1.背景
我国智能制造的提出与实施落地，已经历了5年多时间，现在整个业界对于智能制造数字化、网络化、智能化的发展路径已基本达成共识。智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。大到智能制造生态建设，小到工厂车间中智能制造系统实施，网络技术在其中都凸显了重要作用。
一直以来，工业中使用的网络技术和概念层出不穷，从传统的现场总线、工业以太网、工业无线网（本文将这三种技术统称为工业测控网），到后来的工业物联网，再到现在的工业互联网，在此将这些工业用的网络统称为工业网络。这是由于随着信息技术的快速发展，工业界由原来比较封闭的自动化/运营技术（Operation Technology，OT）领域，逐渐向信息技术（Information Technology，IT）领域开放，OT和IT融合发展是技术必然的发展趋势。工业网络技术的多样性对于工业转型升级和制造业高质量发展带来的益处毋庸置疑，但也确实产生了一些概念混淆不清的弊端。一方面，于工业来说哪个技术更先进、更适应，谁包容谁，相互有何关联、有何区别？这些问题一直是学术界和工业界的争论焦点。另一方面，对于已有工厂的升级改造或新建工厂，从工厂内外网络的工程设计、建设实施到运行维护、安全保障，选择何种网络技术来解决亟需问题，都需要有专业的技术指导。再有，现在工业互联网热度很高，的确对于跨企业跨行业跨地域的产业链协同与资源优化配置发挥了很大作用，但似乎其更注重企业上层系统建设，而与底层工业系统/网络的结合程度如何、对满足工业生产制造发挥的作用如何，这些问题都仍有待探讨。
本文基于工业网络技术发展脉络和标准化进程，立足于不同工业网络技术对于工业生产的作用与意义，首先从工业应用的本质和影响出发，阐述什么是工业生产，分析工业应用对于网络技术的实际需求；然后从术语定义和标准化方面，理清各种工业网络技术的概念和作用范围，重点比对了国内外概念理解上的差异；最后思考当前国内工业网络技术发展与生态建设对于工业生产、智能制造应如何更好地发挥积极作用，以及在推进策略上提出建议。
2. 工业应用的本质
2.1. 工业生产——制造业分类
按照工业生产的产品形态和生产工艺组织方式，工业行业分为流程工业和离散工业两种典型类型。流程工业是指通过化学反应和/或物理分离而进行生产的行业，其产品形态一般为流体（如液体、气体），典型的流程工业包括石油、化工、水处理、造纸等行业。离散工业主要通过对原材料物理形状的改变、组装而形成产品的行业，其产品形态为按件计量的物品，典型的离散工业包括汽车、电子、航空航天等行业。另外，还有如钢铁、制药、饮料等混合型工业生产。
不同工业类型具有不同的生产过程特点与应用需求，相应地产生和应用不同的工业自动化控制系统（IndustrialAutomation and Control Systems，IACS）, 典型的有DCS控制系统和PLC控制系统。流程工业生产过程的测控变量一般为温度、压力、流量、液位等时间连续的模拟量，控制方法多为PID（比例积分微分）调节，通常采用DCS（分布式控制系统）、大型PLC（可编程逻辑控制器）等控制系统。离散工业生产过程的测控变量一般为产品数量、开关状态等时间离散的数字量，控制方法多为一系列活动顺序的逻辑控制，通常采用PLC控制系统。表1给出了一些流程工业和离散工业测控特点的比较。
表1 流程工业和离散工业测控特点的对比
无论DCS、PLC或其他新形式的控制系统，都是传统控制系统随着计算机技术、自动化技术、网络技术、信息技术发展的产物，并不断向数字化、智能化方向发展，后来演变出所谓的现场总线控制系统（FieldbusControl System，FCS），其本质上都是通过工业测控网络（包括有线网络和无线网络）将工厂生产现场的测量设备、控制设备、执行设备连接起来，形成各种智能生产装备、生产单元、生产线乃至整个自动化控制系统，并按照预先设定（组态）的控制算法或逻辑顺序实现分布式自动化控制及生产制造。
2.2. 现场环境要求
工业生产现场环境一般比较恶劣，比如高温、高湿、多尘、电磁干扰大等，以及连接设备多、安装和接地规范性等问题，这些都会对网络通信质量产生影响，可能导致设备运行和通信不稳定从而影响正常的生产制造。因此，工业现场设备基本都要通过环境适应性、电磁兼容性（EMC）、通信一致性和互操作性的测试，并达到标准规定的要求才能使用。
