1.3.3 工厂内网关键技术概述

工厂内网指在工厂或园区内部，满足工厂内部生产、办公、管理、安防等连接需求，用于生产要素互联和企业IT管理系统之间连接的网络。“工业4.0”时代，网络层面为适应智能制造发展，促使工厂内部网络呈现扁平化、IP化、无线化及灵活组网的特点。

TSN是工厂内网重要的关键技术之一，并被认为是具有潜力的下一代工业现场级通信技术。TSN由IEEE 802.1工作组进行标准化，在标准以太网基础上进行了技术增强，在多业务统一承载基础上，能够为高优先级工业控制业务提供低时延、高可靠、丢抖动的确定性传输保障，改变了原有工业控制网络应用支撑能力差的弱点，实现“网络+控制”向“网络+控制/应用”的转变。

工业领域的部分控制场景对计算能力的高效性有严格要求，需要将计算资源部署在工业现场附近以满足业务高效实时的需求。边缘计算作为靠近数据源头或者被控设备的网络边缘侧，是融合了网络、应用核心能力、计算存储的开放平台，有低时延、高效、近端服务、低负载等优点，能够就近提供边缘智能服务，是工业互联网不可或缺的关键性环节。

工业PON技术采用先进的无源光纤通信技术和工厂自动化融合构建新兴的网络平台，是构建未来工厂智能化的基础，可以有效解决智能工厂和数字车间的通信交流，构造安全可靠的工厂内网络，完成智能制造基础设备、工艺、物流、人员等各方面基础信息采集，解决困扰企业的工业协议繁多和异构网络互联问题，实现工业现场协议的灵活转换和统一格式，同时，为企业上云做好基础网络和数据服务。基于PON的工业互联网工厂内网分层架构如图1-11所示。

图1-11 基于PON的工业互联网工厂内网分层架构

工业PON技术基于广泛部署的公众网络PON技术，在技术成熟度、产业链可控性、规模成本等方面具备优势。同时，针对工业场景的环境指标、物理接口、安全性、网络可用性等方面的个性化需求，工业PON设备均进行了有针对性的研发和优化，可以全面满足工业场景下大带宽、低时延、可靠性、确定性的要求，可适用于承载不同企业规模的离散型、流程型制造业的各类工厂内网络业务。通过工业PON终端设备提供工业场景下的不同类型的物理接口，可为工业控制、信号监控、数据传输、语音通信、视频监控、无线网络承载等各种业务应用提供支持。

工业PON 2.0设备在工业互联网体系架构中处于车间级网络位置，通过工业级接入网关设备可实现光网络到设备层的连接，通过光分配网络可实现工业设备数据、生产数据等到汇聚网关的集中，最终通过汇聚网关与企业IT网络的对接，从而实现企业IT和OT融合组网，以及保障工业数据的可靠有效传输。

工业内网主要用于连接工厂内的各种要素，可分为信息网络和控制网络两部分。在传统的生产环境中，控制网络是一套独立的网络，实现生产单元之间的可靠信息交互；信息网络是办公局域网，承载工厂业务系统。而将信息网络和控制网络融合为一张网，才能够支撑数字化与智能化生产。

1．现场总线

现场总线是安装在生产区域的现场设备 / 仪表与控制室内的自动控制装置或系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线，是自动化领域中的底层数据通信网络。现场总线系统既是一个开放的数据通信系统，又是一个可以由现场设备实现完整控制功能的全分布式控制系统。现场总线技术是一项以数字通信、计算机网络和自动控制为主的综合技术。

现场总线提出的初衷是实现开放式互联网络，使遵循相同协议的工业设备、控制设备等能够进行标准化对接，但目前世界上存在的、宣称为开放式现场总线的标准有40余种，不同的标准在特定的领域有着不同的特点和优势。多种现场总线技术标准的存在，导致彼此的开放性和互操作性难以统一。

当前较为主流的工业现场总线技术有基金会现场总线、过程现场总线（PROFIBUS）、设备网、局部操作网络等。

2．工业以太网

随着社会的不断进步，工业自动化系统开始向分布式、智能化的实时控制方向演进，因此工业生产网络也应基于一个统一的、开放的基础网络架构，更好地实现设备间的互联互通。这些都要求控制网络使用开放透明的通信协议，但是以前的系统无法满足这些要求。随着TCP/IP在互联网领域的广泛应用，工业控制领域逐渐形成了基于以太网的网络控制新模式，工业以太网标准应运而生。

工业以太网在技术上不仅兼容了基于IEEE 802.3标准的以太网，还对工业应用进行了技术增强或改进，是更加适用于工业场景的工业通信新技术。工业以太网的主要特点：可实现高速、大数据量的实时稳定传输；支持Web功能的集成，使用户可以通过HTTP等方式访问或管理设备；支持对原有总线系统的集成，通过网关方式，实现工业以太网与原有现场总线网络的无缝连接；支持时间同步技术，能够为具有同步要求的设备提供高精度时间同步支持。工业以太网发展之初是希望建立统一的、开放的网络架构，但由于应用领域、技术演进路线的不同，形成了多种工业以太网技术并存的局面。

以太网控制自动化技术（EtherCAT）是一个基于以太网架构的现场总线系统，为系统的实时性和拓扑的灵活性树立了新标准，同时，它还降低了现场总线的使用成本。其特点包括高精度设备同步、可选线缆冗余、满足安全完整性等级（SIL）3的要求。

Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议，建立在标准UDP/IP与TCP/IP上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议；Profinet由PROFIBUS国际组织推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准；而Powerlink融合了以太网和控制器局域网总线这两项技术的优缺点，具有开放且独立的标准技术，适用于任何一个以太网硬件产品，支持任何拓扑类型，循环周期仅为100µs，网络抖动小于1µs，满足实时性和确定性的要求。