1.2.1 工厂内网

1.现状

（1）工业控制网络架构现状

当前，工厂内网络呈现“两层三级”的结构，如图1-17所示。“两层”是指存在“工厂IT网络”和“工厂OT网络”两层技术异构的网络；“三级”是指根据目前工厂管理层级的划分，网络也被分为“现场级”“车间级”“工厂级/企业级”三个层次，每层之间的网络配置和管理策略相互独立。

在现场级，工业现场总线被大量用于连接现场检测传感器、执行器与工业控制器，通信速率在数kbit/s到数十kbit/s。近年来，虽然已有部分支持工业以太网通信接口的现场设备，但仍有大量的现场设备依旧采用电气硬接线直连控制器的方式连接。在现场级，无线通信只是部分特殊场合被使用，存量很低。这种现状造成工业系统在设计、集成和运维的各个阶段的效率都受到极大制约，进而阻碍着精细化控制和高等级工艺流程管理的实现。

车间级网络通信主要是完成控制器之间、控制器与本地或远程监控系统之间等的通信连接。这部分主流是采用工业以太网通信方式，也有部分厂商采用自有通信协议进行本厂控制器和系统间的通信。当前已有的工业以太网，往往是在通用的IEEE 802.3百兆以太网的基础上进行修改和扩展而来的，不同工业以太网协议间的互联性和兼容性限制大规模网络互联。

企业IT网络通常采用高速以太网及TCP/IP进行网络互联。

在工业互联网的智能工厂中，企业级IT管理运营系统对现场实时工艺过程数据和设备状态数据有着强烈需求。如何高效便捷部署现场设备的通信互联，以及如何利用先进的网络技术实现现场与管理级系统间高实时性、高可靠性数据通信，是目前工业网络系统技术领域普遍面临的焦点问题。

（2）工业控制网络常用协议

目前，工业控制领域常用的通信协议分为三类：现场总线、工业以太网和工业无线网络。

现场总线技术，主要服务于现场传感器件到控制器、控制器到执行器或控制器与各输入输出控制分站间的数据通信。目前，市场常见的现场总线技术有几十种之多，主要包括PROFIBUS、Modbus、HART、CANopen、LonWorks、DeviceNet、ControlNet、CC-Link等。相比起来，现场总线技术普遍存在通信能力低、距离短、抗干扰能力较差等问题。而且总线技术的开放性和兼容性不够，越来越影响相关设备和系统之间的互联互通。

工业以太网技术，是随着以太网技术的不断成熟，将以太网技术优化后被引入工业控制领域而产生的通信技术。目前，众多工业以太网协议已经逐步进入到各类工业控制系统中的控制通信应用。其低成本、高效通信能力及良好的网络拓扑灵活扩展能力，为工业现场控制水平提升奠定了基础。当前，主流的工业以太网技术包括Ethernet/IP、PROFINET、Modbus TCP、Powerlink、EtherCAT等。各种工业以太网技术的开放性和协议间的兼容性相较于现场总线有所提高，但由于其在链路层和应用层所采用的技术不同，互联互通性仍不尽人意，这在一定程度上也影响了工业以太网协议应用向更广泛的领域拓展。

工业无线技术，对在工厂内接移动的设备及线缆连接实现困难或无法实现的场合，具备很大的必要性。目前，用于工业场景的工业无线技术主要有WLAN、蓝牙、无线HART、WIA-PA、WIA-FA等。在工厂应用中，由于信号传输的可靠性可能受到实际环境因素的影响，这对无线通信的应用产生了较大的阻力。工业无线技术主要的应用领域还是非关键工业应用，如物料搬运、库存管理、巡检维护等场合。同时，由于不同国家和地区对于无线通信频段的管制政策不同，这客观上也限制了工业无线技术的应用规模。目前，工业无线技术的成熟度和发展速度都远不如有线通信技术。

2.发展趋势

伴随着工业互联网/工业4.0的广泛推进，工业通信技术的更新换代的节奏，可能会超过之前的任何一个阶段。

随着工业领域工艺技术的日臻完善，当前工艺突破带来工业生产效率提升的可能性变得越来越小。利用工业互联网技术来提升工业用户从设计、生产和运维等全生命周期的精细化管理，降低整体的人力成本、资源消耗，全面提升生产和运营效率等越来越受到重视。

工业互联网业务发展对网络基础设施提出了更高的要求和需求，工厂内网络呈现出融合、开放、灵活三大发展趋势。

工厂内网络架构的融合趋势：一是，网络结构的扁平化。传统的“两层三级”网络架构严重影响着信息互通的效率，随着大数据分析和边缘计算业务的对现场级实时数据的采集需求，OT网络中的车间级和现场级将逐步融合（尤其在流程行业），同时MES等信息系统向车间和现场延伸的需求，推动了IT网络与OT网络的融合趋势。二是，控制信息与过程数据共网传输。传统工业网络基本是依附于控制系统的，主要实现控制闭环的信息传输，而新业务对工业生产全流程数据的采集需求，促使工厂内网络将控制信息和过程数据的传输并重。三是，有线与无线的协同。工业互联网业务对于生产全流程、无死角的网络覆盖需求，使得无线网络的部署成为必然，无线网络的应用也将逐步从信息采集到生产控制，从流程行业到离散行业，而多种无线技术的应用也推动了工厂内定位技术的发展。

