隨著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化、數(shù)字化發(fā)展進程的不斷深入，其對于工業(yè)通訊技術(shù)的需求也日益提升，從而推動了現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線等工業(yè)通訊技術(shù)的快速發(fā)展。在智能制造背景下，未來基于智能機器柔性生產(chǎn)將實現(xiàn)產(chǎn)線靈活重構(gòu)，工廠的設計和內(nèi)部物流將會更加靈活、高效和自動化，這就需要合適的通訊架構(gòu)與全面的互聯(lián)互通通信。而這無疑將對于工業(yè)通訊技術(shù)提出新的需求， OPC UA、TSN、5G……，工業(yè)通訊網(wǎng)絡的未來將會走向何方？本期專題特邀請多位來自研究院所和企業(yè)的專家共同探討。

彭瑜：以太網(wǎng)延伸到現(xiàn)場層的技術(shù)進展和困惑

上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司教授級高級工程師、PLCopen中國組織名譽主席彭瑜教授

毫無疑問，現(xiàn)場層在工業(yè)通信中最為特殊，連接的設備數(shù)量最多，連接的信號形形色色。從工業(yè)數(shù)字通信發(fā)展的歷史看，現(xiàn)場總線從上世紀70年代開始研究，到大規(guī)模投入應用幾乎花了二十年的時間，形成的局面卻是幾十種互不兼容的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)在爭奪市場，列入國際標準IEC 61158中就有二十余種。于是為了現(xiàn)場設備集成和互操作還需要專門開發(fā)像FDT、EDDL這樣的規(guī)范，使控制系統(tǒng)在需要集成多種現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網(wǎng)時能夠支持相互間的數(shù)據(jù)交換。對于最終用戶來說只有接受這樣的現(xiàn)實，沒有別的選擇。

2018年OPC基金會的領(lǐng)導層高調(diào)宣稱，OPC UA將在Pub/Sub機制的基礎(chǔ)上開發(fā)延伸至現(xiàn)場層，把設備I/O、運動控制、安全等要求的通信全部納入，成為一種從云到現(xiàn)場通信的互操作平臺（見下圖）。這招致全球工業(yè)界一片叫好聲。在基金會公布的路線圖中，2019~2020年重點的任務是：解決OPC UA通信的確定性（將UA的Pub/Sub的傳輸映射到TSN中）以及解決流程工業(yè)和工廠自動化要求的現(xiàn)場通信。為此還專門成立了現(xiàn)場通信指導委員會（Field Level Communication Steering，F(xiàn)LC），參加委員會的包括各主要工業(yè)自動化的廠商。

實際的進展如何呢？在2019年將近年底的時候，德國一本專業(yè)的工業(yè)通信雜志刊登了曾擔任EtherCAT技術(shù)開發(fā)組織執(zhí)行主任17年的Martin Rostan先生撰寫的文章，詰問“現(xiàn)場總線的戰(zhàn)爭結(jié)束了嗎？”他指出，到目前為止OPC UA只能支持控制器之間的通信，從控制器到現(xiàn)場的通信還要依賴現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網(wǎng)。倍福和庫卡一直持這樣的立場，西門子、羅克韋爾自動化和三菱電機自動化也主張相同的路徑。他絕對不能想象這些公司會把他們的系統(tǒng)架構(gòu)倒置，把他們的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)PROFINET、EtherNet/IP和CC-Link IE作為犧牲放置在FLC的祭壇上。他還說，OPC TSN的方法基于7個IEEE 802.1的標準，由此又產(chǎn)生了7個附加的標準，僅僅IEEE 802.1Q這個標準就有2000頁。如果OPC UA延伸到現(xiàn)場通信，那么將來所有的有關(guān)現(xiàn)場的產(chǎn)品在測試時都要符合這7個標準。相比起來，現(xiàn)在的現(xiàn)場總線的標準要精益的多。言下之意是即使在技術(shù)上可行，但測試成本居高不下，產(chǎn)品也很難在市場上推廣。

