隨著以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不斷地更新升級，各個公司也在加速工業(yè)自動化系統(tǒng)和企業(yè)應(yīng)用之間的深化整合。通過分析在IT網(wǎng)絡(luò)通訊過程中收集到的裝配故障數(shù)據(jù)，會呈現(xiàn)出怎樣的效率提升？或者在與材料供應(yīng)商的貨品計價相關(guān)聯(lián)的材料的廢數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)什么珍貴的商業(yè)情報？網(wǎng)絡(luò)靈活性開啟的業(yè)務(wù)新模式，讓已經(jīng)企業(yè)的管理層越來越難以忽視。

IIoT需要工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）在傳感器技術(shù)、無線連接、能量采集、大數(shù)據(jù)以及云計算方面的創(chuàng)新，是在設(shè)備、系統(tǒng)和人之間進行無縫信息交換的一部分，它為制造企業(yè)在整個價值鏈上提高業(yè)績、靈活性和響應(yīng)能力鋪平了道路。IIoT的發(fā)展需要工業(yè)以太網(wǎng)，通過以太網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)分析可以為企業(yè)提供更有價值的信息。

考慮到更加高速的工藝對以太網(wǎng)的要求，以及更多的數(shù)據(jù)采集，工廠需要一個冗余網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以很容易地在控制層解決網(wǎng)絡(luò)問題。全網(wǎng)的可見性也會給邊緣設(shè)備提供可依賴的網(wǎng)絡(luò)。

一個具有三層路由器和二層管理型交換機的主機就可以滿足核心網(wǎng)絡(luò)的需求。二層非管理型交換機要求擴展包含在IP地址層的端口狀態(tài)透明度，以及提高端口的服務(wù)質(zhì)量，使之適應(yīng)需要大量自動化網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)運行環(huán)境。不過缺點是這樣的交換機價格昂貴并且實施的時候需要一個相對長的啟動時間。

低成本管理型交換機

市場研究機構(gòu)IHS的JohnMorse預(yù)測，“低成本的、較低功能性的二層交換機的采用，會更經(jīng)濟地滿足用戶的需求，就像更多的網(wǎng)路被擴展，以滿足IIoT時代對于連接程度的需求。”在IHS2014年的一份關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施組件市場的報告中就指出，“從長遠(yuǎn)來看，隨著企業(yè)對于成本的考量，非管理型交換機的需求將會逐步放緩，就像網(wǎng)絡(luò)集線器一樣。”

為了讓自動化和IT軟件獲取更多端口狀態(tài)的可見性，作為邊緣交換機的二層非管理型交換機必須支持Modbus／TCP以及簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）通訊。這會允許監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）、人機界面（HMI）軟件、以及IT網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）軟件實時地監(jiān)控交換機設(shè)備的狀態(tài)。

以太網(wǎng)的可靠性

隨著更多的可編程邏輯控制器（PLC）、輸入／輸出（I／O）設(shè)備、終端計算機以及HMI等與以太網(wǎng)相連接，對以太網(wǎng)的魯棒性要求會越來越高。對于那些沒有進行升級、無法獲得網(wǎng)絡(luò)邊緣透明度的自動化團隊來說，可能會帶來指數(shù)級的能源消耗。隨著邊緣設(shè)備的增加以及數(shù)據(jù)采集功能的提高，需要人工檢查交換機的機會會減少，通過自動化的連接系統(tǒng)，會將損失的數(shù)據(jù)和設(shè)備情況及時上傳。

更大的網(wǎng)絡(luò)透明度加快了自動化和IT團隊的故障診斷。支持Modbus／TCP以及SNMP協(xié)議的邊緣交換機技術(shù)也讓故障診斷更容易。在這個融合的網(wǎng)絡(luò)模式里，團隊可以快速地獲得網(wǎng)絡(luò)問題的解決方案。

例如，來自于工廠車間中溫度傳感器的數(shù)據(jù)可能對于工程師進行工藝分析，以及IT部門進行云存儲和商業(yè)過程分析來說都很重要；一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失變得明顯，兩個團隊都可以及時發(fā)送或接收報警。

