面向工业 X.0 的工业网络简述

此图片来源于网络

1、背景

工业4.0是在21世纪初提出的，特别是在2013年，德国政府正式推出了“工业4.0”战略，旨在通过利用物联网（IoT）等先进技术提高工业的竞争力。因此，我们可以认为工业4.0的实现时间大致在21世纪初到至今。

工业4.0（Industry 4.0）描述了第四次工业革命，即利用信息物理系统（Cyber-Physical Systems, CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，达到快速、有效、个人化的产品供应。

工业4.0的目标是实现生产的智能化和高度灵活化，建立一个高度个性化的数字化产品与服务的生产模式。它涉及到制造业的数字化转型和智能化发展，通过融合物联网、大数据、人工智能和自动化技术等，实现生产过程的智能化、柔性化和高效化。这意味着在整个价值创造链中，从创意、订单到研发、生产、产品交付和服务，再到废物循环利用，都能更好地满足日益个性化的顾客需求。

德国政府将工业4.0视为提高国家工业竞争力的重要战略，并在多个领域进行了投资和研究。工业4.0的实施涉及到了许多技术领域，如物联网、云计算、大数据、人工智能等，这些技术共同构成了工业4.0的技术基础。同时，工业4.0也需要跨领域的技术，如带参考构架和使用面向服务的分布式体系构架的工业4.0平台，以实现跨企业的网络化和集成。

工业4.0对于未来工业发展具有重大意义，它不仅将改变制造业的生产方式，还将对整个经济和社会产生深远影响。目前，全球许多国家和地区都在积极推进工业4.0的发展，以适应新的工业革命趋势。

2、工业 4.0 与 互联智能工厂

纵观当今行业 的发展，我们 发现先进的传感器 和通信技术越来越 受到重视，从而真正 实现了实时通信。其次，它围绕着 真正智能的横向、 纵向网络系统。联网机器人 和更强大的软件正在 不断进步。越来越多的工厂 根据供应链的变化、 需求的变化和全球 变化进行动态调整。他们通过不断分析 收集到的数据， 更迅速地做出决策。

我们早在 19 世纪初 就开始研究如何 利用动力来制造东西。所以，无论是 研究水力、蒸汽动力， 还是能源转换， 这都是早期 工业 1.0 的重点所在。2.0 真正关注的是 如何大规模生产大量产品， 并加强某种 质量控制， 以使不同产品 之间的偏差 最小化。3.0 更侧重于 计算机自动化 并真正改善整体效率， 更多地从手动装配 转向自动装配。实际上，我们处于 第四阶段的情形是， 我们进入了一个 更智能机器人的 世界。这些系统之间的 连接更加紧密， 还可以进行实时 动态对话和修改。

2019 年前后， 可以看到很多通信 都是基于现场总线， 或者仍是基于现场总线， 但越来越多地 采用工业以太网。时至今日，仍能 看到工业以太网的 发展。所以，现场总线仍然 市场的重要组成部分。这也是许多原始创新 或原始通信线路的 运作基础。但随着走向未来， 将继续看到 工业以太网市场 继续呈增长态势。您也会看到无线网络 有少量增长。但规模要小得多。

当进一步细分 工业以太网时， PROFINET 及其在当今市场上的应用， 与其他一些协议，比如 基于现场总线的 协议相比，以太网、 以太网 IP、EtherCAT 这些主要协议仍然非常 普遍，市场份额也在持续 增长。还有其他一些协议， 如 Modbus、Powerlink、 CC-Link 等，也继续保持 强劲的发展势头。但是，Profinet、 Ethernet IP 和 EtherCAT 这三大 主要协议，在许多 地区仍然占据主导地位。

此图片来源于网络

当今的众多系统可以分成 三个不同级别的层次。现场级是活动实际发生的 地方，无论是实际的 制造机器人，还是 工厂生产线上的 实际机械。再往上一级 是 PLC， 我们称之为控制级， 再往上一级是 操作员级。例如，操作员甚至 可能不在工厂内。可能在工厂外部 或远程位置。而在现场级， 很多分散的、 更直接的延迟、 更严格的延迟要求 才是真正的关键所在。

在现场级，我们也能 看到很多不同协议的 的采用或分配情况。某些协议对于 某些任务非常适用。那么，在现场级， 我们可以看到许多 不同的有线通信协议 在同一个系统中共存。当我们进入 操作员级时， 我们开始看到 更多的云连接、 更多基于人机界面 显示的用户输入，以及 整体上更多的智能， 可以对整个系统进行 更宏观的更改。所以，无论是工厂车间， 还是油气配送或供应链， 很多 东西都是这样 分解。很多工厂或仓库 都有这些相同的层级。

我们经常看到 工业网络连接着 许多不同类型的系统， 这些系统日复一日地 与我们接触，无论是 我们的电网还是 楼宇自动化、物流、 仓库和控制中心。当今看到的工业 网络已经远远超出 制造业的范畴。这些网络将传感器、 设备和控制系统 连接起来，真正帮助 实现集中和分散控制。