我們知道把以太網(wǎng)單對雙絞線電纜延伸到現(xiàn)場層始于2011年汽車工業(yè)的推動。接著在流程行業(yè)中，在幾個最終用戶組織的催促鼓動下，由若干個解決方案供應商組成的小組開始了技術(shù)研究，目標是研發(fā)一種以太網(wǎng)先進物理層，既能適用于所有工業(yè)通信協(xié)議，又可解決長距離傳送，并可用于化工、石化等工業(yè)的易爆易燃的危險區(qū)。經(jīng)過5年的研究證實了這一解決方案的可行性。接著在2018年，在FieldComm組織聯(lián)合ODVA、PI等組織的推動下，西門子、ABB、羅克韋爾自動化、橫河、E+H、P+F、KROHNE、菲尼克斯等一些儀表供應商和其他相關(guān)的廠商，組織了一個將以太網(wǎng)用于現(xiàn)場的計劃，推動了制定工業(yè)級的基于IEEE以太網(wǎng)標準的解決方案。其首要目的是將現(xiàn)場的各類傳感器/執(zhí)行器及各種現(xiàn)場儀表和儀表裝置與基于IP的互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)接。目前進度是2019年IEEE標準委員會已經(jīng)正式批準，接下來的工作重心轉(zhuǎn)移到IEC，要在2020年和2021年完成在危險區(qū)防護方法等標準和一致性測試標準，預計在2022年即可投入使用。實際上德國P+F等公司已經(jīng)成功開發(fā)了相應的樣機和系統(tǒng)，就等相關(guān)的標準正式發(fā)布和進行相關(guān)的測試。經(jīng)過幾年時間構(gòu)筑這一技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)正在形成，囊括了從標準、網(wǎng)絡部署的電纜和接插件，到現(xiàn)場設備的試制到測試規(guī)范等，最終到在各行各業(yè)中應用，所有有關(guān)的項目都在緊鑼密鼓地進行中。

上述兩項與現(xiàn)場層通信相關(guān)的重要技術(shù)，在OSI 7層模型中后者是物理層，前者為應用層，都是為了適應智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的急迫需求在迅速發(fā)展中。不過從工作的進展和有效性來說，OPC UA over TSN延伸到現(xiàn)場顯然還差火候，還需要做許多的工作。特別是如果不能找到技術(shù)的可行性和未來相關(guān)產(chǎn)品的經(jīng)濟性之間的平衡，其市場前景還是難以預料的。

戴文斌：共同推動全新的標準網(wǎng)絡構(gòu)架

上海交通大學副教授戴文斌

通訊是生產(chǎn)性企業(yè)在向數(shù)字化轉(zhuǎn)型、網(wǎng)絡化協(xié)同的過程中非常重要的一環(huán)。那很多人可能有這樣的疑問：未來的工業(yè)通訊網(wǎng)絡是什么樣的形態(tài)？有哪些特征？我們怎么去實現(xiàn)它？我們就一一來聊聊這幾個問題。

首先，我們暢想一下未來的工業(yè)通訊網(wǎng)絡到底是個什么形態(tài)。在工業(yè)4.0的藍圖中，以工業(yè)物理系統(tǒng)（Industrial Cyber-PhysicalSystems）為核心的未來工業(yè)系統(tǒng)中設備與設備、設備與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)間都是以無線的形式連接在一起，而目前絕大多數(shù)的工業(yè)系統(tǒng)中都很難發(fā)現(xiàn)無線的蹤影。究其原因，主要是目前所有的無線通訊技術(shù)仍然無法滿足控制對實時性與可靠性的要求，雖然5G、Wi-Fi、WirelessHART等協(xié)議在工業(yè)已經(jīng)得到了應用，但仍以監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互以及視頻信號傳輸為主。即使5G主要面向低延時與高可靠的應用場景，但工業(yè)系統(tǒng)所遵從的最差情況與IT系統(tǒng)中廣泛使用的最好情況或者平均情況還是存在很大的距離，5G目前還是無法應用在實時控制中，在實時性與可靠性上與實時控制，特別是運動控制的需求還有一定的距離。因此，目前的無線技術(shù)仍然無法取代工業(yè)總線技術(shù)，以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)總線，甚至在遺留系統(tǒng)中有相當一大部分通訊仍然依仗基于RS485的總線，該總線在未來很長的一段時間內(nèi)仍然將是工業(yè)總線通訊的主力軍。而在監(jiān)控層以上的工業(yè)通訊將逐步出現(xiàn)有線與無線并存的局面，最終無線方案將占上風。

