工业以太网网络互联技术与发展*

于会群，黄贻海，彭道刚，王宜雪，马 涛

(上海电力大学 自动化工程学院，上海 200090)

0 引言

随着网络节点设备的不断增加以及对数据传输的时效性要求不断提高，工业通信技术由工业现场总线发展到工业以太网，再到现在的工业无线网络。2013 年汉诺威工业展宣告第四次工业革命的开始[1]，其主旨是将互联网融入生产制造，实现开放兼容、多元协同、分布互联的现代化工业控制网络。

在工业4.0 和工业互联网的推动下，工业通信技术正从现场层和控制层网络向管理应用层网络延伸的趋势发展，以实现整个工厂网络垂直方向的互联互通。目前，工厂中新增的自动化控制系统主要基于工业以太网，工业现场总线新安装节点在市场占有率增长缓慢甚至下降[2]。由此预见，未来工业以太网会逐渐替代工业现场总线。

市场上存在着诸多不同标准的工业以太网协议，在实际应用中，实现网络中不同标准的工业以太网协议互联互通，是当前需要解决的主要问题之一。本文对工业网络市场和工业以太网协议进行分析，并结合我国工业以太网和工业互联网的发展现状，提出可行性建议。

1 工业网络发展现状

1.1 工业互联网发展现状

在推进现代工厂向智能化、数字化转型的过程中，世界多个国家提出了各自的工业互联网参考体系架构，例如德国的RAMI4.0(Reference Architecture Model Industry 4.0，工业4.0 参考架构)[3]、美国的IIRA（Industrial Internet Reference Architecture，工业互联网参考架构）以及日本的IVRA(Industrial Value Chain Reference Architecture，工业价值链参考架构)等。

《工业互联网体系架构（版本1.0）》由中国工业互联网产业联盟在2016 年发布，提出了工业互联网应包含网络、数据、安全三大体系。其中，“网络”是工业互联网的基础。2020 年正式发布的《工业互联网体系架构（版本2.0）》，在体系架构1.0 的基础上对“网络、数据、安全”体系重新整合为现在的“网络、平台、安全”三大体系。工业互联网的网络体系通过构建工业环境下人、设备、车间等主体的全面互联，实现工业制造链各生产要素的泛在互联以及数据的顺畅流通[4-5]。

中国工业互联网专项工作组在2021 年印发《工业互联网创新发展行动计划（2021 年—2023 年）》[6]，对我国未来3 年内工业互联网发展提出了“3+3”行动发展目标，即实施供给质量提升三大行动、产业集群培养三大行动。

1.2 工业网络市场分析

随着工业互联网的发展，工业设备互联的需求不断增加，大量工业设备与工业网络连接是实现现代工厂向智能化、数字化转型的基础，工业以太网和工业无线网络在其巨大的需求下迅速成长。HMS Networks 每年度对工业网络市场进行分析，通过对全球自动化工厂的新配置节点数目统计[7]，估计每一年度现场总线、工业以太网和无线的市场份额。图1 为2017 年至2021 年工业通信技术的市场份额变化图。

图1 2017 年至2021 年工业通信技术的市场份额变化图

通过比较近5 年所发布的工业网络市场份额报告，工业以太网保持稳定的增长速度，并在2021 年占全球自动化新安装节点市场的65%，反观工业现场总线新安装节点市场占有率呈下降趋势，未来工业以太网将继续向工业现场总线中占据更多的市场份额，逐渐替代工业现场总线，成为工业互联网发展的重要技术。

我国《工业互联网创新发展成效报告(2018-2021 年)》显示[8]，“工业互联网创新发展工程”已带动实体经济总投资近700 亿元，连接设备超过7 600 万台/套，工业数字化装备、工业自动化等与软件相关的核心企业规模年均增长超过20%，展示了我国工业互联网市场具备庞大的发展潜力。

1.3 工业以太网类型

工业以太网与标准以太网相比，具备更稳定可靠的连接器、电缆，具有确定性的实时数据交换和小于1 ms的同步循环时间[9]，因此工业以太网更符合工业现场各项严苛的要求。一些工业以太网在标准以太网协议的基础上进行适当修改，克服了标准以太网因采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多路访问技术)而导致的不确定性和时延，提高了数据在网络中传输的实时性。目前，国际上使用的工业以太网协议按照所使用的原理可以基本分成：基于TCP/IP 协议、基于标准以太网和基于修改的以太网，图2为三种类型的工业以太网协议的本质设计理念。

图2 三种类型工业以太网协议本质设计理念图

其中，Modbus-TCP、EtherNet/IP、POWERLINK、PROFINET、EtherCAT 是当前国际市场5 种主流的工业以太网协议。

(1)基于TCP/IP 协议：Modbus-TCP[10]、EtherNet/IP 是采用TCP/IP 协议的工业以太网类型中使用最广泛的。基于TCP/IP 协议的工业以太网协议处于OSI 模型(Open System Interconnection，开放式系统互连模型)的第七层应用层，对实时性的要求不高[11]，通常采用优先调度策略、修改优先级设定、完善网络拓扑等上层控制手段，是实现工业通信较为简单的协议。