工厂内网络的开放趋势：一是，技术的开放。工业互联网工厂内网络技术体系将打破传统工业网络众多制式间的技术壁垒，实现网络各层协议间的解耦合，控制系统、应用系统将不再与某项具体网络技术强绑定；IEEE、IETF等国际标准组织加入到技术标准研制的队伍，IP/IPv6在工厂内的深入部署，都将进一步推动工厂内网络技术的开放。二是，数据的开放。工业互联网业务对数据的强烈需求，促使传统工业控制闭环中沉没或消失的数据开放出来，而生产全流程的数据将由更标准化的语法和数据模型开放给上层应用使用。三是，产业的开放。网络技术的开放正在打破传统工业网络“烟囱式”的发展模式，打破少数巨头对全产业链的控制，新的芯片厂商、设备厂商、网络提供商加入进来，推动产业开放。

工厂内网络的灵活友好趋势：一是，网络形态的灵活。未来工厂内网络将能够根据智能化生产、个性化定制等业务灵活调整形态，快速构建出生产环境。二是，网络管理的友好。随着工业网络化深入发展，工厂内的网络管理都将变得复杂，新的数据互通和软件定义技术应用将提供网络系统的可呈现度，网络管理界面将更为友好。

3.有线网络

有线网络是在工厂内最广泛使用的网络类型。近些年，随着工业互联网日益剧增的需求，在不同的协议层，各种针对有线网络的创新技术迅速发展。

按照协议层次划分：在物理层，主要有单对双绞线以太网和工业无源光网络（PON）；在链路层，主要有时间敏感网络（TSN）；在网络层，主要有确定性网络（DetNet）。这些工作在不同协议层的技术，可以单独或联合使用，满足不同场景下的特定需求。

（1）单对双绞线以太网

1）技术介绍

一直以来，以太网技术朝着提供更高传输速度的方向演进，主要采用双绞线网线（内含四对双绞线）、光纤作为传输介质。近些年，随着物联网广泛应用，采用单对双绞线作为传输介质，为低速应用提供更具成本效益，成为业界以太网技术发展方向之一。

当前业界的单对双绞线以太网技术有三个方向，具备不同技术特性，分别支持十兆、百兆和千兆比特率（见表1-1）。

其中，10 BASE-T1技术由ABB、艾默生（Emerson）、恩德斯豪斯（Endress+Hauser）、赫斯曼（Hirschmann）、倍加福（Pepperl+Fuchs）、罗克韦尔（Rockwell）、施耐德（Schnei-der）、西门子（Siemens）等诸多工业自动化厂商联合推动和制定。

10 BASE-T1技术面向工业制造场景，使用无屏蔽单对双绞线，同时实现10Mbit/s传输速度及供电，可支持最长1000m传输及本质安全。1000m传输距离，可以满足工业现场当前绝大部分总线使用场景的需求。相比总线技术，10 BASE-T1技术具备高传输速度、高可靠性的优势，且不会受到传输距离增加的影响。

此外，为满足单对双绞线提供更高的传输速度需求（典型的如车内通信），IEEE的100 BASE-T1技术和1000 BASE-T1技术采用无屏蔽单对双绞线，分别提供100Mbit/s和Z1Gbit/s的传输速度。进一步来说，这两项技术还可以与IEEE的PoDL技术联合使用，支持无屏蔽单对双绞线，在数据传输线上供电。

2）主要特点和优势

作为专为工业现场设计的以太网技术，十兆单对双绞线以太网IEEE 802.3cg技术具备诸多优势。

最远1000m的有效传输距离。IEEE 802.3cg引入物理层冲突检测机制，在采用10个连接器的情况下，支持最大1000m传输距离。

支持恶劣环境下（如工业现场及车内）的高可靠性。IEEE 802.3cg提供了两种物理层模式：短距模式下，误码率（BER）可达到10-10；长距模式下，BER可达到10-9。

复用现有工业系统的单对双绞线，提供10Mbit/s的数据传输。在现有工业现场，从4～20mA硬接线到多种现场总线，无屏蔽单对双绞线作为传输物理介质广泛存在，但只能提供数kbit/s到数十kbit/s的传输速度。IEEE 802.3cg提Z供全双工或半双工的10Mbit/s传输速度，可以满足如预测性维护等工业互联网新型应用的需求。

