自從德國(guó)率先提出《工業(yè)4.0》之后，世界各制造業(yè)大國(guó)都紛紛出臺(tái)了自己以新一輪工業(yè)革命為指向的智能制造戰(zhàn)略，如中國(guó)的《中國(guó)制造2025》、美國(guó)《先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃》、法國(guó)《新工業(yè)法國(guó)》等。這些新工業(yè)革命的計(jì)劃雖然各有不同，但其內(nèi)涵卻有異曲同工之妙。

按照比較通俗的理解，新工業(yè)革命的一個(gè)核心目的，就是將傳統(tǒng)的規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)制造模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢咭?guī)模化和定制化的新模式，即讓工業(yè)生產(chǎn)在確保效率和效益的前提下實(shí)現(xiàn)最大限度的靈活性。要想達(dá)到這樣的目標(biāo)，一個(gè)重要的前提就是在充分?jǐn)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上的精準(zhǔn)決策和及時(shí)響應(yīng)，在這個(gè)過(guò)程中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將發(fā)揮基礎(chǔ)性的作用。而構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的第一步，就是要將那些參與生產(chǎn)制造的各種各樣的設(shè)備連接起來(lái)。

工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的組網(wǎng)和互連技術(shù)，包括有線和無(wú)線兩種。在有線網(wǎng)絡(luò)中，工業(yè)以太網(wǎng)是目前公認(rèn)最具發(fā)展前景的技術(shù)。

顧名思義，工業(yè)以太網(wǎng)就是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，它與商用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容，但是由于工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，又增添了很多適應(yīng)性的特性，比如實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性、總線供電，以及可管理性等等。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)演化出多個(gè)成熟的商業(yè)化的應(yīng)用層協(xié)議，比如HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP等。

工業(yè)以太網(wǎng)之所以備受青睞，與其自身的優(yōu)勢(shì)息息相關(guān)。

首先，以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，過(guò)年來(lái)積累了豐富的生態(tài)資源支持，這些資源都可供工業(yè)以太網(wǎng)使用；

其次，建立在廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，工業(yè)以太網(wǎng)的部署在軟硬件成本上都會(huì)更為低廉；

第三，在數(shù)據(jù)傳輸速率上，以太網(wǎng)與其他工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線相比，有明顯的優(yōu)勢(shì)，這是一個(gè)不容拒絕的硬指標(biāo)；

再有，采用同樣的以太網(wǎng)網(wǎng)路架構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接；

最后，以太網(wǎng)技術(shù)的開(kāi)放性和兼容性，為工業(yè)以太網(wǎng)后續(xù)的發(fā)展提供了更大的可擴(kuò)展空間，這與工業(yè)4.0的調(diào)性也是十分吻合的。

因此，工業(yè)以太網(wǎng)通常會(huì)被作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心骨架，人們也一直希望在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建“一網(wǎng)到底”的工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

TSN與“一網(wǎng)到底”

但是，實(shí)現(xiàn)這種“一網(wǎng)到底”的理想，路途中還是會(huì)遇到很多溝溝坎坎。理想中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不但要實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)（OT域）中各個(gè)設(shè)備之間的連接，也需要考慮與基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的企業(yè)信息管理系統(tǒng)（IT域）的無(wú)縫連接。

而現(xiàn)實(shí)的情況是，當(dāng)今很多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之間是不能彼此互用的，與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的互聯(lián)互通也不完美；同時(shí)越來(lái)越智能化的生產(chǎn)設(shè)備可能需要連接不同的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，而每種網(wǎng)絡(luò)都運(yùn)行特定的協(xié)議……

為了解決這些問(wèn)題，讓數(shù)據(jù)能夠在不同網(wǎng)絡(luò)之間無(wú)障礙地傳輸，就需要部署各種各樣的網(wǎng)關(guān)，這無(wú)疑會(huì)增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和成本。