集中控制是指 我们在多个系统的 最高层做出更多决策。但分散控制也有更大的 需求和发展趋势。随着系统规模 越来越大，很多 系统开始出现 延时时间等问题， 或者无法实时 做出反应。所以，将其中一些 决策权下放，可以 让各个系统更快地 做出反应。因此， 集中式 和分散式系统的 发展趋势显然包括 实时监控，甚至远程 监控和维护，以及用于 高级分析和优化的 数据收集。这可能 是为了可扩展性、 可升级性。

所以，特别是在 当今这个时代， 我们已经经历了 供应链断裂的时期， 无论是由于不同的 地区原因还是成本原因， 或者是其他什么原因， 能够在不同时期 支持多个供应商 并能够将它们插入其中 也变得很关键。所以，需要具备 这种灵活性。总体而言，这些 工业网络 需要非常灵活， 才能完成所有 这些不同的任务。

此外，这些工业网络的 运行环境非常恶劣。它们必须覆盖 非常远的距离， 并且可以升级。所以，随着工厂的扩张 或复杂程度的提高， 工业网络也 需要能够适应。正因为如此，工业网络 还可以通过 提高产品质量、 提高产量或生产率， 来降低运营成本， 并继续扩大规模。

3、工业以太网 面临的一些挑战

工业以太网是基于IEEE 802.3（Ethernet）的强大的区域和单元网络。这种网络不仅广泛应用于企业内部的互联网（Intranet）和外部互联网（Extranet），而且还与国际互联网（Internet）相连，使得办公室自动化以及生产和过程自动化变得更加容易。

工业以太网由网络部件、连接部件（如工业以太网电气或光纤交换机）和通信介质（如普通双绞线、工业屏蔽双绞线和光纤）组成。为了应对严酷的工业环境并确保工业应用的安全可靠，工业以太网补充了许多重要的性能，如使用ISO和TCP/IP通讯协议、10/100M自适应传输速率、冗余24VDC供电、简单的机柜导轨安装、方便的构成星型、线型和环型拓扑结构等。

此外，工业以太网还提供了多种通信速率选择，如10M、100M和1G等，以满足不同用户的需求。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。在考虑选择工业以太网时，还需要考虑多种因素，如以太网通讯协议、电源、通信速率、工业环境认证、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能等。

然而，工业以太网也存在一些挑战和限制，如缺乏实时性和确定性、报文利用率低、回路供电和实时性环境适应等问题。尽管如此，由于其提供的无缝集成到多媒体世界的途径、广泛的应用前景和不断的技术创新，工业以太网仍被广泛视为第四次工业革命（工业4.0）的重要组成部分。

总的来说，工业以太网是一种强大的网络技术，它在满足工业生产需求的同时，也提供了与现代信息社会无缝连接的途径。随着技术的不断进步和应用领域的扩大，工业以太网将在未来的工业发展中发挥越来越重要的作用。

目前，工业以太网 面临的一些挑战包括： 一个是缺乏统一的网络。所以现有的许多基于 以太网的协议， 它们并不能很好地 协同运行。它们之间互不相通。而且，很多以太网网络 实际上是由不同的 标准机构开发的， 其目标功能和性能 并不十分一致。所以，有些以太网 标准机构实际上 将其他协议 也视为竞争对手。所以，必须 解决互操作性问题。此外，并非所有网络 设备都符合 IEEE 标准。例如，EtherCAT 和 PROFINET 就是一个很好的例子。这两种协议实际上 都有非标准的交换机 和硬件。所以，这可能会导致 设备和交换机的 MAC 更加特殊，需要 修改硬件设计和 软件。

那么未来的 网络是什么样的呢？ 随着工业以太网 进一步向前迈进， 一个关键的 热门话题领域实际上是 时间敏感网络， 即 TSN。TSN 实际上是 20 多个 IEEE 标准机构的集合， 这些机构正在共同努力， 旨在不同行业 之间实现更多 融合。很多 TSN 标准 仍在发展中。但从整体上看， 可以分为四类：

第一个是时间同步， 启用此功能后， 系统能够进行同步。尽管可能有 是不同的系统， 也可实现更多同步。

第二个是确定性通信， 为不同系统的交互 提供更多可预测或 有限制的时间。

第三个是冗余， 高可用性或 冗余网络。关键数据类型 优先于其他数据类型。

第四个是在不同类型的 协议中实现管理或 配置工具的标准化， 从而在更低的层次上 实现互操作性的 标准化和管理。

此外，支持工业通信子系统，一个独立的区块 可以真正隔离 大量的实时通信，以及将其扩展到千兆位以太网；可进行任何类型实时控制，如任意节点数量的电源控制或任意节点数量的电机控制。