測控網、物聯網、互聯網，於工業“是什麼”與“幹什麼””

1.背景

我國智能製造的提出與實施落地，已經歷了5年多時間，現在整個業界對於智能製造數字化、網絡化、智能化的發展路徑已基本達成共識。智能製造是基於新一代信息通信技術與先進製造技術深度融合，貫穿於設計、生產、管理、服務等製造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。大到智能製造生態建設，小到工廠車間中智能製造系統實施，網絡技術在其中都凸顯了重要作用。

一直以來，工業中使用的網絡技術和概念層出不窮，從傳統的現場總線、工業以太網、工業無線網（本文將這三種技術統稱為工業測控網），到後來的工業物聯網，再到現在的工業互聯網，在此將這些工業用的網絡統稱為工業網絡。這是由於隨著信息技術的快速發展，工業界由原來比較封閉的自動化/運營技術（Operation Technology，OT）領域，逐漸向信息技術（Information Technology，IT）領域開放，OT和IT融合發展是技術必然的發展趨勢。工業網絡技術的多樣性對於工業轉型升級和製造業高質量發展帶來的益處毋庸置疑，但也確實產生了一些概念混淆不清的弊端。一方面，於工業來說哪個技術更先進、更適應，誰包容誰，相互有何關聯、有何區別？這些問題一直是學術界和工業界的爭論焦點。另一方面，對於已有工廠的升級改造或新建工廠，從工廠內外網絡的工程設計、建設實施到運行維護、安全保障，選擇何種網絡技術來解決亟需問題，都需要有專業的技術指導。再有，現在工業互聯網熱度很高，的確對於跨企業跨行業跨地域的產業鏈協同與資源優化配置發揮了很大作用，但似乎其更注重企業上層系統建設，而與底層工業系統/網絡的結合程度如何、對滿足工業生產製造發揮的作用如何，這些問題都仍有待探討。

本文基於工業網絡技術發展脈絡和標準化進程，立足於不同工業網絡技術對於工業生產的作用與意義，首先從工業應用的本質和影響出發，闡述什麼是工業生產，分析工業應用對於網絡技術的實際需求；然後從術語定義和標準化方面，理清各種工業網絡技術的概念和作用範圍，重點比對了國內外概念理解上的差異；最後思考當前國內工業網絡技術發展與生態建設對於工業生產、智能製造應如何更好地發揮積極作用，以及在推進策略上提出建議。

2. 工業應用的本質

2.1. 工業生產——製造業分類

按照工業生產的產品形態和生產工藝組織方式，工業行業分為流程工業和離散工業兩種典型類型。流程工業是指通過化學反應和/或物理分離而進行生產的行業，其產品形態一般為流體（如液體、氣體），典型的流程工業包括石油、化工、水處理、造紙等行業。離散工業主要通過對原材料物理形狀的改變、組裝而形成產品的行業，其產品形態為按件計量的物品，典型的離散工業包括汽車、電子、航空航天等行業。另外，還有如鋼鐵、製藥、飲料等混合型工業生產。

不同工業類型具有不同的生產過程特點與應用需求，相應地產生和應用不同的工業自動化控制系統（IndustrialAutomation and Control Systems，IACS）, 典型的有DCS控制系統和PLC控制系統。流程工業生產過程的測控變量一般為溫度、壓力、流量、液位等時間連續的模擬量，控制方法多為PID（比例積分微分）調節，通常採用DCS（分佈式控制系統）、大型PLC（可編程邏輯控制器）等控制系統。離散工業生產過程的測控變量一般為產品數量、開關狀態等時間離散的數字量，控制方法多為一系列活動順序的邏輯控制，通常採用PLC控制系統。表1給出了一些流程工業和離散工業測控特點的比較。

表1 流程工業和離散工業測控特點的對比

無論DCS、PLC或其他新形式的控制系統，都是傳統控制系統隨著計算機技術、自動化技術、網絡技術、信息技術發展的產物，並不斷向數字化、智能化方向發展，後來演變出所謂的現場總線控制系統（FieldbusControl System，FCS），其本質上都是通過工業測控網絡（包括有線網絡和無線網絡）將工廠生產現場的測量設備、控制設備、執行設備連接起來，形成各種智能生產裝備、生產單元、生產線乃至整個自動化控制系統，並按照預先設定（組態）的控制算法或邏輯順序實現分佈式自動化控制及生產製造。

2.2. 現場環境要求

工業生產現場環境一般比較惡劣，比如高溫、高溼、多塵、電磁干擾大等，以及連接設備多、安裝和接地規範性等問題，這些都會對網絡通信質量產生影響，可能導致設備運行和通信不穩定從而影響正常的生產製造。因此，工業現場設備基本都要通過環境適應性、電磁兼容性（EMC）、通信一致性和互操作性的測試，並達到標準規定的要求才能使用。

此外，不同類型的工業應用還有其特殊要求。例如，流程工業應用一般要求現場網絡支持總線供電（即通信線纜同時支持數據傳輸和設備供電），特別在危險區域，還要求現場儀表/設備具有本質安全（即儀表/設備應滿足在正常工作或規定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃規定的爆炸性混合物）。