一個網(wǎng)絡(luò)診斷模型支持在SCADA／HMI以及中央IT使用的NMS上查看實時的端口狀態(tài)。

啟用診斷功能

更強大的是增加了診斷功能，來自系統(tǒng)控制和IT部門的兩個團隊都可以進行診斷。例如，他們診斷出以太網(wǎng)線與托管溫度傳感器的邊緣交換機I／O輸入的第五個端口之間的連接中斷，并通知相關(guān)部門進行必要的修復(fù)。對于一個具有板載代理Modbus／TCP和SNMP協(xié)議的邊緣交換機來說這完全可以勝任。更加智能的邊緣交換機甚至在每個端口上提供詳細(xì)的統(tǒng)計信息，包括速度、連接計數(shù)器、多路廣播信息包計數(shù)、單路廣播信息包計數(shù)以及誤差計數(shù)等。使用同時支持SNMP的邊緣交換機，可以讓IT團隊的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)或軟件執(zhí)行前后連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)控。

為了跟上設(shè)備數(shù)量的增長和數(shù)據(jù)需求的多樣性，將會發(fā)生更多類似這樣的以太網(wǎng)應(yīng)用，可以從設(shè)備層到控制層以及中央辦公室上輕松地查看以太網(wǎng)。

相關(guān)：什么是工業(yè)以太網(wǎng)？

工業(yè)以太網(wǎng)是在以太網(wǎng)技術(shù)和TCP／IP技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。以前，以太網(wǎng)一般是在商業(yè)應(yīng)用中作為辦公網(wǎng)絡(luò)用的，目前以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的使用成為熱點，將來工業(yè)以太網(wǎng)由可能成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要形式，形成一網(wǎng)到底的局面。

為什么人們要試圖在工業(yè)應(yīng)用中使用以太網(wǎng)哪？這是因為，目前以太網(wǎng)是應(yīng)用中最為廣泛的一種局域網(wǎng)，以太網(wǎng)商業(yè)上的巨大成功、很高的認(rèn)知度以及技術(shù)上的進步，使得以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中使用會帶來多方面的好處。

1．使用以太網(wǎng)要比其它現(xiàn)場總線容易。

這體現(xiàn)在幾個方面：一般情況下，用戶或多或少會有一些以太網(wǎng)的知識和使用經(jīng)驗，這可以降低用戶培訓(xùn)所需要的時間和資金上的投入；以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用使得人類積累了很多相關(guān)知識，碰到問題比較容易解決；以太網(wǎng)產(chǎn)品種類豐富，由很多相關(guān)的軟件硬件產(chǎn)品，使得以太網(wǎng)技術(shù)容易使用；以太網(wǎng)有很多種，可支持多種傳輸介質(zhì)、多種傳輸速率，滿足各種應(yīng)用的需求。

2．以太網(wǎng)產(chǎn)品的價格比較低廉。

由于以太網(wǎng)市場空間大，以太網(wǎng)產(chǎn)品通?？梢园雅孔龅谋容^大，并且以太網(wǎng)市場產(chǎn)品供應(yīng)商很多，競爭激烈，產(chǎn)品價格低廉，使用以太網(wǎng)就會降低成本。目前雖然商業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的價格很低，但是工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品的價格仍然較高，如果工業(yè)以太網(wǎng)能夠廣泛應(yīng)用，成本和價格自然會降下來。

3．以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，技術(shù)先進，是現(xiàn)場總線所無法比擬的。

就傳輸速率而言，目前以太網(wǎng)的傳輸速率已經(jīng)達到10Gbit／s，而現(xiàn)場總線的傳輸速率一般都在10Mbit／s以下。

4．信息集成更加方便。

由于很多企業(yè)局域網(wǎng)用的是以太網(wǎng)，在工業(yè)應(yīng)用中也使用以太網(wǎng)，可以使得信息集成更加方便。而通過把工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，甚至因特網(wǎng)相集成，可以使得電子商務(wù)、電子制造等的實現(xiàn)更加方便。

5．符合控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)扁平化的要求。

目前，控制網(wǎng)的結(jié)構(gòu)是多層的，分的層次越多，系統(tǒng)越復(fù)雜，維護越困難。如果使用工業(yè)以太網(wǎng)，完全可以實現(xiàn)信息層網(wǎng)絡(luò)和控制層網(wǎng)絡(luò)所需要的功能，所以，最終可能扁平化為一層，出現(xiàn)以太網(wǎng)“一網(wǎng)打盡”的局面。