此外，不同类型的工业应用还有其特殊要求。例如，流程工业应用一般要求现场网络支持总线供电（即通信线缆同时支持数据传输和设备供电），特别在危险区域，还要求现场仪表/设备具有本质安全（即仪表/设备应满足在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物）。
2.3. 基本数据传输需求
与IT领域通信相比，工业现场应用所需传输的数据具有典型特点，从数据传输特点分析，可以更好地理解工业应用对于网络通信的需求。应用于工业现场的网络技术为满足自动化控制需求，应至少提供以下三类数据的传输。
a) 过程数据：传感器（变送器）周期性向控制器发送的输入数据（测量值），以及控制器周期性向执行器发送的输出数据（设定值）。这种类型的数据是自动化控制系统的输入和输出，一般被称作实时数据，其传输关系、循环周期和数据内容，都是按照预先组态设置好的。
b) 变量数据：控制器或监视设备对现场设备（传感器、变送器）、执行器的网络可视参数/变量进行读、写操作的数据。这种类型的数据不参与自动化控制，可用于现场监视应用（如SCADA），数据传输就通信协议而言是非周期的，其通信关系和数据内容是临时的。
c) 报警数据：当现场的工艺、通信或操作等出现异常情况或故障时，现场设备可向控制器或监视设备发出带报警或诊断的数据。这种类型的数据不参与自动化控制，可用于现场监视应用（如SCADA），数据传输是非周期的，但其通信关系和数据内容是预先定义的。
所有应用于工业现场的网络技术，应首先满足上述数据类型的传输，并根据应用需求增加系统及网络管理、组态、报警、同步等协议机制（功能）。
随着工业智能应用的发展，又产生了新的工业大数据的传输需求，如视觉检测使得现场数据采集从一维感知到多维全景感知发展，数据呈现结构化与非结构化特性并存，实时数据与非实时工业大数据共存等新的特点，这对工业网络通信也提出了更高的要求。
2.4. 基本性能和功能要求
工业现场使用的网络技术，应满足工业应用的特殊需求，包括数据传输的实时性（real-time）、确定性（deterministic）、可用性（availability）、可靠性（reliability）、安全性（functional safety &security）等要求。这也是工厂中使用特定的工业专用网络而非办公网络的原因。
工业通信的确定性和实时性是相辅相成的。确定性是指通信系统的端到端传输延迟具有最大限值，实时性是指系统在限定的时间内对外界事件做出处理与响应的特性，二者综合反映工业自动化控制应用的数据传输时间是确定可预测的。由于现有通用的网络通信技术无法满足工业数据传输的确定性、实时性需求，因此工业界产生了专用的现场总线、工业以太网、工业无线网络技术。
可用性和可靠性在不同领域的定义是不一样的。在工业自动化领域，可用性是指在给定条件下，事物在预定时间或时间间隔内处于某个状态并执行所要求功能的能力（IEC62439-1），一般通过冗余技术实现高可用性，包括媒体冗余、关键装置冗余、控制系统冗余等，以尽量缩短或避免因日常维护（计划）和突发崩溃（非计划）所导致的系统停机时间。可靠性一般指物品在规定条件和规定时间内，完成要求功能的能力（IEC61987-1）。通信可靠性则是指所传输的报文/消息在可接受延时内完整无损地到达最终目的地的能力（IEC 62734）。如果在传输过程中受到外界环境的干扰,或在通信系统内部由于各个组成部分的质量不够理想而使传送的信号发生畸变时，就会导致通信可靠性降低。工业生产现场环境干扰较大，因此对于通信可靠性提出更高要求。
工业通信的安全性包括功能安全（functional safety）通信和信息安全（security）两方面内容。功能安全通信是指在现场总线/工业以太网通信协议栈（应用层）上定义附加的安全层协议，采取相应防护措施以避免通信过程中产生如讹误、意外重复、错序、丢失、不可接受延迟、插入、伪装、寻址等通信错误（IEC61784-3）。工业信息安全是指保护避免不可接受的有意的（计算机）攻击或无意的工业自动化控制系统改变，避免信息和自动化设备受到未授权访问。无论功能安全还是信息安全，其安全威胁与风险评估对于安全相关的工业应用都是必要的。
2.5. 小结