单对双绞线支持本质安全供电及数据传输。在现场设备中，采用单对双绞线，同时进行数据传输和供电的需求广泛存在。IEEE 802.3cg对IEEE 802.3bu中定义的10个以太网设备供电等级进行了扩展，实际传输的线路电压等级还可采用管理接口配置，或者通信双方自动协商，从而能满足特定环境下（如防爆）本质安全的要求。

3）适用场景

以太网具有技术成熟、高度标准化、高带宽及低成本等优势，当前已获得广泛应用。但在工厂内，以太网当前主要应用于工业系统的控制层及以上（如PLC与SCADA之间）。

单对双绞线以太网技术，能够满足工业现场需求，以低成本提供高数据传输速度，将以太网连接扩展到海量现场设备。该技术广泛适用于大量工业场景，包括短距（＜15m）范围的机器内、车辆底盘、座舱内的设备通信，以及中长距（最大1000m）范围的建筑控制、电梯控制、过程控制等。

在一些行业中，当前通信使用的双绞线是多年前布设的，用于4～20mA硬接线或HART、PROFIBUS-PA、基金会现场总线（Foundation Fieldbus, FF）等，为了升级而更换线缆完全不现实。使用单对双绞线以太网技术，可以复用已有通信线路，提供更高传输速度，这可以极大降低升级的成本和难度。

在过程自动化中，往往需要数百米，甚至上千米的传输距离，同时要求数据线供电。如果有提升传输速度的需求（如1Mbit/s以上），单对双绞线以太网将是很好选择。

（2）时间敏感网络

1）技术介绍

时间敏感网络（Time-Sensitive Network, TSN）是面向工业智能化生产的新型网络技术，为工业生产环境提供了一种既支持高速率、大带宽的数据采集，又兼顾高实时控制信息传输的网络。

在传统工业生产环境中，大量工业应用（如机器控制、流程控制、机器人控制等）对实时通信有着迫切需求，以保证高效和安全的生产流程。当前满足该要求的通常做法是，修改工厂内网络的以太网协议或在关键生产流程部署独立的专用以太网。然而，这类方式的互通性、扩展性和兼容性不够的问题，在从传统工厂控制网络升级到工业互联网的过程中日益明显。TSN为解决这个难题提供了一个有效的解决方案。

TSN是一种具有有界传输时延、低传输抖动和极低数据丢失率的高质量实时传输网络。它基于标准以太网，凭借时间同步、数据调度、负载整形等多种优化机制，来保证对时间敏感数据的实时、高效、稳定、安全传输。简要来说，TSN通过一个全局时钟和一个连接各网络组件的传输调度器，实现网络内的确定性实时通信。调度器依据相应调度策略，控制时间敏感数据流的实际传输时间和传输路径，以避免链路争抢所导致的传输性能下降和不可预测性，从而保证时间敏感应用的点对点实时通信。

当前，IEEE 802.1正在推进TSN系列标准的制定，核心内容涵盖时间同步、数据帧控制、数据流调度、传输可靠性保障等多个协议。我国也在同步推进工业互联网TSN系列标准的研究制定工作。

2）主要特点和优势

TSN技术让改变工业网络标准“七国八制”成为可能，未来各厂商将可以基于统一的基础网络“TSN+IPv6”进行数据协议设计和应用开发，改变现有“烟囱式”的产业格局。TSN技术面向1000Mbit/s接口设计，兼容现在工业网络广泛使用的100Mbit/s接口，是工业网络最被看好的向千兆以太网演进的技术方案，现有的PROFINET、EtherCAT、SERCOS Ⅲ等工业以太网均在研究与TSN技术的兼容、互通和演进问题。

作为数据链路层技术的TSN具备优秀的上层支撑兼容能力。一是，TSN改变了传统工业以太网技术的“烟囱模式”，能够更好地支持IP/IPv6、TCP/UDP等协议，实现OT与IT的网络层次结构的融合。二是，TSN将构建完善的YANG数据模型，能够与上层的DetNet、SDN等技术的YANG数据模型进行良好的兼容互通，更好地支撑各类上层应用。三是，TSN与OPC-UA配合，能够解决工厂内的数据互通问题，将OPC-UA的数据采集延伸到现场级，实现生产环境全方位实时数据汇集。

时间敏感数据流的传输延迟得到绝对保证，具有确定的时延上限。在传统网络中，通常通过分配带宽的方式来大致实现时延的保障，具有不确定性和不可预测性。TSN能够消除这种不确定性和不可预测性，使分配的网络带宽恰好满足要求的时延，从而允许针对应用的实际需求进行带宽分配，既提高了带宽利用率，也保证了传输时延上限。