但是，在工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用以太網(wǎng)面臨兩大問題。首先，以太網(wǎng)最初是為辦公自動化應(yīng)用而開發(fā)的，是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)，并且工作環(huán)境往往很好。而工業(yè)應(yīng)用中的部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸實時性要求很高，否則會發(fā)生事故；并且工業(yè)應(yīng)用的環(huán)境比較惡劣，比如強震動、高溫或低溫、高濕度、強電磁干擾等。其次，以太網(wǎng)是介質(zhì)訪問控制（MAC－MediumAccessControl）協(xié)議使用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA／CD－CarrierSense／MultipleAccesswithCollisionDetection）的網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱，它本身并不提供標(biāo)準(zhǔn)的面向工業(yè)應(yīng)用的應(yīng)用層協(xié)議。所以，為了滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，必須在以太網(wǎng)技術(shù)和TCP／IP技術(shù)的基礎(chǔ)上做進一步的工作。概括的說，對于前一個問題，解決方法是做一些改進，使得以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)確定性通信，并且能在惡劣環(huán)境下正常工作；對于后一個問題，解決方法由3種：一種是把現(xiàn)有的工業(yè)應(yīng)用協(xié)議與以太網(wǎng)、TCP／IP集成在一起；另外一種是在以太網(wǎng)和現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間安裝網(wǎng)關(guān)，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換；還有一種方法是干脆重新開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議。

目前，已經(jīng)形成較有影響的工業(yè)以太網(wǎng)有基金會現(xiàn)場總線高速以太網(wǎng)（FFHSE－FoundationFieldbusHigh－SpeedEthernet）、Ethernet／IP、PROFINET、ModbusTCP／IP等。

多種工業(yè)以太網(wǎng)的存在有帶來一個新的問題：各種工業(yè)以太網(wǎng)使用的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議互不兼容，雖然這些協(xié)議都可以在同一個以太網(wǎng)上運行，但是為不類型的工業(yè)以太網(wǎng)開發(fā)的設(shè)備之間仍然無法實現(xiàn)互操作。為了解決這些問題，用于過程控制的對象連接與嵌入［OPC－ObjectLinkingandEmbedding（OLE）forProcessControl］基金會與2003年6月發(fā)布了OPC數(shù)據(jù)交換（OPCDX－OPCDataeXchangs）標(biāo)準(zhǔn)。OPC基金會是一個致力于提高自動化系統(tǒng)中的互操作性的非盈利組織，它所制定的OPC系列標(biāo)準(zhǔn)是在微軟的組件對象模型（COM－ComponentObjectModle）、分布式組件對象模型（DCOM－DistributedComponentObjectModle）及OLE的基礎(chǔ)上制定的關(guān)于工業(yè)自動化軟件開發(fā)的一系列標(biāo)準(zhǔn)。

目前在工業(yè)應(yīng)用中，信息層網(wǎng)絡(luò)大量用的是以太網(wǎng)，通常使用商用以太網(wǎng)。在控制層，工業(yè)以太網(wǎng)也已經(jīng)有許多應(yīng)用，并且增長很迅速。在設(shè)備層，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用還不是很多。雖然用以太網(wǎng)來連接變頻器、機器人等復(fù)雜設(shè)備還是比較合適的，但用以太網(wǎng)連接簡單的傳感器或執(zhí)行器還體現(xiàn)不出自身的優(yōu)勢。不過，隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展、以太網(wǎng)技術(shù)的不斷進步、工廠網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的進一步扁平化，在未來的工業(yè)應(yīng)用中，出現(xiàn)以太網(wǎng)“一網(wǎng)打盡”的局面也是可能的。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的正確姿勢

工業(yè)4.0僅是一種被技術(shù)提供商帶著銷售目的過分夸大華而不實的術(shù)語？還是在未來幾個月或幾年內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)的行業(yè)趨勢？

諸多跡象表明，工業(yè)4．0是行業(yè)大勢。工業(yè)4．0也被稱作第四次工業(yè)革命，其中包括自動化技術(shù)的大量應(yīng)用以及在數(shù)字工廠中更大的數(shù)據(jù)交互。工業(yè)4．0名稱的由來，歸因于早期的制造階段——機械化、電氣化以及電子信息化三個歷史階段。