假設未來無線技術(shù)能夠滿足工業(yè)的要求，那新時代的工業(yè)通訊網(wǎng)絡又有哪些特征呢？其一，是即插即用的網(wǎng)絡節(jié)點能夠大幅度提升系統(tǒng)的靈活性。想象一下，未來工廠中所有節(jié)點都能夠生產(chǎn)訂單自組織形成滿足任務需求的靈活網(wǎng)絡，當生產(chǎn)完成時又能隨時退出這個網(wǎng)絡而加入新的網(wǎng)絡。真正的智能工廠是可以根據(jù)用戶自

己的選擇來動態(tài)重構(gòu)生產(chǎn)流程以滿足大規(guī)模定制化需求而無需人工干預，而不僅僅是在有限的集合中選擇自己的偏好。下一代工業(yè)總線標準TSN已經(jīng)在這方面邁出了堅實的一步，在實現(xiàn)微秒級時延以及納秒級抖動的基礎(chǔ)上，同時也定義了時間同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、負載整形等多種優(yōu)化機制。其二，是保證數(shù)據(jù)的安全，現(xiàn)有的工業(yè)通訊中由于實時性的限制以及不連接互聯(lián)網(wǎng)的情況下，數(shù)據(jù)安全的問題沒有曝露。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動下，當這些系統(tǒng)連接到公網(wǎng)后，數(shù)據(jù)安全問題就會集中爆發(fā)。因此，未來的工業(yè)通訊網(wǎng)絡應該在保證實時性與可靠性的基礎(chǔ)上，也能對數(shù)據(jù)進行加密與監(jiān)控，保證數(shù)據(jù)的隱私。

最后，我們要如何去實現(xiàn)這樣的未來工業(yè)網(wǎng)絡？顯然，以目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考構(gòu)架中仍然沿用TCP/UDP over IP的IT網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是很難實現(xiàn)這些特性的。因此，期待國內(nèi)各界能夠共同推動全新的標準網(wǎng)絡構(gòu)架，綜合考慮實時性、安全性、可靠性以及成本因素。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)任重道遠，腳踏實地走好每一步，認認真真解決每一個實際問題，少一點概念炒作，多一點落地方案，把卡住的脖子套出來。

劉丹：工業(yè)通信的未來發(fā)展趨勢

機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所副總工程師、教授級高工劉丹

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)界由原來比較封閉的自動化/運營技術(shù)（Operation Technology，OT）領(lǐng)域，逐漸向信息技術(shù)（Information Technology，IT）領(lǐng)域開放，OT和IT融合發(fā)展是工業(yè)通信必然的發(fā)展趨勢。

工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)絡，其發(fā)展呈現(xiàn)現(xiàn)場層和控制層專用網(wǎng)絡向管理層通用網(wǎng)絡延伸，有線到無線補充，以及新使能技術(shù)（如TSN、5G）不斷融合應用的新趨勢。目前全球范圍內(nèi)，工廠中新增工業(yè)自動化控制系統(tǒng)主要基于工業(yè)以太網(wǎng)，新現(xiàn)場總線設備市場增長緩慢或下降，可預見未來工業(yè)以太網(wǎng)將替代傳統(tǒng)現(xiàn)場總線。由于時間敏感網(wǎng)（TSN）在傳統(tǒng)以太網(wǎng)上增加可提供確定性服務的各種功能和性能，滿足了工業(yè)應用對實時、硬實時性能需求而引起廣泛關(guān)注，現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)紛紛與之融合，未來TSN可將作為工廠底層網(wǎng)絡的統(tǒng)一標準。另外，在流程工業(yè)由于對物理層有總線供電、本質(zhì)安全等特殊要求，現(xiàn)在國內(nèi)外正在開展可用于流程工業(yè)的二線制以太網(wǎng)（SPE）或高級物理層（APL）技術(shù)研究和應用。5G移動通信因其超低延時、超高帶寬、廣連接而成為當前工業(yè)通信最熱點技術(shù)之一。目前，5G已在視頻檢測、云化機器人、智能物流等工業(yè)應用方面得到成功應用案例，但5G在底層自動化控制、機器與機器（M2M）通信等實時通信方面的應用還處于研究試驗階段。

