自從德國率先提出《工業(yè)4.0》之后，世界各制造業(yè)大國都紛紛出臺了自己以新一輪工業(yè)革命為指向的智能制造戰(zhàn)略，如中國的《中國制造2025》、美國《先進制造業(yè)伙伴計劃》、法國《新工業(yè)法國》等。這些新工業(yè)革命的計劃雖然各有不同，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)革命的一個核心目的，就是將傳統(tǒng)的規(guī)模化和標準化的工業(yè)制造模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢咭?guī)?；投ㄖ苹男履Ｊ?，即讓工業(yè)生產(chǎn)在確保效率和效益的前提下實現(xiàn)最大限度的靈活性。要想達到這樣的目標，一個重要的前提就是在充分數(shù)據(jù)基礎上的精準決策和及時響應，在這個過程中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將發(fā)揮基礎性的作用。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備連接起來。

工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備的組網(wǎng)和互連技術(shù)，包括有線和無線兩種。在有線網(wǎng)絡中，工業(yè)以太網(wǎng)是目前公認最具發(fā)展前景的技術(shù)。

顧名思義，工業(yè)以太網(wǎng)就是應用于工業(yè)控制領域的以太網(wǎng)技術(shù)，它與商用標準以太網(wǎng)兼容，但是由于工業(yè)應用場景的特殊性，又增添了很多適應性的特性，比如實時性、可靠性、安全性、總線供電，以及可管理性等等。

經(jīng)過多年的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)演化出多個成熟的商業(yè)化的應用層協(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)勢息息相關。

首先，以太網(wǎng)是應用最廣泛的計算機網(wǎng)絡技術(shù)，過年來積累了豐富的生態(tài)資源支持，這些資源都可供工業(yè)以太網(wǎng)使用；

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

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

再有，采用同樣的以太網(wǎng)網(wǎng)路架構(gòu)，有利于實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡與企業(yè)信息網(wǎng)絡的無縫連接；

最后，以太網(wǎng)技術(shù)的開放性和兼容性，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上，構(gòu)建“一網(wǎng)到底”的工業(yè)有線網(wǎng)絡架構(gòu)。

TSN與“一網(wǎng)到底”

但是，實現(xiàn)這種“一網(wǎng)到底”的理想，路途中還是會遇到很多溝溝坎坎。理想中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不但要實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場（OT域）中各個設備之間的連接，也需要考慮與基于標準以太網(wǎng)的企業(yè)信息管理系統(tǒng)（IT域）的無縫連接。

而現(xiàn)實的情況是，當今很多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之間是不能彼此互用的，與標準以太網(wǎng)的互聯(lián)互通也不完美；同時越來越智能化的生產(chǎn)設備可能需要連接不同的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡，而每種網(wǎng)絡都運行特定的協(xié)議……

為了解決這些問題，讓數(shù)據(jù)能夠在不同網(wǎng)絡之間無障礙地傳輸，就需要部署各種各樣的網(wǎng)關，這無疑會增加整個網(wǎng)絡的復雜性和成本。

圖1，工業(yè)設備互連框圖（來源：AVNU）

為了應對這些挑戰(zhàn)，IEEE成立了專門的TSN（時間敏感型網(wǎng)絡）團隊去解決這一問題。TSN實際上是脫胎于IEEE在2004年開始發(fā)展的音頻/視頻橋接(AVB)標準，這是一個音頻/視頻流傳輸標準，主要定義網(wǎng)絡設備時間同步、流量整形及準入控制，當大家意識到這一標準可以為更精確的以太網(wǎng)流量管理提供一個框架，在工業(yè)領域也有很大的發(fā)展?jié)摿χ?，將其更名為TSN，并且開始修訂802標準系列以應對工業(yè)等應用之需。

TNS包含一系列技術(shù)，其關注的重點是采用一個本質(zhì)上非確定性的以太網(wǎng)絡，并使其具備確定的最小延時。人們希望采用TNS之后，企業(yè)只需部署一種IEEE標準以太網(wǎng)網(wǎng)絡，就能既傳輸OT系統(tǒng)中對實時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“一網(wǎng)到底”的工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)的實現(xiàn)。目前NXP等芯片廠商也已經(jīng)推出了支持TNS的網(wǎng)絡處理器及解決方案。

工業(yè)無線互連

除了有線網(wǎng)絡，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中當然也少不了無線互連技術(shù)的身影，它們通常去負責生產(chǎn)設備與傳感器、執(zhí)行器、現(xiàn)場儀表等大量分布式的網(wǎng)絡邊緣節(jié)點之間的連接和數(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)議的無線能力，是第一個過程自動化領域的無線傳感器網(wǎng)絡國際標準，彌補了高可靠、低功耗及低成本的工業(yè)無線通信市場的空缺。有之前大量HART設備用戶做基礎，WirelessHART發(fā)展不容小覷。

ISA100.11a：是第一個開放的、面向多種工業(yè)應用的標準族，可支持的無線設備包括傳感器、執(zhí)行器、無線手持設備等現(xiàn)場自動化設備，具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、準確、實時、低功耗等特點，同時也考慮了與其他短距離無線網(wǎng)絡的共存性問題。目前這一標準在歐美企業(yè)中已見中等規(guī)模的網(wǎng)絡部署。

WIA：是一種高可靠性、超低功耗的智能多跳無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)，可實現(xiàn)自組織、自治愈的Mesh網(wǎng)絡，包括WIA-PA和WIA-FA兩項IEC國際標準。WIA-PA是一種適合于復雜工業(yè)環(huán)境應用的無線通信網(wǎng)絡協(xié)議，在冶金、石化等領域已得到應用； WIA-FA技術(shù)是針對工廠自動化高實時、高可靠性要求的無線技術(shù)，可廣泛應用于離散制造業(yè)裝備與傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)等建立安全、可靠、硬實時的無線連接。

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

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

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

圖2，安富利開發(fā)的NB-IoT開發(fā)平臺，方便開發(fā)者將LPWAN技術(shù)應用于工業(yè)抄表和傳感網(wǎng)絡