与信息领域网络技术相比，用于工业应用的网络技术的功能定位与服务对象更聚焦，首先要满足工业生产制造基本应用需求，解决工厂内部的自动化控制、现场数据采集、互联互通的问题；从通信角度，必须满足工业应用数据传输的实时性、确定性、可靠性等要求；从功能完备性角度，在满足基本数据传输功能基础上还需考虑互操作性、本质安全性、功能安全性、信息安全性、高可用性、集成性等要求。因此，信息领域通用的网络通信技术并不是直接“拿到”工业中应用的，必须先评估其是否满足上述工业应用要求，这也是工业以太网对于IEEE 802.3（以太网通信协议）进行改造、工业无线网对于IEEE 802.15.4（无线个域网通信协议）和IEEE 802.11（无线局域网通信协议）进行改造的根本原因。
在此基础上，进一步考虑满足工业智能化应用需求以改善生产制造，借助于边缘计算、云、大数据分析、人工智能等技术，实现工业生产制造过程的智能优化、转型升级。
3. 工业网络技术发展
3.1.工业测控网
工业测控网包含了“测”（数据采集）与“控”（控制系统）的所有关联网络，实现现场设备（如传感器、执行设备等）与控制设备（如PLC、DCS控制器等）之间的互联互通。。在当前智能制造和工业 4.0技术发展的背景下，工业测控网是主要解决工业现场“信息孤岛”，实现智能制造数字化、网络化、智能化的基础网络设施。
工业测控网的作用范围如图1所示，无论连续控制还是离散控制，其网络系统架构都基本符合该结构。
注：可编程控制设备包括PLC、DCS、SCADA和其他专用控制器。
图1 工业测控网系统架构和作用范围
工业测控网主要包括现场总线、工业以太网和工业无线网络，其发展呈现现场层和控制层专用网络向管理层通用网络延伸，有线到无线补充，以及新使能技术（如TSN、5G）不断融合应用的新趋势。工业测控网主要包括：
（1）现场总线。起源于二十世纪80年代，国际电工委员会IEC将其定义为基于串行数据传输、典型应用于工业自动化和流程控制应用的通信系统，具有数字化、双向串行、多点连接的特征。工厂中常用的现场总线有MODBUS、PROFIBUS、HART、CAN、CC-LINK、DeviceNet/ControlNet等。
（2）工业以太网。90年代末，随着以太网与TCP/IP技术的日趋成熟，并适应企业管理与控制一体化的应用需求，工业以太网（或称实时以太网）逐渐兴起，在IEEE802.3标准以太网基础上修改或增加了一些特定协议机制（如时间调度、通信优先级、时钟同步等），以满足工业应用对通信实时性和确定性的要求。工厂中常用的工业以太网有Ethernet/IP、EtherCAT、PROFINET、CC-LINK IE、POWERLINK等。目前全球范围内，工厂中新IACS系统主要基于工业以太网，新现场总线设备市场增长缓慢或下降，可预见未来工业以太网将替代传统现场总线。但是在流程工业由于对物理层有总线供电、本质安全等特殊要求，现场总线技术还将继续存在较长时间。现在，国内外正在开展可用于流程工业的二线制以太网（SPE）或高级物理层（APL）技术研究和应用。
（3）工业无线网。起源于二十一世纪初，从新兴的无线传感器网络（WSN）发展而来，目的将无线通信引入工业应用作为有线网络的补充。目前，国际上主要有应用于过程自动化的WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a三大主流工业无线网络技术，以及应用于工厂自动化的WIA-FA工业无线网络技术。
（4）时间敏感网络（TSN）。由于TSN在传统以太网上增加可提供确定性服务的各种功能和性能，满足了工业应用对实时、硬实时的需求而引起广泛关注，现有工业以太网纷纷与之融合，未来可能将作为工厂底层网络的统一标准。
（5）5G移动通信网。5G因其低延时、高带宽、广连接而成为当前最热点技术之一，已在视频检测、云化机器人、智能物流等工业应用方面得到成功应用案例，其在底层自动化控制、机器与机器（M2M）通信等方面的应用还处于研究试验阶段。
（6）当前，云计算、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术作为使能技术，必将大幅提升工业自动化控制系统和测控网络的功能性能并促使其向云化、智能化加速发展。当引入了新一代信息技术，从大系统大网络概念角度，图1所示的工业测控网系统架构，将演变成云化的智能测控系统/网络，实质上也是向工业互联网演变，如图2所示。