智能制造的基本功能要素之一是實現(xiàn)工廠業(yè)務管理、制造執(zhí)行和自動控制系統(tǒng)間的縱向集成，這就要求工業(yè)通信不僅僅是數(shù)據(jù)的傳輸，更是基于語義的互操作。OPC UA是新一代的基于語義和面向服務架構(gòu)（SOA）的OPC規(guī)范，將傳統(tǒng)OPC的所有功能集成到一個可擴展框架，并實現(xiàn)了跨平臺支持。鑒于其強大的建模能力，OPA UA天然適合用于工廠IT系統(tǒng)和OT系統(tǒng)的集成與互聯(lián)互通。

智能傳感器、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)作為賦能技術(shù)，必將大幅提升工業(yè)自動化控制系統(tǒng)和工業(yè)通信網(wǎng)絡的功能性能并促使其向智能化加速發(fā)展。當引入了新一代信息技術(shù)，從大系統(tǒng)大網(wǎng)絡角度，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)將演變成具有泛在感知、精準控制、優(yōu)化反饋、智能決策等智能化功能的智能工業(yè)系統(tǒng)和工業(yè)網(wǎng)絡，實質(zhì)上也是向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的演變。這些使能技術(shù)加速了制造模式的創(chuàng)新和智能制造系統(tǒng)的演進。

宋華振：從工業(yè)生產(chǎn)需求來看通信的發(fā)展趨勢

貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司技術(shù)傳播經(jīng)理宋華振

工業(yè)生產(chǎn)早期是以人力/畜力/水力等方式進行傳動，而控制也基本上都是人工的，感知和控制都是由人的大腦來完成的。維納控制論和香農(nóng)信息論奠定了現(xiàn)代控制與通信的基礎(chǔ)，通過通信的“周期性”傳輸將物理對象的狀態(tài)反饋給系統(tǒng)，然后去不斷調(diào)整控制策略，這構(gòu)成了整個現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)，那么通信就成了關(guān)鍵一環(huán)。隨即在流程工業(yè)出現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡，但是這個網(wǎng)絡主要在車間層而不是現(xiàn)場，現(xiàn)場層還是依賴于線纜的連接傳輸物理信號。而到了20世紀70年代有了總線技術(shù)，首先它是為了降低接線和系統(tǒng)配置診斷的工程成本，這個階段控制任務還是以主站為主。到了現(xiàn)場總線階段則可以實現(xiàn)分布式控制，從站具有了很強的本地執(zhí)行能力，然后進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。到了實時以太網(wǎng)階段，由于時間粒度已經(jīng)降低到了微秒級，那么協(xié)同控制，即主站和主站間、主站/從站間的通信瓶頸被消除了，網(wǎng)絡協(xié)同控制才能成為可能。這個中間總線主要是在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，各家總線為了軟件開發(fā)方便，也定義了各自的應用層標準，Microsoft也針對Windows系統(tǒng)與現(xiàn)場連接開發(fā)了OPC，包括流程領(lǐng)域FDT/DTM的規(guī)范，都是為了實現(xiàn)互操作層面的標準。

工業(yè)總線在ISO/OSI模型中通常還是由三層或五層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，以考慮實時性問題。而到了近期，隨著智能制造、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，又需要解決車間、MES/ERP、數(shù)字孿生、人工智能、云平臺等與現(xiàn)場連接的通信難題，即周期性和非周期性能不能在一個網(wǎng)絡里傳輸，又需要解決語義互操作的跨平臺交互問題。這個時候，人們又回到當時以太網(wǎng)初期階段，是否可以讓標準以太網(wǎng)有實時性呢？因此開始了TSN技術(shù)的開發(fā)。這一技術(shù)旨在借助于IT的廣泛性降低網(wǎng)絡實現(xiàn)成本，并由獨立于任何廠商的IEEE/IEC來發(fā)展產(chǎn)業(yè)共同的通信規(guī)范與標準。在應用層，原有的OPC只能針對Windows無法滿足要求，于是推出了統(tǒng)一架構(gòu)OPC UA，OPC UA不僅解決IT與OT的通信連接，還解決信息建模，這就為數(shù)字孿生、人工智能提供了模型，便于更為快速的實現(xiàn)優(yōu)化應用，降低因此而需的工程集成成本。因此，工業(yè)通信的發(fā)展是一個不斷融合、簡化，并以用戶需求為導向的過程，滿足工業(yè)更為簡單的連接、更便利的工程集成、更為開放的訴求。