2.3. 基本數據傳輸需求

與IT領域通信相比，工業現場應用所需傳輸的數據具有典型特點，從數據傳輸特點分析，可以更好地理解工業應用對於網絡通信的需求。應用於工業現場的網絡技術為滿足自動化控制需求，應至少提供以下三類數據的傳輸。

a) 過程數據：傳感器（變送器）週期性向控制器發送的輸入數據（測量值），以及控制器週期性向執行器發送的輸出數據（設定值）。這種類型的數據是自動化控制系統的輸入和輸出，一般被稱作實時數據，其傳輸關係、循環週期和數據內容，都是按照預先組態設置好的。

b) 變量數據：控制器或監視設備對現場設備（傳感器、變送器）、執行器的網絡可視參數/變量進行讀、寫操作的數據。這種類型的數據不參與自動化控制，可用於現場監視應用（如SCADA），數據傳輸就通信協議而言是非週期的，其通信關係和數據內容是臨時的。

c) 報警數據：當現場的工藝、通信或操作等出現異常情況或故障時，現場設備可向控制器或監視設備發出帶報警或診斷的數據。這種類型的數據不參與自動化控制，可用於現場監視應用（如SCADA），數據傳輸是非週期的，但其通信關係和數據內容是預先定義的。

所有應用於工業現場的網絡技術，應首先滿足上述數據類型的傳輸，並根據應用需求增加系統及網絡管理、組態、報警、同步等協議機制（功能）。

隨著工業智能應用的發展，又產生了新的工業大數據的傳輸需求，如視覺檢測使得現場數據採集從一維感知到多維全景感知發展，數據呈現結構化與非結構化特性並存，實時數據與非實時工業大數據共存等新的特點，這對工業網絡通信也提出了更高的要求。

2.4. 基本性能和功能要求

工業現場使用的網絡技術，應滿足工業應用的特殊需求，包括數據傳輸的實時性（real-time）、確定性（deterministic）、可用性（availability）、可靠性（reliability）、安全性（functional safety &security）等要求。這也是工廠中使用特定的工業專用網絡而非辦公網絡的原因。

工業通信的確定性和實時性是相輔相成的。確定性是指通信系統的端到端傳輸延遲具有最大限值，實時性是指系統在限定的時間內對外界事件做出處理與響應的特性，二者綜合反映工業自動化控制應用的數據傳輸時間是確定可預測的。由於現有通用的網絡通信技術無法滿足工業數據傳輸的確定性、實時性需求，因此工業界產生了專用的現場總線、工業以太網、工業無線網絡技術。

可用性和可靠性在不同領域的定義是不一樣的。在工業自動化領域，可用性是指在給定條件下，事物在預定時間或時間間隔內處於某個狀態並執行所要求功能的能力（IEC62439-1），一般通過冗餘技術實現高可用性，包括媒體冗餘、關鍵裝置冗餘、控制系統冗餘等，以儘量縮短或避免因日常維護（計劃）和突發崩潰（非計劃）所導致的系統停機時間。可靠性一般指物品在規定條件和規定時間內，完成要求功能的能力（IEC61987-1）。通信可靠性則是指所傳輸的報文/消息在可接受延時內完整無損地到達最終目的地的能力（IEC 62734）。如果在傳輸過程中受到外界環境的干擾,或在通信系統內部由於各個組成部分的質量不夠理想而使傳送的信號發生畸變時，就會導致通信可靠性降低。工業生產現場環境干擾較大，因此對於通信可靠性提出更高要求。

工業通信的安全性包括功能安全（functional safety）通信和信息安全（security）兩方面內容。功能安全通信是指在現場總線/工業以太網通信協議棧（應用層）上定義附加的安全層協議，採取相應防護措施以避免通信過程中產生如訛誤、意外重複、錯序、丟失、不可接受延遲、插入、偽裝、尋址等通信錯誤（IEC61784-3）。工業信息安全是指保護避免不可接受的有意的（計算機）攻擊或無意的工業自動化控制系統改變，避免信息和自動化設備受到未授權訪問。無論功能安全還是信息安全，其安全威脅與風險評估對於安全相關的工業應用都是必要的。

2.5. 小結

與信息領域網絡技術相比，用於工業應用的網絡技術的功能定位與服務對象更聚焦，首先要滿足工業生產製造基本應用需求，解決工廠內部的自動化控制、現場數據採集、互聯互通的問題；從通信角度，必須滿足工業應用數據傳輸的實時性、確定性、可靠性等要求；從功能完備性角度，在滿足基本數據傳輸功能基礎上還需考慮互操作性、本質安全性、功能安全性、信息安全性、高可用性、集成性等要求。因此，信息領域通用的網絡通信技術並不是直接“拿到”工業中應用的，必須先評估其是否滿足上述工業應用要求，這也是工業以太網對於IEEE 802.3（以太網通信協議）進行改造、工業無線網對於IEEE 802.15.4（無線個域網通信協議）和IEEE 802.11（無線局域網通信協議）進行改造的根本原因。

在此基礎上，進一步考慮滿足工業智能化應用需求以改善生產製造，藉助於邊緣計算、雲、大數據分析、人工智能等技術，實現工業生產製造過程的智能優化、轉型升級。

3. 工業網絡技術發展

3.1.工業測控網

工業測控網包含了“測”（數據採集）與“控”（控制系統）的所有關聯網絡，實現現場設備（如傳感器、執行設備等）與控制設備（如PLC、DCS控制器等）之間的互聯互通。。在當前智能製造和工業 4.0技術發展的背景下，工業測控網是主要解決工業現場“信息孤島”，實現智能製造數字化、網絡化、智能化的基礎網絡設施。