图2 云化智能测控系统/网络
新一代信息技术可能在如下几方面对工业测控系统/网络产生作用和影响：
- 智能传感器：泛在感知与大规模数据采集；
- 云计算：超强运算能力，资源共享（服务、工业软件、服务器、存储）；
- 大数据：优化分析、智能决策、预测性维护；
- 软件定义：可重构、灵活扩展；
- 人工智能：自学习、自组织、自适应、自决策；
- 区块链：分布式存储、数据安全；
- 边缘计算：边缘侧产生更快的网络服务响应；
- … 这些使能技术加速了制造模式的创新和制造系统的演进。
3.2. 物联网与工业物联网
1995年比尔·盖茨在《未来之路》书中提出：“互联网（Internet）仅仅实现了计算机的联网而没有实现万事万物的互联”，这种“万物互联”的概念成为如今“物联网”的雏形。2005年国际电信联盟ITU在世界信息峰会上发布了《ITU互联网报告2005：物联网（ITUInternet Reports 2005：TheInternet of Things》，指出“物联网（Internet of Things，IoT）”时代的来临。物联网顾名思义就是物物互联。国内外标准及文献对其主要定义如表2所示，强调了物理世界和虚拟世界中物、人、服务、信息的互联性，以及对于信息的处理能力。
表2 国内外对于物联网相关概念的定义
目前，物联网还没有一个被广泛认同的体系结构（物联网体系架构）。一般根据物联网对信息的感知、传输、处理过程，将其划分为三层结构，包括感知层、网络层和应用层，如图3所示。因此，围绕泛在感知、可靠传输和智能处理三方面进行，物联网的核心技术如下：
- 感知层：实现泛在感知，利用智能传感器、RFID（无线射频识别）、执行器等实现信息感知、识别、数据采集和控制执行，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层；
- 网络层：实现可靠传输，通过互联网、无线网络或专用网络，实现信息的传递、路由和控制等，典型物联网技术如窄带蜂窝网NB-IoT、移动通信网3G/4G/5G等；
- 应用层：实现智能处理，包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用，对感知和传送的数据、信息进行分析、计算和处理，实现物联网在众多领域的各种应用实现。
图3 物联网三层体系架构
物联网在工业领域的应用即为工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）。美国通用公司（GE）认为工业物联网（IIoT）包含两层含义：其一是指“物联网技术（IoT）在工业领域的提升与实现”；其二就当前技术发展下，提出“工业物联网（IIoT）是工业互联网（Industrial Internet）的同义词”，GE数字化（GEDigital）官网明确表述了这一观点（https://www.ge.com/digital/blog/everything-you-need-know-about-industrial-internet-things），如图4所示。
注：GE Digital现已被GE公司出售。
图4 美国GE公司针对工业物联网的定义及描述
国内在《工业物联网白皮书》（2017）中提出工业物联网的概念为：通过工业资源的网络互连、数据互通和系统互操作，实现制造资源的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型的新工业体系。
工业物联网无意改变传统的工业自动化控制系统，强调的是更大规模的设备连接与数据获取，以及到工业现场的优化反馈。相比于传统工业测控网，工业物联网融入了移动通信和智能分析技术，在泛在感知和智能处理等方面进行功能扩展。工业物联网体系中，感知层采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等更多智能化所需的信息，网络层更强调使用通用网络技术连接工业设备形成的一个巨大网络，应用层则应用人工智能、大数据分析等新一代信息技术，实现智能物流、智能监控、智慧生产等。
3.3. 互联网与工业互联网
互联网（Internet）现已成为专有名词（国内也有翻译为因特网），将全世界范围的计算机网络、移动终端（如手机）互相连接在一起。互联网是一种工具，用在消费领域就是消费互联网，用在金融领域就是金融互联网，用在工业领域就是工业互联网。
