工业设备网联化现状及技术趋势分析

制造企业正走向数字化、智能化。

1. 工业设备网联化现状

一个完整的工业系统通常会包括工业设备、网络、平台、应用几部分。通常工业设备的网联是指设备通过网络与工业平台及应用互通。我们常见的工业设备包括车间里的工业机床、仪器、仪表，仓储里的传送机、AGV等一切为生产产品服务的机器与物料。

以某厂商手机生产的一个智能车间为例，具体见下表，工业设备包括:PLC、边缘检测类设备、自动化测试设备、AGV、生产RF/PAD终端、各传感器(能耗采集、环境监测、ESD检测等)、无线定位类设备及终端、AR类终端、有线/无线类CPE、摄像头等。

根据《智能制造发展指数报告2020)，2020年，我国工业设备数字化率为50%，设备联网率仅为23%，远远低于同期的消费互联网联网率70%。

一方面约80%的设备没有联网，老旧日设备多、数字化水平低，很多工厂里存在大量传感器、机器人、仪表、阀门等哑终端，这些哑终端大都只支持RS485IRS232、DIDO、USB等接口，无法直接连接网络进行数据传输，需要网关进行接口转换及数据封装，改造工作量大且成本高额，难以接入网络。

另一方面23%的设备联网了，但通信协议不统一，全球各类自动化厂商、研究机构、标准化组织围绕设备联网推出了成百上种现场总线协议、工业以太网协议和无线协议，协议标准众多且相对封闭，各成体系(如Profibus、Profinet、EtherCat、EthemetIP、Modbus等)，互联互通困难，形成了“烟肉式的封闭和碎片格局，极大的阻碍了工业的发展。

工厂中设备连接类型越来越多，设备连接量越来越大，逐步呈现出全连接的趋势。工厂需要具有对设备、对网络和对业务的整体管控方案，以满足工厂灵活调配网络适应业务的需求，以及智能化故障预测诊断及远程运维的需求。

2. 工业设备网联化的技术发展趋势

技术的发展是由业务应用驱动的，当前工业互联网网络正在与边/云共同构筑基础设施层，提供大带宽、低时延、高可靠的网络入口和高速管道。同时，企业业务正在向云化发展，导致设备也要与云端联网;企业设备生产效率及质量的提升，需要用到大量的新兴技术，业务流的变化，带来新旧网络的共存或融合;企业的个性化定制服务需求需要柔性的产线，导致生产设备从有线连接向无线连接改变。这三条发展路线正在共同驱动制造企业走向数字化、智能化。

(一)技术协议发展路线

工业总线:在上个世纪80年代末，人们希望产线不同设备的运行参数与信息，通过产线内部不同设备的数据交换，实现操作控制。工业总线应运而生，它主要解决工业现场的仪器仪表、控制器等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和控制系统之间的信息传递问题。但由于每种总线有着不同的物理接口、传输机制，彼此难以互通。

工业以太:鉴于以太网技术因其技术简单、开放性好、价格低廉等特点，一些厂商提出了将以太网技术引入工厂设备底层，工业以太网也就随之产生了。工业以太网最大的优势在于:可以满足控制系统各个层次的要求，使得企业的信息网络和控制网络能够实现统一，容易获得众多厂商的支持。但是以太网是一种通信不确定性的随机网络，难以胜任高速实时性数据通信。为此，世界上的各大公司纷纷开发出自己的实时工业以太网，例如:PROFINET、EterCAT等。而TSN(Time Sensitive Network)-时间敏感型网络的出现，解决了用单一网络连接不同工业以太协议的问题，并与OPC-UA结合实现了IT与OT的融合通信。

广域IP化:大部分的工业以太在实时处理过程中舍弃了TCP/IP层，因此从本质上讲是工业以太总线进入工业智能时代，工业互联网正在推动企业生产系统走向现场少人化、无人化，控制系统加速走向远程集中控制模式，让操作人员可以在更安全、更舒适的集中控制室完成生产任务，也让大型企业得以在更大范围内实现总部、多基地之间的生产要素调度和优化，为此，工业控制系统需要走向广域云化。工控系统的IP化是实现整个网络端到端统一语言都说“普通话”、IT与OT网络融合的基础。当然，要实现远程的云化实时控制，一张确定性的广域网络必不可少。

(二)IT/OT融合发展路线
随着工业互联网企业业务的快速发展，企业为了提升生产质量和生产效率，逐渐引入新的制造技术和制造装备，工厂有大量设备都要联网，包括机器人、移动AGV，机床及其它自动化设备，让网络连接诉求变得极其重要。工厂需要一种易于部署、易于管理和易于使用的网络连接解决方案，以实现现场设备快速、轻松地相互通信，典型场景:

(1)为了提升工厂内货物搬运效率而引入AGV机器人；(2)为了提升检测质量引入AOI光学检测；(3)为了提升智能化引入越来越多的IOT设备；；(4)为了提升生产线柔性制造(需快速变更产线)，产线设备尽可能无线化(5)为了提升企业网络的部署和运维效率，多张网络逐渐融合……这些业务变化会带来对网络带宽、智能化等更高诉求，IT网络将进一步下移，IT和OT之间的鸿沟正在迅速消散，最终T与OT网络走向融合。

(三)近接方式发展路线

有线连接:在工业发展之初，有线连接作为技术成熟且稳定可靠的连接介质，被广泛应用于工业场景中。有线连接由多种协议类型、传输介质组成，主要解决生产设备和控制设备之间数据及控制信令的交互也用于环境监控数据的采集。但在工业互联网时代，有线连接的方式也带来了很多显而易见的缺点，例如:部署成本高: 所有设备通过有线互连，施工和部署复杂，线缆成本高，施工工期长，影响产线进度;维护成本高: 后期维护也有较大成本(例如线缆因为老化或损坏需要定期更换，而有线电缆很多时候铺设在地下，故障排除难度较大，难以检修);重配产线困难:针对未来柔性制造中的产线重配、按需生产，重配产线的复杂度和成本都很高;移动性受限: 设备(例如工业机器人)的移动性因为连接了线缆而受到很大限制，移动范围较小，当设备的操作区域发生变化后，需要完全重新布设有线，限制了设备的应用。

无线连接:进入工业互联网时代，各行业例如工业、电力等行业都在以未来提高灵活性和多功能性、改善资源效率及成本效益为主要目标。这些改进对于解决日益动荡的全球化市场的需求非常重要。所有这些的主要推动因素是基于无处不在且强大的连接和计算基础设施的网络物理生产系统，它以灵活，安全和一致的方式将人员，机器，产品和各种其他设备相互连接起来。基于此，诸多的无线通信技术应运而生。例如:5G、Wi-Fi6、Zigbee、Bluetooth、UWB、RFID等。无线通信可以解决有线的部要和维护问题，降低部署和维护成本，可以支持更高的移动性，更方便产线的灵活配置。在无线通信技术迅速发展的今天，随着其通信性能越来越接近有线通信性能(例如低时延、高可靠等)，越来越多的应用采用无线的方式进行通信，尤其在未来的智能工厂将采用灵活的模块化生产系统，而不是采用静态顺序生产系统的条件下，这包括更多的设备移动和多功能生产资产，这需要强大而有效的无线通信技术和本地化服务。