工業測控網的作用範圍如圖1所示，無論連續控制還是離散控制，其網絡系統架構都基本符合該結構。

注：可編程控制設備包括PLC、DCS、SCADA和其他專用控制器。

圖1 工業測控網系統架構和作用範圍

工業測控網主要包括現場總線、工業以太網和工業無線網絡，其發展呈現現場層和控制層專用網絡向管理層通用網絡延伸，有線到無線補充，以及新使能技術（如TSN、5G）不斷融合應用的新趨勢。工業測控網主要包括：

（1）現場總線。起源於二十世紀80年代，國際電工委員會IEC將其定義為基於串行數據傳輸、典型應用於工業自動化和流程控制應用的通信系統，具有數字化、雙向串行、多點連接的特徵。工廠中常用的現場總線有MODBUS、PROFIBUS、HART、CAN、CC-LINK、DeviceNet/ControlNet等。

（2）工業以太網。90年代末，隨著以太網與TCP/IP技術的日趨成熟，並適應企業管理與控制一體化的應用需求，工業以太網（或稱實時以太網）逐漸興起，在IEEE802.3標準以太網基礎上修改或增加了一些特定協議機制（如時間調度、通信優先級、時鐘同步等），以滿足工業應用對通信實時性和確定性的要求。工廠中常用的工業以太網有Ethernet/IP、EtherCAT、PROFINET、CC-LINK IE、POWERLINK等。目前全球範圍內，工廠中新IACS系統主要基於工業以太網，新現場總線設備市場增長緩慢或下降，可預見未來工業以太網將替代傳統現場總線。但是在流程工業由於對物理層有總線供電、本質安全等特殊要求，現場總線技術還將繼續存在較長時間。現在，國內外正在開展可用於流程工業的二線制以太網（SPE）或高級物理層（APL）技術研究和應用。

（3）工業無線網。起源於二十一世紀初，從新興的無線傳感器網絡（WSN）發展而來，目的將無線通信引入工業應用作為有線網絡的補充。目前，國際上主要有應用於過程自動化的WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a三大主流工業無線網絡技術，以及應用於工廠自動化的WIA-FA工業無線網絡技術。

（4）時間敏感網絡（TSN）。由於TSN在傳統以太網上增加可提供確定性服務的各種功能和性能，滿足了工業應用對實時、硬實時的需求而引起廣泛關注，現有工業以太網紛紛與之融合，未來可能將作為工廠底層網絡的統一標準。

（5）5G移動通信網。5G因其低延時、高帶寬、廣連接而成為當前最熱點技術之一，已在視頻檢測、雲化機器人、智能物流等工業應用方面得到成功應用案例，其在底層自動化控制、機器與機器（M2M）通信等方面的應用還處於研究試驗階段。

（6）當前，雲計算、大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術作為使能技術，必將大幅提升工業自動化控制系統和測控網絡的功能性能並促使其向雲化、智能化加速發展。當引入了新一代信息技術，從大系統大網絡概念角度，圖1所示的工業測控網系統架構，將演變成雲化的智能測控系統/網絡，實質上也是向工業互聯網演變，如圖2所示。

圖2 雲化智能測控系統/網絡

新一代信息技術可能在如下幾方面對工業測控系統/網絡產生作用和影響：

• 智能傳感器：泛在感知與大規模數據採集；
• 雲計算：超強運算能力，資源共享（服務、工業軟件、服務器、存儲）；
• 大數據：優化分析、智能決策、預測性維護；
• 軟件定義：可重構、靈活擴展；
• 人工智能：自學習、自組織、自適應、自決策；
• 區塊鏈：分佈式存儲、數據安全；
• 邊緣計算：邊緣側產生更快的網絡服務響應；
• … 這些使能技術加速了製造模式的創新和製造系統的演進。

3.2. 物聯網與工業物聯網

1995年比爾·蓋茨在《未來之路》書中提出：“互聯網（Internet）僅僅實現了計算機的聯網而沒有實現萬事萬物的互聯”，這種“萬物互聯”的概念成為如今“物聯網”的雛形。2005年國際電信聯盟ITU在世界信息峰會上發佈了《ITU互聯網報告2005：物聯網（ITUInternet Reports 2005：TheInternet of Things》，指出“物聯網（Internet of Things，IoT）”時代的來臨。物聯網顧名思義就是物物互聯。國內外標準及文獻對其主要定義如表2所示，強調了物理世界和虛擬世界中物、人、服務、信息的互聯性，以及對於信息的處理能力。

表2 國內外對於物聯網相關概念的定義

目前，物聯網還沒有一個被廣泛認同的體系結構（物聯網體系架構）。一般根據物聯網對信息的感知、傳輸、處理過程，將其劃分為三層結構，包括感知層、網絡層和應用層，如圖3所示。因此，圍繞泛在感知、可靠傳輸和智能處理三方面進行，物聯網的核心技術如下：

• 感知層：實現泛在感知，利用智能傳感器、RFID（無線射頻識別）、執行器等實現信息感知、識別、數據採集和控制執行，並通過通信模塊將物理實體連接到網絡層和應用層；
• 網絡層：實現可靠傳輸，通過互聯網、無線網絡或專用網絡，實現信息的傳遞、路由和控制等，典型物聯網技術如窄帶蜂窩網NB-IoT、移動通信網3G/4G/5G等；
• 應用層：實現智能處理，包括應用基礎設施/中間件和各種物聯網應用，對感知和傳送的數據、信息進行分析、計算和處理，實現物聯網在眾多領域的各種應用實現。

