、高低溫等工業特性已能夠滿足工廠對于不同環境的需求，并已經在工業領域得到了非常廣泛的應用，其協議的標準化已完成，不同廠商產品互通性好。思科提出的全廠融合以太網（CPwE）架構將工業網絡分為2個區域（6個層級），包括企業區（第4～5級）、制造區（第0～3級），實現以太網在工廠IT與OT域的全覆蓋打通，同時在CPwE架構中集成了先進的無線技術，實現無線網絡在工廠復雜惡劣環境中應用。

圖3 工業以太網“e網到底”目標

由于現場級的工業控制網絡對于時延、抖動的要求較高，因此時間敏感網絡（TSN）應運而生。相較于傳統以太網技術，TSN具有時間敏感數據處理、時鐘同步、幀搶占/穿插傳輸等功能，保證數據傳輸的確定實時性，可以滿足智能制造實時監控或實時反饋的需求。同時，TSN可以解決現有各工業以太網協議自成體系、無法互通的問題，是實現“e網到底”目標的重要實現技術。

工業以太網雖然技術成熟，但也面臨著以下問題：僅支持點到點直連組網，組網存在局限性；中間傳輸需多級匯聚交換機，需要預留機房建設用地以提供電力、空調等；銅纜內弱電信號易受電磁干擾和雷電影響；業務支撐能力不足，網絡維護相對復雜。

因此，隨著無源光網絡（PON）技術在電信、電力行業的廣泛應用，工業PON技術已成為除了以太網技術外車間通信網絡組網技術的一種全新的方案。相對于工業以太網技術，工業PON技術具有以下優點：PON通過無源器件組網，不受電磁干擾和雷電影響；采用自愈環型網絡支持并聯型，切換時間短、抵抗失效能力強；點到多點傳輸架構，終端并行接入，部署靈活；僅需單根光纖傳輸，最遠覆蓋20 km范圍；多業務承載，支持數據、視頻、語音、時間同步等多種業務；安全性高，PON設置ONU安全注冊機制，下行數據傳送天然加密，上行數據傳送時分機制隔離。

4.3 工業網絡無線化

無線技術在工業領域已經得到越來越廣泛的應用，成為有線網絡技術的重要補充。隨著工業無線技術的不斷發展與完善，其應用已不單單局限在數據采集領域以及作為工業有線網絡的補充，正逐漸向生產控制及全網方向發展。

工業領域使用的無線技術主要包括短距離通信技術 RFID、Zigbee、Wi-Fi等，用于車間內的傳感數據讀取、物品及資產管理、自動導引運輸車（AGV）等無線設備的網絡連接；專用工業無線通信技術 WIA-PA/FA、ISA100.11a、WirelessHART等，應用于對工廠應用有一定實時性要求、高可靠和高安全的無線通信場景。

蜂窩無線通信技術2G/3G/LTE、NB-IoT等也開始應用于工業領域，用于智能產品、大型遠距離移動設備或車輛、手持終端等的網絡連接。隨著3GPP 5G標準的推進以及商用化的臨近，5G將在工業領域得到大量應用。3GPP的5G技術面向物聯網定義了 3類應用場景：大容量物聯網（massive IoT）、低時延高可靠通信（critical communication）和增強型移動寬帶（eMBB）。其中，massive IoT主要針對海量機器類通信，如各類表的遠程激活、消耗流量的實時跟蹤、無線視頻監控的遠程激活，遠程監測并上報環境參數和控制機械的數據，一個用戶具有多個終端和一個終端被多個用戶使用等多種場景，工業互聯網應用場景下有相同的需求；低時延高可靠通信要求極低的時延和更高的可用性，在工業互聯網中主要應用在工廠內部的現場控制等應用場景。需要重點關注對于各種現場總線協議的承載支持，并綜合利用網絡切片和移動邊緣計算等技術，實現工業自動化場景的支持；而eMBB場景則分為廣域覆蓋和熱點覆蓋，對于工業互聯網逐漸興起的大流量業務能夠更好地支撐，如虛擬工廠和高清視頻遠程維護等。

4.4 標識解析技術

互聯網與制造業的融合帶來工業連接需求的快速提升，為實現各個層面的互聯互通，工業互聯網打通需要從生產到企業運營的全流程環節，實現包括智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化轉型的四大場景。這就需要實現企業與企業、企業與用戶、企業與產品的連接及異構數據互聯。