支持时间敏感数据流和非时间敏感数据流在同一个网络中混合传输，而不会存在相互干扰的风险。在传统网络中，数据流以“Best-effort”的服务模式进行传输。当两种类型的数据流混合在一起时，非时间敏感数据流的调度和传输行为会影响时间敏感数据流的调度和传输，从而无法保证时间敏感数据流的传输延迟。在TSN中，调度器优先调度时间敏感数据，并通过抢占机制、流量整形机制等确保时间敏感数据流的稳定、实时传输，消除了数据流之间的相互干扰。

TSN提供稳定的数据传输，网络交换设备通过流量整形机制对数据流进行平滑转发。在传统网络中，不可避免地会有突发高峰负载。这种不稳定的流量特征使得在进行数据转发时无法有效预测传输时延，难以保证实时数据传输。在TSN中，交换设备对接收到的负载进行整形，特别是对高峰流量进行缓存，尽量平滑地将其转发出去。这种机制保障了数据传输的稳定性和可预测性，确保了时间敏感数据的端到端传输延迟。

3）适用场景

工业控制网络存在大量对时间非常敏感的应用，如传感器数据实时上报、音视频文件传输、控制指令下发等。这些数据需要在确定时限内发送到目标，以支持工控设备和应用的正常运转。

TSN将基于通用的以太网标准来建设，具备确定性网络的属性，能够满足工业网络对定时、安全和可靠性等方面的要求，现有的专有工业控制网络可以通过网关来连接到TSN，并实现互联。

（3）工业无源光网络

1）技术介绍

目前，工业无源光网络（Passive Optical Network, PON）技术，主流有EPON技术和GPON技术，分别由IEEE和ITU制定技术标准。EPON和GPON的主要参数对比见表1-2。

EPON和GPON的网络架构均为物理点对多点，均采用时分复用（Time Division Multi-plexing, TDM）方式实现逻辑上的点对点连接，其原理示意如图1-18所示。

工业PON主要由位于中心站的光线路终端（Optical Line Terminal, OLT）、位于边缘的光网络单元（Optical Network Unit, ONU），以及两者之间光分配网（Optical Distribution Net-work, ODN）（包括光纤及无源分光器）组成，可以提供多种工业接口，适应各种工业设备信息传送及各种专用系统接入场景的要求。

2）主要特点和优势

工业PON具有以下优点：

高可靠性。PON通过无源器件组网，ODN不受电磁干扰和雷电影响；支持冗余组网及多种保护倒换方式，切换时间短、抵抗失效能力强。

部署简单灵活。PON技术采用点到多点传输架构，终端并行接入，部署灵活；仅需单根光纤线传输，最远覆盖20km范围。

高容量，支持多种业务。PON技术可提供1～10Gbit/s的传输速度，适合多业务承载，支持数据、视频、语音、时间同步等多种业务。

高安全性。PON设置ONU安全注册机制，下行数据传送支持加密算法，上行数据传送通过时分机制实现不同终端设备上行数据的隔离。

3）适用场景

参考工业互联网分层架构，工业PON在工业互联网体系架构中用于连接工厂内的边缘网络与骨干网络，通过ONU设备完成现场级设备与上层实体（如服务器、SCADA系统等）的连接，实现数据采集、生产指令下达、传感数据采集、厂区视频监控等关键功能。同时，工业PON也适用于工厂办公网络的承载，可参考现有政企接入网的建设模式。

通过工业PON和企业骨干网络，将企业生产网和办公网络实现互联，从而实现生产线数据到工厂/企业IT系统的可靠有效传输。

工业PON最常用的组网方式是基于Type D保护方式的手拉手保护链型组网和星形组网，实现全光路保护，提高了车间通信网络的可靠性，为制造企业的通信可靠性提供了坚实的保障。具体的组网方式可根据工厂实际情况进行选择。图1-19所示为工厂内应用工业PON的案例。

（4）确定性网络

1）技术介绍

确定性网络（Deterministic Networking, DetNet）是国际互联网工程任务组（Internet En-gineering Task Force, IETF）制定的网络层标准，其通过提供有确定范围的时延、丢包和时延抖动参数的数据路径，为应用提供一个可靠的网络环境。

DetNet主要采用了资源预留、确定路径、无缝冗余三大技术，实现向用户提供拥塞控制、确定路径、确定性的延迟和抖动、多路径传输、分组编码保护等主要服务。DetNet为ZDetNet流在路由路径的每个节点上预留足够的缓存和带宽资源，保证DetNet流不会因为缓存不够而出现丢包。DetNet对DetNet流的传输路径计算采用相对固定的路由路径技术，为资源预留技术提供了基础的保障，同时路径的固定也为延迟的精确计算提供了可能，这些是保证确定性延迟和抖动的基础。同时，DetNet通过无缝冗余技术，即多路径传输的方式，保证在工作路径发生故障时，依然有备份的数据流通过其他路径正确、实时地传输到目标节点。此外，DetNet系列技术还包括队列整形技术和流标识技术。队列整形技术用于解决排队带来的时延问题，通过排队和传输选择算法，由中央控制器计算每个节点的时延，并计算它们对每个新增DetNet流提供的缓存容量，从而更好地调度和控制节点和终端系统。流标识技术用来区分网络中的确定性流和非确定性流，以及带有不同QoS标准的确定性流。