圖3 物聯網三層體系架構

物聯網在工業領域的應用即為工業物聯網（Industrial Internet of Things，IIoT）。美國通用公司（GE）認為工業物聯網（IIoT）包含兩層含義：其一是指“物聯網技術（IoT）在工業領域的提升與實現”；其二就當前技術發展下，提出“工業物聯網（IIoT）是工業互聯網（Industrial Internet）的同義詞”，GE數字化（GEDigital）官網明確表述了這一觀點（https://www.ge.com/digital/blog/everything-you-need-know-about-industrial-internet-things），如圖4所示。

注：GE Digital現已被GE公司出售。

圖4 美國GE公司針對工業物聯網的定義及描述

國內在《工業物聯網白皮書》（2017）中提出工業物聯網的概念為：通過工業資源的網絡互連、數據互通和系統互操作，實現製造資源的靈活配置、製造過程的按需執行、製造工藝的合理優化和製造環境的快速適應，達到資源的高效利用，從而構建服務驅動型的新工業體系。

工業物聯網無意改變傳統的工業自動化控制系統，強調的是更大規模的設備連接與數據獲取，以及到工業現場的優化反饋。相比於傳統工業測控網，工業物聯網融入了移動通信和智能分析技術，在泛在感知和智能處理等方面進行功能擴展。工業物聯網體系中，感知層採集聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等更多智能化所需的信息，網絡層更強調使用通用網絡技術連接工業設備形成的一個巨大網絡，應用層則應用人工智能、大數據分析等新一代信息技術，實現智能物流、智能監控、智慧生產等。

3.3. 互聯網與工業互聯網

互聯網（Internet）現已成為專有名詞（國內也有翻譯為因特網），將全世界範圍的計算機網絡、移動終端（如手機）互相連接在一起。互聯網是一種工具，用在消費領域就是消費互聯網，用在金融領域就是金融互聯網，用在工業領域就是工業互聯網。

美國通用電氣（GE）公司在2012年發佈的白皮書《工業互聯網：打破智慧與機器的邊界（IndustrialInternet: Pushing the Boundaries of Minds and Machines）》中，最先提出“工業互聯網（Industrial Internet）”的概念，將其定義為“全球工業系統與高級計算、分析、低成本傳感和由互聯網帶來的全新連接能力的融合（theconvergence of the global industrial system with the power ofadvancedcomputing, analytics, low-cost sensing and new levels of connectivitypermittedby the internet）”，並將智能機器、高級分析（數據）和人相互連接形成開放、全球化的網絡。

2014年，GE、IBM、Cisco、Intel和AT&T等聯合成了工業互聯網聯盟（IndustrialInternetConsortium，IIC），名稱上雖延續了GE關於工業互聯網的稱謂，但在其官網（https://www.iiconsortium.org）上自我介紹卻為“致力於加速工業物聯網（IIoT）以實現經濟與社會轉型（IIC About Us:The IndustrialInternet Consortium is the world's leading organization transformingbusinessand society by acceleratingthe Industrial Internet of Things (IIoT)）”。

2019年7月，IIC發佈的“工業互聯網參考架構（Industrial InternetReference Architecture，IIRA）”中，明確說明“工業互聯網參考架構是工業物聯網系統的一個標準開放架構（TheIIRA is a standards-based open architecture for IIoT systems）”，並從業務、使用、功能和實施四個視圖，來描述IIoT系統關於業務和管理、能力和結構、系統和組件、技術和實現等相關內容的框架結構，如圖5所示。

圖5 IIRA視圖、應用範圍、系統全生命週期的關係

IIC在2019年最新發布的《工業互聯網術語技術報告》中給出了工業互聯網（Industrial Internet）與工業物聯網（Industrial IoT）的術語定義，如表3所示。

表3 IIC提出的工業互聯網與工業物聯網定義對比

由此可見，在美國工業互聯網聯盟（IIC）語境下，工業互聯網（Industrial Internet）是工業物聯網（IIoT）的同義詞，並未強調互聯網（Internet）的建設與作用，而是立足工業轉型實際需求，聚焦工廠內部使用的網絡和先進分析，通過機器到機器（M2M）連接和工業大數據分析等，實現工業設備預測性維護、基於生產數據優化設計，以提高效率、產能以及性能，改變工業企業的生產組織模式，推動數字化轉型。

在國內，也成立了類似的工業互聯網產業聯盟（Alliance of Industrial Internet，AII），在其發佈的《工業互聯網體系架構》中對於工業互聯網的定義是：工業互聯網是互聯網和新一代信息技術與工業系統深度融合形成的產業和應用生態，是工業智能化發展的關鍵綜合信息基礎設施。工業互聯網體系架構包括網絡、安全、平臺三方面，如圖6所示。其中，網絡是工業互聯網的基礎，支撐工業系統互聯和工業數據傳輸交換，包括網絡互聯、標識解析等；平臺體系是工業互聯網的核心，構建基於海量數據採集、匯聚、分析的服務體系；安全體系是工業互聯網的

圖6 我國工業互聯網產業聯盟發佈的工業互聯網體系架構

與國際相比，國內工業互聯網屬於“原創性”概念，聚焦於互聯網與製造業融合而產生的新應用與新生態。工業互聯網對於產品個性化定製、異地研發協同設計、設備預測性維護，以及跨企業、跨行業、跨地域的產業鏈協同與資源優化配置發揮了很大作用。