張晗宜：淺談TSN（時間敏感網(wǎng)絡）的應用趨勢

百通赫思曼中國區(qū)高級技術(shù)經(jīng)理張晗宜

機器智能技術(shù)的進步，也推動了自動化領(lǐng)域的進步，工業(yè)自動化目前正在從工業(yè)3.0升級到工業(yè)4.0，升級轉(zhuǎn)型的內(nèi)容包括智能設備的部署，高級分析軟件和機器學習的結(jié)合使生產(chǎn)設施更加智能化等。同時整個工業(yè)系統(tǒng)的框架也從“自動化金字塔結(jié)構(gòu)”過渡到“自動化柱狀結(jié)構(gòu)”，如下圖所示：

在新的柱狀架構(gòu)中，控制層將消失：部分控制功能下移至現(xiàn)場級，以分布式控制的方式實現(xiàn)例如運動控制或者安全控制等。另外部分控制功能上移到管理層，通過例如PLC虛擬化的方式實現(xiàn)集中式控制。

而位于現(xiàn)場層和管理層之間的連接層為底層和上層的互聯(lián)互通，提供高帶寬、低延遲、低抖動的網(wǎng)絡傳輸，從而實現(xiàn)現(xiàn)場傳感器到上層甚至到云端的應用。

TSN對不同種類數(shù)據(jù)的“調(diào)度”處理行為類似高速公路，例如應急車道是預留出來給“高優(yōu)先級”的“應急車輛”通行的，因此哪怕其他車道上流量較高，應急車輛的通行始終不會受到影響。TSN會為不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)（或者是不同種類的應用數(shù)據(jù)，即根據(jù)不同應用劃分優(yōu)先級）分配網(wǎng)絡“通道”，從而保證每種不同應用數(shù)據(jù)對延遲、抖動等網(wǎng)絡通信傳輸?shù)囊蠖寄軌虻玫綕M足。基于TSN網(wǎng)絡的這種特性能夠帶來的優(yōu)勢之一，即可以將原先各自獨立的應用系統(tǒng)整合到一張網(wǎng)里，既可以節(jié)約企業(yè)對網(wǎng)絡基礎(chǔ)架構(gòu)投資的成本，也可以實現(xiàn)在同一個自動化工廠內(nèi)所有應用的互聯(lián)互通。因此在IIoT和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐步開始部署的今天，TSN可以作為承載整個自動化車間網(wǎng)絡的信息高速公路。

TSN除在傳統(tǒng)自動化工廠內(nèi)的應用之外，在當今另一個熱點技術(shù)行業(yè)也有著極大應用空間——無人駕駛。

如今的汽車內(nèi)部裝備了大量車載電子控制單元和數(shù)字傳感器，甚至裝配了GPU顯卡來實時運算處理攝像頭傳回的畫面數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)自動駕駛，新技術(shù)的革新推動了對網(wǎng)絡物理連接端口以及高質(zhì)量網(wǎng)絡通信的更大需求。

傳統(tǒng)的汽車內(nèi)部有包括CAN總線，F(xiàn)lexRay等不同控制協(xié)議，這些協(xié)議之間并不兼容，因此物理上需要部署各自獨立的網(wǎng)絡。其劣勢在于物理上獨立部署多套網(wǎng)絡需要單獨布線，從而增加了線纜的成本和重量，而線纜重量的增加也直接影響到汽車的燃油經(jīng)濟性，其次這些傳統(tǒng)協(xié)議網(wǎng)絡的帶寬相對于以太網(wǎng)都非常小，無法滿足當今汽車無人駕駛系統(tǒng)對帶寬的需求。

TSN技術(shù)將為當今的汽車行業(yè)帶來革命性的技術(shù)進步——將原本非以太網(wǎng)且互不兼容的車內(nèi)總線協(xié)議替換成基于TSN的標準以太網(wǎng)協(xié)議。以太網(wǎng)的標準化特性使得從車內(nèi)各傳感器之間到云端服務器可以實現(xiàn)互聯(lián)互通，同時只需要物理上部署一套網(wǎng)絡，既節(jié)約了線纜的成本也減輕了汽車的重量，TSN可以為車內(nèi)控制系統(tǒng)提供低延時、低抖動、高帶寬的網(wǎng)絡傳輸，相信在不久的將來TSN會在汽車行業(yè)和無人駕駛領(lǐng)域有廣泛的部署和應用。

摘自《自動化博覽》2020年5月刊