2）主要特点和优势

DetNet技术的优势在于其在网络的L3层来保证网络业务的确定性传送。DetNet重点针对多子网的L3实时互联。它在TSN现有机制（如资源预留、冗余路径、队列整形等）的基础上，针对L3设备（如路由器、防火墙、服务器等）进行接口调度融合或机制与算法的L3上移，以保障严格的跨域子网之间的确定性网络服务。

随着智能工厂的发展，远程控制的需求将逐渐显现，而目前的工作控制网络主要局限在局域网的范围，不能满足跨局域网的确定性业务传输需求，而DetNet则可以很好地解决跨域的问题。

3）适用场景

DetNet技术可以应用在，如工厂设备联网、厂房办公楼的建筑自动控制等较大范围内，需多个实时边缘网络互联的场景。

在智能工厂中，各机器之间通过交换彼此的信息或使用一个超级控制器来描绘整个网络的拓扑结构及网络中的各种状态信息。所以，工厂内网络需要建立在IP网络之上，并且对于时延和丢包率有着确定性的要求。与此同时，工业互联网工厂内网络还要求高可靠性和时间同步。例如，在个性化定制的场景中，就要求现场设备与管理级系统间高实时性、高可靠性进行通信，DetNet技术能很好地满足此类场景的需求。

DetNet技术在建筑自动控制中的应用，将有效提升建筑自动控制系统的效率。建筑自动控制系统通过管理整个建筑内的各种设备及传感器，来提高建筑的环境条件、降低能量消耗，及时发现设备故障和处理紧急情况，如控制一个车间的温湿度、空气质量、安防、门禁等。在工厂控制中通常有两层网络，即上层管理网络和下层现场网络。目前，在管理网络中，通常使用基于IP的通信协议；而在现场网络中，通信技术种类繁多，甚至有企业私有的，导致互通难、集成难。使用DetNet技术，可以有效支持采用不同技术的现场网络与管理网络实时互联。

4.无线网络

在工厂内，采用无线网络，可以消除线缆对车间内人员羁绊、纠缠等危险，使工厂内环境更安全、整洁，且具有低成本、易部署、易使用、调整灵活等优点。

目前，工业无线网络，主要用于工厂内部信息化、设备信息采集及部分非实时控制等目的，采用Wi-Fi、ZigBee、无线HART、WIA-PA等技术。这些技术主要基于短距标准（如IEEE 802.11）或近距标准（如IEEE 802.15），由于种种原因，尤其是在可靠性、数据传输速度、覆盖距离、移动性等方面的不足，导致在工业领域未能广泛应用。

未来工业互联网，为满足工厂要素全面互联、生产灵活调配的需求，以及一些新的无人操作的诉求（如远程巡检等），对于无线网络有更迫切的需求。工厂内无线网络，将更多采用创新技术，在工业领域逐步渗透，呈现从信息采集到生产控制，从少量部署到广泛应用的发展趋势。

（1）用于免授权频段的蜂窝无线技术MulteFire

1）技术介绍

2015年12月，高通、诺基亚、爱立信、英特尔等公司，联合发起了MulteFire联盟，旨在发展和推广4G LTE技术在免授权频段独立应用。2017年底发布的MulteFire技术1.1版本，增加了覆盖增强特性和窄带物联特性，重点面向在行业领域的专网应用。

MulteFire技术运行在免授权频段（如全球5GHz、2.4G、Sub-1G），实现将LTE的性能优势与Wi-Fi类似的简单性相结合，提供比Wi-Fi更好的网络覆盖（减少网络盲区）、更安全的认证机制及更优异的网络性能，从而获得更好的用户体验，匹配各类工业无线互联业务的核心诉求。

MulteFire网络由终端UE、基站eNB及可选的核心EPC组成，承载业务应用系统，如图1-20所示。

工厂内各种设备，通过集成MulteFire的模块或通过以太网网线连接到支持MulteFire的DAU终端后，接入MulteFire网络。数据通过无线接口传递给基站，进而通过有线IP网络汇聚到核心网，最后转发到应用服务器，实现采集信息、监测数据的上报。业务应用系统生成的分析结果、控制命令等，通过反向数据流，传递到终端设备。