然而，當前我國工業互聯網更多強調的是信息基礎設施平臺建設，對於工業生產製造的作用更偏向於生態建設而非製造本身。但單純就網絡技術而言，工業互聯網並未催生新的網絡技術，現在工業互聯網體系架構與互聯網架構並無本質區別，工廠中測控網絡還是傳統現場總線與工業以太網為主，在工業現場與互聯網平臺之間採用OT/IT融合的網絡技術（如OPC UA）等。這些工業測控網與集成技術由工業發起，仍滿足當前工業自動化系統互操作、開放性的發展需求。

在工業互聯網平臺建設方面，國內的平臺企業眾多，很多來自於IT領域，但由於現場設備是OT廠商提供的，使得現場數據獲取較為困難；另外，由於欠缺較全面深入的行業知識，對於工業數據的分析利用以及優化反饋的能力較弱。然而，以西門子為代表的外資企業打造的工業互聯網平臺，通過發揮其長期深根於工業的巨大優勢，以及現場大量採用同品牌工業設備帶來獲取數據的便利，結合行業與工藝特點，並利用數字孿生等手段進行數據分析與工藝改進，從而實現產品全生命週期的優化控制，滿足提升質量、節約成本及用戶個性化的需求。

3.4.小結

在工業物聯網、工業互聯網出現之前，工廠中已真實存在著現場總線、工業以太網、工業無線網絡等工業測控網，主要解決工廠底層各種工業自動化控制設備及系統間的互聯互通。就作用範圍而言，工業測控網屬於工業物聯網（IIoT）範疇，但IIoT更強調工業生產中的人、機、料等製造資源的互聯互通，網絡通信技術擴展涵蓋了通用無線技術，如移動通信網、NB-IoT等。

國際上，並未特別區分工業物聯網（Industrial Internet of Things，IIoT）和工業互聯網（Industrial Internet），二者出發點和落腳點都是工業，並未改變現有的工業自動化控制系統，但更強調通過連接現場設備，獲取現場數據，並向工業現場提供優化反饋，從而推動數字化轉型。國內，工業物聯網（IIoT）和工業互聯網（Industrial Internet）的概念是有區別的。工業物聯網為“工業資源的網絡互聯、數據互通和系統互操作”而形成的新工業系統，工業互聯網則更傾向為一種“基於互聯網的工業產業和應用生態”建設。

由此可見，國內外對於工業互聯網的定義和內涵存在著較大偏差。國外多關注工業生產現場，以實現工業設備/系統互聯、工藝優化分析、工業產品設計、生產現場性能產能提升為目標。國內工業互聯網則偏重於互聯網平臺建設、業務模式、標識解析、工業APP等，雖已形成產業，但其與工業生產實踐結合強調不足，沒有真正地聚焦當前我國製造業面臨的真正問題和迫切需求，對於製造業轉型升級的實際推動作用還有待進一步挖掘與提升。

4. 工業網絡國內外標準化

4.1.工業測控網

工業測控網的核心功能是實現工業現場設備與控制系統的互聯互通，主要包括工業通信網絡技術與工業系統集成技術兩部分。

在工業通信網絡技術方面，國際電工委員會（IEC）工業測量控制和自動化技術委員會（IEC/TC65）負責制定工業通信相關國際標準，包括有線和無線工業網絡技術規範、各種相關行規和標準。由於IEC/TC65內製定標準的主體大多來自自動化領域，瞭解工廠中實際工業應用需求，因此，圍繞工業通信網絡技術建立了比較完善的標準體系，包括各種通信行規、安全通信行規、信息安全行規、安裝導則、高可用性網絡等技術標準，如圖7所示。

圖7 工業通信相關國際標準

與工業通信相關的國際標準主要包括：

IEC 61158《工業通信網絡》系列標準，規定了市場上主流的近三十種現場總線和工業以太網等工業測控網，包括我國自主工業以太網EPA（Type 14）。隨著技術的發展應用，有的技術由於缺乏市場而被撤銷（如Type 6 SwiftNet），也有新的技術不斷加入。此外，IEC 62026 《低壓開關設備和控制設備控制器設備接口》系列標準，規定了適用於低壓開關設備和控制設備的控制器、電氣設備接口與集成的通信標準，包括AS-I、DeviceNet等。

IEC 61784《工業通信網絡-行規》系列標準是IEC 61158的“伴隨”標準，定義了包括IEC61784-1現場總線通信行規、IEC61784-2實時以太網通信行規、IEC61784-3功能安全通信行規、IEC61784-4工業信息安全行規（已轉為IEC62443）、IEC 61784-5安裝行規等。

IEC 62443 《工業通信網絡網絡與系統信息安全》系列標準規定工業自動化控制系統（IACS）信息安全的概念模型、關鍵要素、主要技術及安全等級等。

IEC 62439《高可用性自動化網絡》系列標準，規定了基於實時以太網的各種網絡冗餘協議/機制。

IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關係統的功能安全》系列標準，規定了電氣/電子/可編程電子安全相關係統的功能安全的基本要求和技術方法，是功能安全的“基本大法”。

IEC 61151《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》系列標準，規定了用於過程（流程）工業的功能安全儀表系統。

IEC 61588《網絡測量和控制系統的精確時鐘同步協議》標準（源自IEEE 1588），規定了在分佈式測量控制系統/網絡中實現嚴格的定時同步機制。

IEC 60802《時間敏感網絡(TSN)工業應用行規》是IEC/TC65和IEEE 802聯合工作組正在制定的國際標準，規定適用於工業自動化網絡的網橋/交換機、終端站和局域網（LAN）的TSN特性、可選項、配置、缺省值、協議和規程。