圖1，工業(yè)設(shè)備互連框圖（來(lái)源：AVNU）

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，IEEE成立了專門的TSN（時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)）團(tuán)隊(duì)去解決這一問(wèn)題。TSN實(shí)際上是脫胎于IEEE在2004年開(kāi)始發(fā)展的音頻/視頻橋接(AVB)標(biāo)準(zhǔn)，這是一個(gè)音頻/視頻流傳輸標(biāo)準(zhǔn)，主要定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)間同步、流量整形及準(zhǔn)入控制，當(dāng)大家意識(shí)到這一標(biāo)準(zhǔn)可以為更精確的以太網(wǎng)流量管理提供一個(gè)框架，在工業(yè)領(lǐng)域也有很大的發(fā)展?jié)摿χ螅瑢⑵涓麨門SN，并且開(kāi)始修訂802標(biāo)準(zhǔn)系列以應(yīng)對(duì)工業(yè)等應(yīng)用之需。

TNS包含一系列技術(shù)，其關(guān)注的重點(diǎn)是采用一個(gè)本質(zhì)上非確定性的以太網(wǎng)絡(luò)，并使其具備確定的最小延時(shí)。人們希望采用TNS之后，企業(yè)只需部署一種IEEE標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，就能既傳輸OT系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制流量，又傳輸IT系統(tǒng)中普通以太網(wǎng)流量。

這將有力推動(dòng)“一網(wǎng)到底”的工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。目前NXP等芯片廠商也已經(jīng)推出了支持TNS的網(wǎng)絡(luò)處理器及解決方案。

工業(yè)無(wú)線互連

除了有線網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中當(dāng)然也少不了無(wú)線互連技術(shù)的身影，它們通常去負(fù)責(zé)生產(chǎn)設(shè)備與傳感器、執(zhí)行器、現(xiàn)場(chǎng)儀表等大量分布式的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)之間的連接和數(shù)據(jù)交互。目前主流的專用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)有三種：

WirelessHART：作為HART7技術(shù)規(guī)范的一部分，它增加了HART協(xié)議的無(wú)線能力，是第一個(gè)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)了高可靠、低功耗及低成本的工業(yè)無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺。有之前大量HART設(shè)備用戶做基礎(chǔ)，WirelessHART發(fā)展不容小覷。

ISA100.11a：是第一個(gè)開(kāi)放的、面向多種工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)族，可支持的無(wú)線設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行器、無(wú)線手持設(shè)備等現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備，具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、低功耗等特點(diǎn)，同時(shí)也考慮了與其他短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存性問(wèn)題。目前這一標(biāo)準(zhǔn)在歐美企業(yè)中已見(jiàn)中等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署。

WIA：是一種高可靠性、超低功耗的智能多跳無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自組織、自治愈的Mesh網(wǎng)絡(luò)，包括WIA-PA和WIA-FA兩項(xiàng)IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。WIA-PA是一種適合于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在冶金、石化等領(lǐng)域已得到應(yīng)用； WIA-FA技術(shù)是針對(duì)工廠自動(dòng)化高實(shí)時(shí)、高可靠性要求的無(wú)線技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于離散制造業(yè)裝備與傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等建立安全、可靠、硬實(shí)時(shí)的無(wú)線連接。

表1，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主流無(wú)線通信技術(shù)特性

除了上述的三種專用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)，其他通用的無(wú)線技術(shù)也在向工業(yè)領(lǐng)域滲透， 不論是WiFi、ZigBee、BLE等無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議，還是LTE-M、NB-IoT等低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）技術(shù)，以及NFC這種近場(chǎng)無(wú)線通信技術(shù)，都已將工業(yè)作為一個(gè)重要的市場(chǎng)支點(diǎn)，希望在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中切得自己的一份“蛋糕”。

總之，以不斷進(jìn)化的工業(yè)以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸主框架，以多元化的無(wú)線通信技術(shù)作為快速外延的數(shù)據(jù)觸角，一個(gè)龐大而細(xì)密的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在我們面前展開(kāi)。以此為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)將會(huì)成為一種新的“燃料”，為新的工業(yè)革命提供源源不斷的能量。

圖2，安富利開(kāi)發(fā)的NB-IoT開(kāi)發(fā)平臺(tái)，方便開(kāi)發(fā)者將LPWAN技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)抄表和傳感網(wǎng)絡(luò)