简化的MulteFire还支持免核心网配置，适用于小型区域，不支持设备在基站间切换。

2）主要特点和优势

MulteFire无线网络技术，包括宽带和窄带两个子集：宽带方案LTE-U和窄带物联方案IoT-U。

MulteFire宽带方案，最多可使用80MHz大带宽，具备高传输速度、低时延特性，在覆盖、容量、移动性等方面具备诸多优势。

覆盖距离更远。同等发射功率下，MulteFire宽带方案覆盖距离是Wi-Fi的2～3倍。

移动性更好。MulteFire技术基于蜂窝通信系统设计，可支持高达160km/h的移动速度。

容量更大。MulteFire单小区可以支持50个以上的并发终端，并且小区的整体性能不会随着终端数增多而降低。

安全性更高。支持终端和基站之间的双向认证，支持AES-128/256位空中接口数据加密，采用IPsec确保基站与应用平台间的安全。

完善的通信服务质量（QoS）保障机制。通过高级访问控制、无线资源管理、传输资源管理等技术，提供了9级的QoS等级，确保多业务接入场景下的带宽分配和可靠性需求。

传输时延更低。传输时延最小20ms，切换时延小于50ms。

MulteFire窄带物联方案基于3GPP NB-IoT技术修订，适配免授权频段法规约束，除了具备与MulteFire宽带方案相同的安全性以外，更具备广覆盖（覆盖半径0.5～1km）、低功耗（日上报1次，每次200个字节，2400mA·h电池待机10年）、大连接（单站支持5000个设备接入）等优势。

3）适用场景

MulteFire宽带方案，可满足工厂内的宽带数据传输需求，或者承载对时延敏感的控制类业务，如使能视频监控、AGV调度、连接扫码枪、巡检仪等手持设备。

2017年12月，全球最大的无人自动化码头开港运行，其自动化核心系统——自动导引集装箱运输车（Automated Guided Vehicle, AGV），无人驾驶控制，由MulteFire工业无线网络承载。

MulteFire窄带物联方案，更适合低传输速度，对时延不敏感，对覆盖、功耗有更高要求的业务，如设备能耗监控、资产跟踪、工厂环境监控等应用。

（2）5G低时延高可靠通信（uRLLC）技术

1）技术介绍

5G uRLLC是5G技术方向之一，满足高可靠、低时延需求。2016年初，国际移动通信标准组织3GPP启动了5G技术标准的制定，5G uRLLC的特点是高可靠、低时延、极高的可用性，面向工业控制、工厂自动化、智能电网、设备、车联网通信、远程手术等场景。

2）主要特点和优势

5G uRLLC在时延和可靠性方面，相比之前的蜂窝无线技术，有了极大提升。

5G uRLLC技术，实现了基站与终端间，上下行均为0.5ms的用户面时延。该时延指成功传送应用层IP数据包/消息所花费的时间，具体是从发送方无线协议层入口点，经由无线传输，到接收方无线协议层出口点的时间。时延包含上行链路和下行链路两个方向，5G uRLLC实现低时延的主要技术包括，引入更小的时间资源单位，如微时隙（mini-slot）；上行接入采用免调度许可的机制，终端可直接接入信道；支持异步过程，以节省上行时间同步开销；采用快速HARQ和快速动态调度等。

5G uRLLC当前的可靠性指标：用户面时延1ms内Z，一次传送32字节包的可靠性为99.999%。在5G标准最终制定完成时，该指标有望进一步提升。此外，如果时延允许，5G uRLLC还可以采用重传机制，进一步提高成功率。5G uRLLC采用的提升可靠性技术包括，采用更稳健的多天线发射分集机制；采用鲁棒性强的编码和调制阶数（MCS选择），以降低误码率；采用超级鲁棒性信道状态估计。

5G uRLLC还支持基于IEEE 1588v2的同步技术。在运动控制场景下，5G uRLLC可以在由50～100个设备的通信组中，通过无线接口，实现亚微秒级的高精度时间同步。

3）适用场景

5G标准化伊始，西门子、博世等工业企业就积极参与，提出了从运动控制、控制设备互联、移动的生产设备、增强现实等诸多工厂内5G技术的应用场景及需求。

传统上，生产线是相对稳定、长期不变的，因此工厂内对无线的需求不强烈。但在未来工厂中，情况可能会发生重大变化。未来工厂所需要的灵活性、移动性和多用途适用性，只有无线连接才能提供。

5G使工厂生产柔性化。在制造自动化控制系统中，典型的闭环控制过程周期短至毫秒级别，同时对可靠性也有极高的要求。未来工厂中，静态的顺序制造系统，越来越多地被新型的模块化生产系统取代，从而提供更高的灵活性和多用途适用性。5G uRLLC技术在满足高可靠、低时延的基础上，带来生产设备无线连接的灵活性，使得工厂生产系统模块化和柔性制造成为可能，极大降低了生产线重组的时间开销及成本。

基于5G的工业增强现实及远程控制。采用增强现实技术，对生产任务进行分步指引，指导工厂工作人员现场手动装配过程，可以快速满足新生产任务的需求。在恶劣环境下，基于增强现实应用实现人机远程交互与控制，用工业机器人代替人的现场参与。5G的低时延和高速特性，使这些应用成为现实。