對於工業無線通信，現存在四種工業無線通信網絡技術國際標準，包括IEC 62591 WirelessHART、IEC 62601 WIA-PA（我國自主技術）和IEC 62948 WIA-FA（我國自主技術）、IEC 62734 ISA 100.11，以及規定無線通信系統在工業自動化領域應用及共存管理要求的IEC62657《無線共存》系列標準。

此外，SAC/TC124正在聯合華為公司等共同制定工業蜂窩網絡（工業5G）相關技術標準，並將適時推進為國家、國際標準，這代表了工業無線通信技術的最新發展方向。

IEC/TC65國內對口標委會是全國工業過程測量控制和自動化標準化技術委員會（SAC/TC124），已將IEC 61158中主流的十幾種現場總線和工業以太網技術轉化為我國國家標準，如MODBUS、PROFIBUS、PROFINET、HART、POWERLINK、EtherCAT、CC-LINK、CC-LINK IE、EtherNet/IP等，如表4所示。隨著各類工業通信網絡技術國家標準的轉化和自主制定，我國已逐步建立了EPA、WIA、PROFIBUS、PROFINET、MODBUS、CC-LINK、EtherCAT、HART等工業測控網設備的認證測試實驗室，能夠滿足我國企業生產智能傳感器、儀器儀表、執行設備等工業測控網設備的市場需求。

表4 我國工業測控網及相關技術國家標準

IEC 61158規定了不同類型工業測控網的通信協議，但不涉及所傳輸的用戶數據的內容及其含義。因此，在工業系統集成方面，面向不同行業應用時，通常還需根據行業需求和設備特點，定義行業特定的設備行規（即根據設備模型以參數、參數組合和行為的表達方法來描述設備網絡可見的數據和行為）。與工業系統集成技術相關的標準，如圖8所示。

圖8 工業系統集成相關標準

工業系統集成相關主要標準包括以下方面。

設備行規： ISO/IEC 62390《設備行規導則》用於指導工業現場與控制設備的設備行規的定義。基於ISO/IEC62390，ISO和IEC定義了包括IEC 61915低壓開關與控制器設備行規、IEC61800-7 電力驅動系統設備行規、IEC61850電力設備自動化通信網絡和系統等行業的設備行規。

設備集成：為實現現場設備與上位系統（如SCADA、設備管理軟件等）的集成，IEC定義了描述設備行規或設備參數的集成標準，包括IEC61804-3電子設備描述語言EDDL、IEC 62453現場設備工具、IEC 62769現場設備集成FDI等。

OT/IT集成：IEC 62541《OPC UA統一架構》是新一代的基於語義和麵向服務架構（SOA）的OPC規範，將傳統OPC規範的所有功能集成到一個可擴展框架，並實現了跨平臺支持。鑑於OPC UA具有強大的建模能力，OPC UA被公認為在工廠IT系統和OT系統集成方面有顯著優勢。

企業控制系統集成：ISO/IEC 62264《企業控制系統集成》（即ISA 95標準）提出製造企業5級功能層次模型，規定了製造運營管理（MOM）的基本模型、通用對象、業務功能與活動，以及企業系統到控制系統的數據交換格式等。

公共數據字典（CDD）：CDD定義了用於描述設備、產品和服務等對象的所有必要信息。基於CDD規則，可在不同系統、不同企業，甚至不同行業間建立統一的的語義系統。主要相關標準包括：IEC61360《電氣元器件的標準數據元素類型和相關分類模式》，規定了通用的CDD數據模型；IEC 61987《工業過程測量和控制過程設備目錄中的數據結構和元素》，規定了智能製造測控設備的CDD。

4.2. 物聯網與工業物聯網

物聯網概念是從信息領域首先提出，國際上主要標準化機構是ISO/IEC信息技術第一聯合技術委員會（ISO/IEC JTC1）下設的物聯網及相關技術分委會（JTC1/SC41），制定了多項物聯網（IoT）通用技術標準，包括IoT術語、架構和框架標準，IoT互聯性、平臺、中間件以及認證測試標準，IoT應用案例、工具和實現導則標準等。ISO/IEC JTC1國內對口標委會為全國信息技術標準化技術委員會（SAC/TC28），下設物聯網分委會（SAC/TC28/SC41）負責制定我國物聯網相關國家標準。

物聯網的技術起源與無線傳感器網絡（WSN）緊密相關，因此，許多物聯網標準也圍繞無線傳感網而制定。物聯網相關的主要國際與國內標準如表5所示。

表5 物聯網相關的主要標準

2010年11月，國家物聯網基礎標準工作組成立，成為研究符合中國國情的物聯網技術架構和標準體系的主要機構。在其已發佈的《物聯網標準化白皮書（2018版）》中將物聯網標準體系劃分為六大類，主要包括基礎類、感知類、網絡傳輸類、服務支撐類、業務應用類和公共技術類，如圖9所示。

圖9 我國物聯網標準體系架構

工業物聯網是物聯網概念的延伸。目前，IEC尚沒有專門的工業物聯網（IIoT）標準發佈，僅在個別行業應用標準中將範圍限定在工業特定領域的物聯網，如ISO/IECJTC1/SC41與IEC/TC65成立工業設施和智能電網系統接口聯合工作組（IEC/ISO JWG17），主要制定電力行業特定應用行規，屬於物聯網在電力特定行業應用的補充和擴展。ITU、IEEE、3GPP等通信相關國際標準化組織，也在制定工業物聯網（IndustrialIoT）相關的技術標準。