(2)基于标准以太网：POWERLINK、PROFINET RT 使用标准的以太网硬件，通过在TCP/IP 协议栈中添加时间控制层控制数据传输过程，有效消除标准以太网的不确定性，从而达到实时可控效果[12]。因此与基于TCP/IP协议的工业以太网协议相比，POWERLINK、PROFINET RT 具有更高的实时性。

(3)基于修改的以太网：EtherCAT、PROFINET IRT 对标准以太网协议进行了修改并兼容标准以太网，在物理层使用专有的芯片，实现实时通信控制。在三种类型中，基于修改的以太网类型的工业以太网协议是实时性最强的，但成本较高[13]。

1.4 工业网络互联存在的问题

1.4.1 技术隔离

进入IEC 国际标准的工业现场总线和工业以太网种类多达数十种，但是因为支持的厂商和开发的组织不同，使得每种网络协议都有不同的物理接口、传输机制和对象要求，各厂商组织为维护自身的利益，优先推广自己的技术而不兼容其他厂商的技术，导致不同网络协议的设备之间数据传输困难。因此大部分协议标准常常自成体系，形成一个个封闭的软硬件系统。

1.4.2 必要的资产保留

一方面，工业控制网络往往需要多种网络协议共同运作，从现场层采集的数据传输至管理应用层时，需要协议转换网关将不同的协议类型数据重新包装和转发[14]，才能使数据在不同协议组成的异构网络内部以及各网络层之间无障碍传输。另一方面，现阶段工厂底层大量的传感器、执行器等终端设备通过工业现场总线与外部系统通信，如果直接弃用原有设备而直接安装新的工业以太网设备，不仅需要大量的成本，还是对原有资产的浪费[15]，因此仍需要协议转换网关作为新旧设备连接的桥梁。

1.4.3 我国对工业以太网研究尚浅

从我国整体制造业的实力分析，我国制造业信息化程度不高，与工业化融合度不足[16]，传感器关键技术、工业通信技术等重要技术仍滞后于欧美日等发达国家，并且缺乏足够的资金去储备人才、研发技术、培养企业、宣传产品。在工业互联网的推动下，国内大型企业可以依靠自身的规模和资金，购买新型的工业以太网设备和系统，但是众多中小型企业无法突破成本的限制，因此中小型企业对技术更为成熟的工业现场总线接纳程度仍然较高，长期来看，我国工业以太网技术仍会和工业现场总线并存。

1.4.4 我国工业互联网标准体系不完善

目前我国工业互联网标准体系不完善，是我国与发达国家在实现工厂智能化、数字化目标的巨大差距之一[17]。虽然在框架、标准、测试、安全等方面取得初步进展，但是与发达国家相比，总体发展水平及显示基础仍不高，产业支撑能力不足，核心技术和产品对外依赖程度较高，关键平台综合能力不强，缺乏龙头企业引领。

2 工业以太网与新技术融合

2.1 工业以太网与双线以太网

在工业互联网的推动下，许多智能制造型企业已经实现从企业层、管理层、监督层到控制层的以太网部署。然而，在工业底层连接大量传感器、控制器和终端设备的工业现场总线，因自身的高度分散性和技术专有性，使得多种不可互操作的总线技术方案应用于现场层。

SPE(Single Pair Ethernet，单对以太网)也叫双线以太网，是采用单对双绞线作为传输介质的以太网技术。相对于传统四对以太网技术，具备更轻的质量、更低廉的成本，以及在1 km 的传输距离上提供10 Mb/s 的传输速度等优势[18]。

IEEE802.3 以太网工作组早在2016 年开始对SPE进行研究，并在2019 年通过了IEEE802.3 以太网标准，称为10BASE-T1L[19]。工业以太网标准技术的完善将不断推动SPE 的发展，并不断向现场层延伸，逐渐替代高度分散的工业现场总线，SPE 是实现以太网“一网到底”和工业网络互联的关键。

2.2 工业以太网与时间敏感网络

理想的工业以太网网络应是既能传输来自OT(Operational Technology，运营技术)网络的实时数据，又能传输IT(Information Technology，信息技术)网络的大吞吐量数据的融合性网络。各工业以太网开发商为保证工业以太网的实时性和确定性，对以太网协议改造的思路和设计不尽相同，因此也造就了目前各工业以太网协议在网络内部难以互联互通，工厂内需要安置大量的协议转换网关解决该问题。

TSN(Time Sensitive Networking，时间敏感网络)是工作在OSI 模型的第二层数据链路层的协议，是对第二层实时机制的标准化，能够为工业网络提供时间同步、调度和流量整型以及通信路径的选择、预留和容错等功能[20-21]。图3 展示了TSN 在工业网络中的位置。

图3 TSN 在工业网络中位置示意图

目前，TSN 已经在IEEE802.1 标准框架下定义了一系列子标准，在确保以太网数据传输实时性和确定性的同时，使不同的工业以太网协议互通互联成为可能。未来TSN 协议可以在标准IEEE 硬件上运行，基于TCP/IP和基于标准以太网类型的工业以太网协议可以在标准以太网硬件上实现高精度时间同步、低抖动、带宽预留等功能[22]。