5G支持生产设备、移动机器人、AGV等之间的协作。在未来工厂中，移动机器人、AGV起到日益重要的作用。在生产过程中，要求这些智能设备间的密切协同和无碰撞作业，需要以无线方式低时延、高可靠地进行实时数据交换。5G uRLLC技术对于这些设备间的精密协作至关重要，可以大大提升制造效率。

5.工厂内定位

工业生产中，智能化面临很多问题亟待解决，如资产定位和统计困难、物料与产品的精细化管理、生产安防能力不足等。定位技术实时提供人员、物品的位置信息，是生产智能化的重要使能技术之一。

（1）室外定位技术

卫星定位是广泛应用的室外定位技术，其利用多个卫星的参考信号，确定接收机位置，实现全球范围内提供准确位置坐标。由于卫星定位信号功率低，因此通常只能适用于无遮挡的室外场景。

北斗卫星定位是我国自主研发的全球卫星定位系统，可在全球范围内全天候、全天时为用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，同时提供短报文通信，定位精度为10m，测速精度为0.2m/s。如果再采用地基增强技术，定位精度甚至可提高到厘米级。

卫星定位适用于工业室外定位场景，特别是大型企业，如油田、港口、电厂、物流等，可为企业实现车辆定位和导航，大范围作业管理、大型机械自动化控制等功能，有效提高大规模厂区内人员、设备动态监控和智能化管理能力。

（2）室内定位技术

室内定位是指，在室内环境下，实现人或物体的位置定位技术。大量的工业生产主要集中在室内，卫星定位由于信号受建筑物阻挡大，定位精度低，无法满足工业室内应用需求。室内定位主要采用无线信号传输、非可见光传输、惯导定位等技术，实现室内的位置监控。

1） Wi-Fi定位技术

Wi-Fi定位是利用WLAN信号，基于无线信号强弱，来实现定位的技术。定位算法分为，传播模型法和信号强度指纹法。传播模型法，可实现5～10m的定位精度。信号强度指纹法，可实现3～6m的定位精度，但需采集大量指纹特征，当室内环境复杂多变时，指纹库维护成本较高。

Wi-Fi定位可利用企业现有WLAN，增加位置计算服务器，完成人员和资产的定位。定位终端只需支持Wi-Fi功能，因此Wi-Fi定位成本较低。Wi-Fi定位支持网络端被动定位，向企业提供人、物品位置信息，提高企业智能化水平。

另一方面，如果工厂Wi-Fi热点密度不满足定位要求，则定位精度会明显下降。此外，Wi-Fi终端定位器能耗较高。

Wi-Fi定位支持覆盖半径90m以内的区域，适用于对定位精度要求不高，并且已部署WLAN的工业场景。由于WLAN支持无线数据传输，因此Wi-Fi定位可以实现数据通信与无线定位的有效融合，大大节约企业成本。

2）蓝牙定位技术

蓝牙定位是利用蓝牙无线传输，基于无线信号强弱实现定位的技术。蓝牙定位算法与Wi-Fi的相似，这里不再赘述。

蓝牙定位终端支持蓝牙4.0协议，成本低、体积小。如果工厂内每30～50m2部署一台定位信标，可实现1～3m的定位精度。蓝牙定位支持覆盖半径100m以内的区域，适用于主动定位场景，即定位终端主动发起定位请求实现终端定位，如工厂内导航、员工考勤和监控及服务领域等。但是，蓝牙定位无法实现网络端定位，不能由服务端主动发起终端定位。

3） RFID定位技术

RFID定位是采用射频识别技术、通过RFID信号识别终端的定位技术。该定位由阅读器获取终端数据，采用RSSI或TDOA计算方法，实现终端位置的计算。

RFID定位可识别距离小，支持覆盖半径30m以内的区域。另一方面，RFID定位精度高，可实现厘米级定位，终端标签成本低、能耗小。

RFID定位支持网络端被动定位，适用于库房物料管理，流水线加工对象识别及操作监控，满足企业自动化生产、智能库存管理等需求。

4） UWB定位技术

UWB定位是采用超带宽无线通信的定位技术。所谓超带宽通信，是指通过发送和接收纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲传输数据，从而具有GHz带宽的无线通信技术。

UWB定位精度可达5～10cm，具有精度高、功耗低、抗多径、安全性高、复杂度低等优点。另一方面，UWB定位信号传输距离约10m，穿透能力弱，无法穿透混凝土墙体。同时，为保证定位精度，需要任意时刻有四个基站接收到标签发出的脉冲信号，因此UWB定位建设成本较高。