國內，SAC/TC124以促進物聯網智能傳感器產業發展和推動工業物聯網應用為重點，組織制定了工業物聯網應用於智能儀表領域的基礎標準、產品標準和關鍵技術標準（如表6所示），研究了並初步形成物聯網智能傳感器標準體系，但尚未見公開發布的工業物聯網標準體系。

表6 國內物聯網智能傳感器系列標準

4.3. 工業互聯網

經文獻查閱，IEC、ISO和ITU目前均未出現關於“工業互聯網（IndustrialInternet）”的術語或相關標準產物，相關技術標準都是圍繞物聯網IoT而展開。由此可見，“工業互聯網Industrial Internet”一詞目前在國際尚未被普遍認可。2019年6月，ITU-T的未來網絡與雲計算工作組（ITU-TSG13）通過了中國信息通信研究院主導的國際標準《工業互聯網網絡架構與技術要求（基於未來包交換網絡演進）》立項，首次將“工業互聯網（Industrial Internet）”寫入國際標準。目前該項標準仍在研製階段。

在我國，在以工業互聯網產業聯盟（AII）為代表的“工業互聯網”概念倡導下，正研究與制定工業互聯網標準體系架構及其實施路徑。2019年AII發佈的《工業互聯網標準體系（版本2.0）》白皮書中，提出我國工業互聯網標準體系框架，包括基礎共性、總體、應用三大類標準，如圖10所示。其中，基礎共性標準包括術語定義、通用需求、架構、測試與評估、管理等工業互聯網的通用性、指導性標準，總體標準包括網絡與聯接、標識解析、邊緣計算、平臺與數據、工業APP、安全等技術方面，應用標準包括不同製造模式、不同行業應用的標準。在此體系框架內，AII組織聯盟內企業開展相關團體標準的制定。

圖10 我國工業互聯網產業聯盟提出的工業互聯網標準體系框架

但值得注意的是，從圖10所示工業互聯網標準體系看，很多內容更側重信息技術領域，與工業相關性略顯不足，對於工業轉型升級的實際指導作用需進一步加強。

4.4. 小結

縱觀國內外工業網絡技術的標準化發展，工業測控網技術已建立了比較完善的工業通信與系統集成標準體系，基本能夠滿足工業自動化控制的應用需求；物聯網標準研製主要在信息技術領域進行，工業物聯網（IIoT）僅作為物聯網在工業行業的應用與擴展，尚未形成獨立的工業物聯網應用標準體系；工業互聯網（IndustrialInternet）概念目前尚未被國際廣泛接受，從IEC、ISO、ITU國際標準組織中均未查詢到相關的術語定義。

實際上，工業互聯網是伴隨著第四次工業革命（工業4.0）/智能製造的發展而提出的。美國工業互聯網產業聯盟（AII）提出“工業互聯網”時，將工業物聯網作為關鍵技術與標準研究的核心內容，希望將美國在互聯網技術上的優勢擴大到工業領域，實現美國全球化產業鏈發展與“製造業復甦”。在我國，繼智能製造標準體系初步建立後，正在組織建立具有中國特色的工業互聯網標準體系。雖然二者是兩套相互獨立的體系，但其目標都是實現工業轉型升級，關鍵技術與標準內容中也存在交叉。所以，國內特有的“工業互聯網”難免概念層面的意義更大一些。

5. 我們的思考

5.1. 應用於工業的網絡，首先應姓“工”

不管是工業測控網、工業物聯網還是工業互聯網，都是網絡技術、信息技術與工業應用的深度融合，作為賦能手段，一定會給工業生產模式帶來巨大變革，但切不可本末倒置，應始終“不忘初心”將滿足工業生產需求放在首位。當前我國製造業發展不平衡、不充分的特點突出，“工業1.0、2.0、3.0”並存局面將長期存在，企業面臨的最大問題是產品質量不高、生產效率不高等切實問題。因此，不論什麼“網”，都必須先解決企業生產的“溫飽（提質增效）”問題。

首先，工業測控網作為工業生產連續性、高實時、高可靠、高安全、高可用性的重要保證，實現工廠內各種現場數據的實時採集，人、機、料、法、環等各種製造資源的互聯互通，始終是必須具備的。如果底層工業測控網基礎沒打好，上面大數據分析、人工智能數據挖掘，都是無源之水、空中樓閣。

其次，工業互聯網作為一種智能製造的賦能工具，其重要作用之一是基於互聯網平臺，對採集的海量工業數據進行深度分析、形成智能決策，這種分析高度依賴於特定工業領域的專業知識積累，需要結合工藝要求、設備運行原理、工業實踐經驗等多方面因素，才能真正挖掘工業數據的價值。當前的諸多實踐案例已經充分證明，互聯網中廣泛應用的各類大數據分析方法，只有與工業知識融合才能解決工業實際問題。

第三，工業互聯網作為互聯網在工業領域的應用，在連接上下游產業鏈、資源優化配置、異地研發協同設計等方面天然具有優勢，並且通過無所不在的互聯網實現個性化定製、預測性維護、產品在線升級等智能服務，極大地提升了產品的附加價值。