2.3 工业以太网与语义互操作

网络互联需要做到互联、互通、语义互操作三个层面，工业以太网可以解决互联、互通的问题，但是却无法解决系统语义不统一的问题。

OPC UA(Open Platform Communication Unified Architecture，开放平台通信统一架构)是OSI 第七层应用层的协议集，定义了一套通用的数据描述和信息模型，每种系统可以通过OPC UA 向其他系统获取和采集实时数据和历史信息[23-24]。换言之，OPC UA 允许使用不同工业以太网协议且在不同操作平台上运行的工业设备相互通信。

目前国外对OPC UA 标准的研究更加深入和全面，例如德国Unified Automation 公司、波兰自动化设备CAS公司已经完成对OPC UA 可视化信息模型设计工具，为实现OPC UA 标准的信息建模提供了极大的便利。国内对OPC UA 的研究仍在各大学院内进行，还未形成一个完整的成熟体系，一般企业还未将OPC UA 应用在现实生产中[25]。

3 现阶段网络互联发展建议

3.1 推进OPC UA over TSN

OPC UA 在机制上已经覆盖了OSI 模型的应用层、会话层和表示层，不仅可以在水平方向集成多个品牌的控制器，还可以在垂直方向上将工厂设备连接到云端，可以与工业以太网结合，使数据在多个维度集成。在未来OPC UA 可以通过与TSN 融合形成新的自动化控制网络，图4 展示了OPC UA over TSN 的OSI 参考模型。

图4 OPC UA over TSN 的OSI 参考模型

3.2 与工业现场总线结合

目前，工业现场总线技术日益成熟，在国内仍广泛应用于汽车制造、工业控制、机器人网络互联和大型仪器设备等领域[26-27]，但是整体技术上缺乏统一标准，对数据统一管理较为困难。工业以太网本身兼容标准以太网，具有确定性、实时性等特点，拥有全球统一标准，所以工业以太网在实际应用中能与其他系统衔接与结合，但是应用在工业现场层仍存在一些不足和缺点。因此将工业以太网与工业现场总线相结合是一种非常必要的应用途径[28]，两者优势互补，提高我国工业网络通信的整体效果。

现阶段工业以太网不断提高数据传输的确定性和实时性，并注重与其他技术融合，在不久的将来，工业以太网与工业现场总线的结合会更加紧密。

3.3 自主研发物联网网关

在工业互联网和国家政策的推动下，我国工业以太网市场将飞速增长，对网关的需求量也随之增长。但是我国工业以太网技术研究尚浅，工业现场仍存在大量的基础设备和具有长时间更换周期的硬件，必须通过安装大量的协议转换网关，将控制层工业以太网网络和现场层工业总线进行连接。对于国内大部分中小型企业，工业现场总线遗留的资产通过协议转换网关整合到自动化或企业架构中是非常必要的。

因为工业以太网与工业现场总线的结合仍需要一段时间，这就需要国内大型企业发挥引领作用，对工业以太网技术进行系统研究，开发系列产品[29]。目前国内宏电和研华的相关网关产品代表国内一线水平，尤其在华为5G 工业模组技术加持下迅速发展。中小型企业通过研发自己的相关产品，满足相应的市场需求，占据对应的市场份额。

3.4 完善工业互联网体系

工业互联网产业联盟在2021 年12 月发布了《工业互联网标准体系(版本3.0)》，该版本整理了已有工业互联网标准以及未来需要制定的标准，形成统一、综合、开放的工业互联网标准体系。

但是体系的标准化仍无法快速实现工业互联网，我国虽然在上层应用领域有一定的成果，但是缺乏底层技术的自主权。在一些工业特定技术领域中，如工业以太网，中国企业的专利布局数量相对落后于欧美企业。虽然我国自主研发的EPA(Ethernet for Plant Automation)工业以太网协议已经在工厂中应用，但是总体上我国仍缺乏自主研发的技术。未来，我国在继续推进工业互联网建设的过程中，要以国家政策为指导，明确工业互联网发展路线，并催生新产业新业态；以市场需求为牵引，构建和拓展国际和国内的工业互联网市场；以实践为核心，工业互联网并不是简单的“工业+互联网”，需要紧密地与工业制造相结合，满足工业制造的需求，最终实现产业链与供应链的高水平协同发展。

4 结论

综上所述，我国正大力发展工业互联网，随着工业通信技术和工业需求的不断提高，工业以太网在近些年取得了长足发展。虽然目前工业网络通信仍存在互联互通障碍，但是工业以太网与SPE、TSN 等新技术的融合，优势互补，在未来各工业以太网协议之间能进行无障碍沟通，实现工业以太网在工业网络中全方面覆盖。当前，我国工业以太网发展程度较低，将工业以太网与技术更加成熟的工业现场总线结合，能满足现阶段工业领域对工业底层控制的网络技术需求。我国将不断完善工业互联网体系，在未来紧随国际新技术发展的脚步，完成现代工厂向智能化、数字化转型的目标。