工業(yè)1．0是機械制造時代，即18世紀(jì)引入的機械設(shè)備制造時代；時間大概是18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中期

就是通過水力和蒸汽機實現(xiàn)工廠機械化。這次工業(yè)革命的結(jié)果是機械生產(chǎn)代替了手工勞動，經(jīng)濟社會從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到以工業(yè)、機械制造帶動經(jīng)濟發(fā)展的新模式。那時的機械設(shè)備還沒有電氣自動化控制的概念。

工業(yè)2．0是電氣化與自動化時代，即20世紀(jì)初的電氣化與自動化時代；時間大概是19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)初。

也就是在勞動分工基礎(chǔ)上采用電力驅(qū)動產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)；因為有了電力，所以才進入了由繼電器、電氣自動化控制機械設(shè)備生產(chǎn)的年代。這次的工業(yè)革命，通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的高效新模式。

工業(yè)3．0是電子信息化時代，即20世紀(jì)70年代開始并一直延續(xù)至現(xiàn)在的信息化時代。

在升級工業(yè)2．0的基礎(chǔ)上，廣泛應(yīng)用電子與信息技術(shù)，使制造過程自動化控制程度再進一步大幅度提高。生產(chǎn)效率、良品率、分工合作、機械設(shè)備壽命都得到了前所未有的提高。在此階段，工廠大量采用由PC、PLC／單片機等真正電子、信息技術(shù)自動化控制的機械設(shè)備進行生產(chǎn)。自此，機器能夠逐步替代人類作業(yè)，不僅接管了相當(dāng)比例的“體力勞動”，還接管了一些“腦力勞動”。

工業(yè)4.0概念是德國政府2013年《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》確定的十大未來項目之一，并已上升為國家戰(zhàn)略，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。

工業(yè)4．0是實體物理世界與虛擬網(wǎng)絡(luò)世界融合的時代。但德國業(yè)界對工業(yè)4．0的響應(yīng)者卻不多，原因之一是所謂的虛擬網(wǎng)絡(luò)－實體物理系統(tǒng)（Cyber－PhysicalSystem，CPS）融合的主要思想，美國早在若干年前就已提出。未來10年，基于信息物理系統(tǒng)（Cyber－PhysicalSystem，CPS）的智能化，將使人類步入以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。產(chǎn)品全生命周期、全制造流程數(shù)字化以及基于信息通信技術(shù)的模塊集成，將形成一種高度靈活、個性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)融合新生產(chǎn)模式。

工業(yè)4．0概念涵蓋許多相關(guān)技術(shù)和服務(wù)模式，例如云計算、大數(shù)據(jù)分析、物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（CPS）、機器技術(shù)、增強現(xiàn)實（VR）、物聯(lián)網(wǎng)等。在工業(yè)4．0時代，制造型企業(yè)將建立并運營比以往更加智能的工廠，他們可以輕松滿足客戶定制化需求。這種模式被稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或IIoT。

技術(shù)協(xié)同

推動工業(yè)4．0通常需要技術(shù)協(xié)作。例如，CPS為云服務(wù)提供支持，這使得智能對象和基于云的編程模塊實現(xiàn)交互；大數(shù)據(jù)分析能力使得機器變得越發(fā)智能，其他新興技術(shù)如人工智能（AI）、增強現(xiàn)實（VR）、3D打印等解決方案為工廠提供了前所未有的敏捷、精準(zhǔn)、高效的制造環(huán)境。

麥肯錫指出，工業(yè)4．0不僅僅是一個華而不實的口號，趨勢與技術(shù)的融合有望重塑制造方法。

在發(fā)展過程中，數(shù)據(jù)量，計算能力，連接量大幅度上升；數(shù)據(jù)分析能力和商業(yè)智能（BI）進步明顯；新型人機交互可用性增強；數(shù)字化革命成果顯著——例如先進的機器技術(shù)和3D打印技術(shù)的出現(xiàn)。

麥肯錫建議企業(yè)密切關(guān)注工業(yè)4．0的進展，以便抓住工業(yè)4．0相關(guān)技術(shù)創(chuàng)造的新機遇。傳統(tǒng)的制造商業(yè)模式正在被新型模式所替代。為了獲取工業(yè)4．0所帶來的效益，必須為接下來的數(shù)字化變革做好充足的準(zhǔn)備。