5.2. 遵循發展規律，技術應用是關鍵

過去三十多年中，我國製造業從發展CIMS（計算機集成執行系統）、製造業信息化，到兩化融合、智能製造、工業互聯網，實際上是信息技術、網絡技術在工業和製造業應用的不斷髮展探索之路。新概念、新名詞、新技術不斷湧出，但如若不基於基礎現狀不與應用需求匹配，生搬硬套的結果不是炒概念就是揠苗助長。衡量一項技術是否適用於企業，不是憑其先進性，而是能否滿足企業需求以及獲取效益最大化。智能製造也好，工業互聯網也好，企業不會“為了技術熱點而應用技術”。

例如，雖然在工業網絡技術應用方面已經做了大量工作，形成了一批示範引領企業，但在過去較長一段時間內，兩化融合還遠未達到預想的效果。一是由於我國製造企業95%以上都是中小企業，自動化、數字化、網絡化基礎工作欠缺；二是由於之前的網絡技術手段無法充分支撐製造業的需求，獲取的現場數據有限；三是對網絡技術的應用效果還沒有認識到位，數據獲取是用來做分析優化改進而不僅僅是用來看的。

當前，各類新一代信息通信技術快速發展，5G、TSN、大數據、雲計算、區塊鏈、邊緣計算等技術紛至沓來。在跟蹤新技術的同時，仍應根據企業自身特點因地制宜，以解決製造企業底層數字化、網絡化問題為前提，使大量中小企業都能更好地融入工業網絡系統，才能真正地發揮工業網絡的重要作用。

5.3. 既要建設生態，也要腳踏實地解決工業問題

工業互聯網技術提供了一種範圍更廣、效率更高的平臺作為製造企業智能化發展的信息基礎設施，為實現異地研發設計、多地聯動協同生產、生產現場遠程監控、製造資源優化調度，以及打通供應鏈、營銷鏈和服務鏈提供了基礎。在本次新冠疫情防控中，應用工業互聯網技術提升了企業復產復工、上下游協同的效率就充分證明了這一點。

然而，現階段我國工業互聯網的支持方向主要集中在平臺基礎設施、解析節點、工業APP開發等生態體系建設範疇，與企業內部網絡銜接不夠，凸顯“不接地氣”。一方面，當前工業互聯網應用的瓶頸在於現場設備的數據採集及互聯互通，面臨的關鍵問題是各種工業設備的數據接口不統一，通信協議不兼容，導致數據“上”不來。因此，更需重點考慮如何解決企業生產現場現存的多接口、多協議問題，制定細分行業典型製造設備、生產單元和製造過程的公共數據字典，有效打通OT系統和IT系統，實際解決工廠內部數字化、網絡化問題。

另一方面，企業內部產生的各種管理數據、設計數據、質量數據、生產數據、製造資源相關數據等，來自企業外部的客戶反饋、市場需求、供應商等相關數據，最終將形成海量的工業大數據。如何有效利用這些工業數據來推動企業實現提質增效，也是需重點考慮的問題。對客戶反饋數據進行分析，可及時掌握市場需求及產品問題，作為研發設計的輸入和反饋；對生產過程及製造資源相關數據進行分析，可快速發現錯誤或瓶頸所在，改進工藝和優化生產，以及實現預測性維護；對設計、供銷、財務、生產等企業經營管理數據進行分析，將優化企業經營決策，推動企業發展新的商業模式。

至於具體採用哪種網絡技術，企業可能並不關心。

5.4. 結合工業應用，構建綜合風險管控的安全一體化體系

縱觀國內外工業互聯網安全思路，美國聚焦於IT 安全，明確了具體的安全措施。德國雖然從多個角度對安全提出了要求，但是並未形成成熟的安全體系框架。國內發佈的工業互聯網安全框架博眾家所長，從技術和管理的角度針對我國國情做了很好的落地，值得肯定。

但總的來說，“互聯網”側特徵得到了充分體現，而“工業”側需求尚未得到滿足。例如：風險分析止步於網絡邊界而沒有結合工業應用場景，很容易導致分析漏洞或者偏差；未涉及網絡安全防護對工業系統功能或性能的干擾和關聯影響，難免存在防護誤區和盲區；缺乏以綜合風險管控為目標的一體化安全框架體系，安全儀表系統如何部署網絡安全防護措施、網絡攻擊和防護如何影響功能安全完整性、內生安全機制和外部防護設施如何有機結合實現風險降低、分析/設計/實施/運維等生命週期各階段的安全控制和防護該如何協同考慮以避免或減少系統性風險等等的許多問題還沒有得到很好的解決，仍需深入研究與實踐。

5.5. 加強國際合作，推動國際語境的協同

目前，國內外對於工業物聯網、工業互聯網等概念的內涵與外延、技術體系尚存在不同理解。通過梳理並明確各網絡概念、關聯與差異，建立國內外工業網絡發展的共同語境，有助於推動網絡技術的國際化。在全球化協同發展趨勢下，製造資源、生產要素配置向著全球化的新模式轉變，製造業需要在世界範圍內重構更高效靈活的產業鏈，物聯網、互聯網技術作為工業轉型升級的基礎支撐技術，更加需要一個國際彼此認可的發展框架與技術體系。因此，應積極推動在世界範圍內開展技術交流、科研合作、標準與規範制定、測試認證等工作，以期通過國際化手段將我國工業網絡技術與產品貢獻給全世界。

注：本文從策劃、起草到最終成稿，期間經過多輪修改討論，感謝我所宋彥彥、孟鄒清、汪爍、王春喜、丁露等同事的積極參與支持。

文 | 說東道西（XSeanSong）

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