隨著工業設備的接入數量越來越多，使得數據呈幾何式遞增，面對如此龐大的數據，首先需要解決的是如何對工業領域對象進行標識的問題。通過建設統一的標識體系，可以為數量龐大的終端賦予唯一的標識，從而實現在任何時間、任何地點對終端的定位與尋址，滿足海量異構數據在不同對象間、不同領域間以及不同區域間互聯互通的應用需求。

通過標識解析體系可以貫穿工業互聯網整個流程，給予目標對象在整個生命周期中一個統一不變的“身份標識”。基于統一的“身份標識”實現目標對象所有數據的關聯與統一，實現異構、異主、異地數據安全可控的開放及訪問。

對象標識解析技術標準在國際上主要有四大體系，包括DONA定義的Handle解析服務體系、EPCglobal定義的對象名稱服務（ONS）體系、ITU和 ISO聯合制定的面向對象標識符（OID）的對象標識符解析系統（ORS）體系、日本泛在識別中心的uCode解析服務體系。

通過構建統一的工業數據解析系統，可以對工業數據源進行可靠的追溯，從而避免了在浩瀚的數據海洋中查找源頭的問題。同時，由于數據來源于上下游產業鏈的不同參與者中，所產生的數據具有數量巨大且異構的特點。因此需要把所有可用信息轉變為統一格式，從而能夠有效節約資源，實現對海量工業數據的分析及智能化應用。

4.5 網絡安全技術

隨著工業連接的創新發展，現有相對封閉的工業網絡體系將更加開放，隨之也將面臨更多的安全問題和挑戰，因此需要通過綜合性的安全防護措施，保證網絡與數據的安全。

工業企業各互聯設備及系統之間應該進行有效可靠的安全隔離和控制。包括：OT系統與 IT系統之間，應部署防火墻；工廠外部對工廠內部云平臺的訪問應經過防火墻，并提供DDoS防御等功能，同時部署網絡入侵防護系統，可對主流的應用層協議及內容進行識別，自動檢測和定位各種業務層的攻擊和威脅；所有接入工廠內部云平臺、工廠信息系統、工業控制系統的設備，都必須進行接入認證和訪問授權；通過外部網絡傳輸的數據，應采用IPSec VPN、SSL VPN等隧道傳輸機制或MPLS VPN等專網技術，防止數據泄露或被篡改。

5 結束語

隨著“中國制造2025”計劃的逐步推進，工業連接作為支撐智能制造的基礎能力，在未來應逐步完善網絡互聯技術、標識解析技術以及應用支撐技術，實現數據在企業內部的各生產系統間、生產系統與商業系統間、商業系統與制成品間以及企業外部各企業間、企業與云平臺間的無縫傳輸，構建新型的基于有線與無線通信技術安全可靠的機器連接方式，從而支撐實時感知、協同交互的智能生產模式。

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Situation description and critical technology analysis for industrial connection of intelligent manufacturing

LI Jie1, ZHANG Dong2, CHANG Jie1, YANG Zhen1
1. Shanghai Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Shanghai 200122, China 2. Government and Enterprise Customer Department of China Telecom Corporation, Beijing 100010, China

With the formally issue of the industrial internet in USA, the industry 4.0 in German and made in China 2025, the integration of the IT, Internet and industrialization has became the trend of intelligent manufacturing. Industrial connection is the basic ability for intelligent manufacturing. Firstly, the technology situation of OT and IT industrial connection was described. And then combined with made in China 2025, the eight demands for industrial internet scenarios and industrial connectivity key technology were analyzed, including data acquisition, IP network,wireless network, identifier resolution and network security, Finally, according to the domestic situation, the future trend of industrial connection was prospected.

intelligent manufacturing, industrial connection, industrial internet, made in China 2025

F49

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017295

2017?09?30；

2017?11?10

李潔（1980?），男，中國電信股份有限公司上海研究院工程師，主要從事車聯網及工業互聯網領域的產品開發、技術研究工作。

常潔（1984?），女，博士，現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網絡、5G等。

張東（1972?），男，中國電信集團公司政企客戶事業部產業互聯網創新發展中心主任、高級工程師，主要從事產業互聯網（互聯網+）、工業互聯網和智慧城市方向的研究工作。

楊震（1972?），男，博士，中國電信股份有限公司上海研究院教授級高級工程師、物聯網部智能產品室主任，主要研究方向為人工智能、自然語言處理、搜索引擎、物聯網技術