支持工業(yè)4．0應(yīng)用的平臺需要開放的系統(tǒng)以適應(yīng)不斷變化的市場需求和行業(yè)趨勢。在未來幾年新技術(shù)出現(xiàn)之時，加以利用。

未來工廠將是一個可以及時被改造和塑造的有機體，他們將連接比以往任何時候都多的實體，如客戶服務(wù)中心、原材料供應(yīng)鏈、分銷渠道等。而今天的制造環(huán)境通常是由制造廠互不兼容的自動化技術(shù)組合而成，這不利于各制造系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)共享。智慧工廠將利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺獲得整個企業(yè)制造業(yè)務(wù)的智能控制能力。

機器學(xué)習(xí)算法能夠識別生產(chǎn)模式和提取反饋，可用于優(yōu)化生產(chǎn)操作。預(yù)測性分析可確定整個工廠系統(tǒng)故障以便及時修復(fù)或更換設(shè)備避免耽誤生產(chǎn)期。

在現(xiàn)代的生產(chǎn)環(huán)境中，工廠數(shù)據(jù)被交付云端，云端可以提供可視化操作以及強大的分析工具，以便提出更高層次的業(yè)務(wù)操作流程。

舉個例子，英國的一個大型制造商在世界各地?fù)碛泄S，他們正在匯集所有工廠的自動化平臺上的數(shù)據(jù)，以將各種設(shè)備數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)傳送到統(tǒng)一公共云平臺上并創(chuàng)建自定義視圖。這將讓企業(yè)從整體視角看到所有的業(yè)務(wù)操作，便于提高生產(chǎn)效率。

工業(yè)4.0技術(shù)使能智慧工廠的關(guān)鍵驅(qū)動因素是推動個性化生產(chǎn)，與大規(guī)模批量生產(chǎn)不同，它能夠滿足客戶即時的需求提供高度定制化的產(chǎn)品。

生態(tài)的力量

未來工廠的潛力不是來自企業(yè)內(nèi)部，而是外部。由于工業(yè)4．0被證明可能適用于個別公司，因此IT、運營和業(yè)務(wù)部門的高管需要從更全面的角度來看待這一趨勢。他們需要意識到投資的最大回報應(yīng)該來自構(gòu)建工業(yè)4．0生態(tài)系統(tǒng)，包括設(shè)計、生產(chǎn)、運輸和產(chǎn)品使用等。

通過連接工業(yè)4．0的生態(tài)合作伙伴，生態(tài)系統(tǒng)中各個組成部分能夠提供更大的市場價值。類比于生物學(xué)概念，細(xì)胞無法單獨工作，而是依賴互利共生的有機整體。物聯(lián)網(wǎng)尤其是云服務(wù)能夠提供必要的組織架構(gòu)，幫助各部分高效協(xié)同的工作，創(chuàng)建能夠在互相關(guān)聯(lián)的生態(tài)關(guān)系中獲取利益的商業(yè)模式和智能操作。

工業(yè)4．0生態(tài)合作伙伴的的關(guān)鍵技術(shù)組件在于應(yīng)用程序接口（API）。制造廠向合作伙伴開放API可以促進合作伙伴創(chuàng)建各種所需的應(yīng)用程序。

為實現(xiàn)這一途徑，公司需要部署物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)平臺，這能夠促使整個生態(tài)合作伙伴以PaaS的服務(wù)模式分享面向服務(wù)的API。應(yīng)用將快速對不同的資源和數(shù)據(jù)類型進行業(yè)務(wù)分析，而過去需要專門的程序員進行分析。并輕松適配云供應(yīng)商特定的數(shù)據(jù)提取、差異存儲、分布式計算和機器學(xué)習(xí)的API。

通過利用API和云計算，企業(yè)將建立并分享新一代面向制造的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這將是工業(yè)4．0或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心。這不僅提供更強的智力和更高的效率也帶來了商業(yè)模式的變革。

構(gòu)建一個能夠制造獨特的、高度定制化產(chǎn)品的智慧工廠，消費者或企業(yè)需要找尋高度依賴與利用工業(yè)4．0的全部潛力。一個新的專為最新的制造革命API平臺正在出現(xiàn)，它將幫助公司快速開發(fā)，管理甚至進行產(chǎn)品盈利服務(wù)。