UWB定位技术适用于小范围内的高精度的物料、半成品、工具、人员定位的工业场景，如装配车间部件高精度定位、智能仓储和物料定位管理和生产可视化管理等。

5）基站定位技术

基站定位是基于4G/5G通信网络和移动通信技术，有效提高定位精度的定位技术。该技术采用TDOA算法，通过移动通信下行链路，实现终端的位置计算。

基站定位支持半径为1～10km的定位区域，可实现3m的定位精度，特殊场景下支持1m的定位精度。基站定位源于蜂窝通信网络，在定位基础上，实现宽带移动通信与室内定位的有效合一，同时支持室外与室内无缝覆盖。

基站定位可实现广域覆盖，适用于大型企业。特别是，企业存在宽带移动接入或物联网接入需求时，通过部署蜂窝网络，同时满足通信与定位的需求，大大降低企业建设成本。

（3）融合定位技术

工业生产环境复杂，单一定位技术往往无法满足工业各领域对精度、覆盖、成本等的要求。而且，工厂范围内WLAN、蓝牙网络、蜂窝网络等可能共存。因此，未来企业内的定位系统很可能是以融合定位技术为核心的异构架构（见图1-21），包括室内定位与室外定位的有机融合、多种室内定位技术融合，从而提供广覆盖、多场景、连续无缝、高精度的定位。

融合定位技术需要建立一体化融合的异构体系架构，通过有效评估和决策机制，输出最优的定位结果。融合定位技术需要支持多层次的融合，包括室内与室外定位融合、不同定位技术融合、不同定位数据融合、基本定位与辅助定位融合等。此外，融合定位需要支持反馈式决策机制，即实现实际位置结果和预测结果之间的反馈机制，从而提高定位的可靠性和稳定性。

6.敏捷网络/工业SDN

（1）技术介绍

目前的工厂内的信息网络（即IT网络）和控制网络（即OT网络）相互独立运行，网络拓扑刚性、跨网络的信息交互和管理十分困难。工业软件定义网络（Software-Defined Net-working, SDN），就是借鉴了软件定义网络的思想，为实现IT网络与OT网络的深度融合，构建柔性、灵活和敏捷的工业网络，而提出来的。

工业SDN由多种协议的终端设备、可编程的工业SDN交换机和集中式的工业SDN控制器构成。终端设备通过北向接口向工业SDN控制器提交数据的流量特征和传输需求，集中式的工业SDN控制器根据流量特征和传输需求，生成工业SDN的转发规则，通过标准化的南向接口下达到工业SDN交换机中执行，如图1-22所示。

工业SDN的核心是通过软件定义的方式，对交换机等网络设备进行管理和配置，同样也可以支持面向未来的TSN设备。工业SDN能够支持IT设备和OT设备的统一接入和灵活组网，为IT业务提供高带宽的传输保障，并为OT业务提供端到端实时性的保障。通过工业SDN，可以对IT和OT设备和流量进行统一的监控和管理。

（2）主要特点和优势

工业SDN技术支持多种协议的IT和OT设备的统一接入。目前的IT设备普遍适用标准的IP和以太网协议，OT设备则使用经过修改的以太网协议，工业SDN技术能够通过可编程序的交换机识别和区分这些协议，并按照这些协议规定方式转发数据报文，实现多种协议设备的统一接入。

工业SDN技术支持设备的灵活组网。当生产过程根据原料、订单或环境的变化发生改变时，设备之间的联网和通信关系也会发生改变。工业SDN使用软件定义的方式重新修改交换机中的转发规则，使之能够快速适应新的联网方式和通信关系，实现设备的灵活组网。

工业SDN技术同时满足IT和OT业务的传输需求。工厂内的IT业务一般需要比较高的带宽，而OT业务往往对实时性和可靠性有明确的要求。工业SDN集中式的控制器能够按照不同的传输需求，对整个网络中的资源进行统一调配，通过带宽限制和优先级配置等方式进行管理，满足不同业务的传输需求。

工业SDN技术有助于实现工厂全网的可视化管理。工业SDN构建了扁平化的工厂内网络架构，网络终端设备和网络转发设备能够被统一高效地管理起来，工业SDN控制器能够在线检测设备入网情况；通过流量的跟踪，分析网络故障；通过异常流量监控，提高网络安全性；为整个IT & OT融合网络提供统一的拓扑管理、警报管理、性能管理、审计管理、报表管理等功能。

（3）适用场景

工业SDN在能够保证工业控制业务实时性与可靠性的前提下，提高了网络的灵活性，适合在生产设备经常发生变化的场景中使用，如个性化定制或批量定制生产。

在个性化定制或批量定制生产中，生产过程会根据订单的切换而发生变化，导致生产设备的管理和控制逻辑发生变化，进而影响设备之间的通信关系。与传统工业控制网络往往需要重新组态不同，工业SDN可以支持设备的灵活组网，重新组网之后的管理和控制业务同样可以得到相应的传输保障。同时，工业SDN具备网络的统一接入和管理能力，能够快速发现设备重新组网时出现的问题，指导现场人员快速进行处理。