美国通用电气（GE）公司在2012年发布的白皮书《工业互联网：打破智慧与机器的边界（IndustrialInternet: Pushing the Boundaries of Minds and Machines）》中，最先提出“工业互联网（Industrial Internet）”的概念，将其定义为“全球工业系统与高级计算、分析、低成本传感和由互联网带来的全新连接能力的融合（theconvergence of the global industrial system with the power ofadvancedcomputing, analytics, low-cost sensing and new levels of connectivitypermittedby the internet）”，并将智能机器、高级分析（数据）和人相互连接形成开放、全球化的网络。
2014年，GE、IBM、Cisco、Intel和AT&T等联合成了工业互联网联盟（IndustrialInternetConsortium，IIC），名称上虽延续了GE关于工业互联网的称谓，但在其官网（https://www.iiconsortium.org）上自我介绍却为“致力于加速工业物联网（IIoT）以实现经济与社会转型（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发布的“工业互联网参考架构（Industrial InternetReference Architecture，IIRA）”中，明确说明“工业互联网参考架构是工业物联网系统的一个标准开放架构（TheIIRA is a standards-based open architecture for IIoT systems）”，并从业务、使用、功能和实施四个视图，来描述IIoT系统关于业务和管理、能力和结构、系统和组件、技术和实现等相关内容的框架结构，如图5所示。
图5 IIRA视图、应用范围、系统全生命周期的关系
IIC在2019年最新发布的《工业互联网术语技术报告》中给出了工业互联网（Industrial Internet）与工业物联网（Industrial IoT）的术语定义，如表3所示。
表3 IIC提出的工业互联网与工业物联网定义对比
由此可见，在美国工业互联网联盟（IIC）语境下，工业互联网（Industrial Internet）是工业物联网（IIoT）的同义词，并未强调互联网（Internet）的建设与作用，而是立足工业转型实际需求，聚焦工厂内部使用的网络和先进分析，通过机器到机器（M2M）连接和工业大数据分析等，实现工业设备预测性维护、基于生产数据优化设计，以提高效率、产能以及性能，改变工业企业的生产组织模式，推动数字化转型。
在国内，也成立了类似的工业互联网产业联盟（Alliance of Industrial Internet，AII），在其发布的《工业互联网体系架构》中对于工业互联网的定义是：工业互联网是互联网和新一代信息技术与工业系统深度融合形成的产业和应用生态，是工业智能化发展的关键综合信息基础设施。工业互联网体系架构包括网络、安全、平台三方面，如图6所示。其中，网络是工业互联网的基础，支撑工业系统互联和工业数据传输交换，包括网络互联、标识解析等；平台体系是工业互联网的核心，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系；安全体系是工业互联网的保障，构建涵盖工业全系统的安全防护体系和工业智能发展的安全可信环境。
图6 我国工业互联网产业联盟发布的工业互联网体系架构
与国际相比，国内工业互联网属于“原创性”概念，聚焦于互联网与制造业融合而产生的新应用与新生态。工业互联网对于产品个性化定制、异地研发协同设计、设备预测性维护，以及跨企业、跨行业、跨地域的产业链协同与资源优化配置发挥了很大作用。
然而，当前我国工业互联网更多强调的是信息基础设施平台建设，对于工业生产制造的作用更偏向于生态建设而非制造本身。但单纯就网络技术而言，工业互联网并未催生新的网络技术，现在工业互联网体系架构与互联网架构并无本质区别，工厂中测控网络还是传统现场总线与工业以太网为主，在工业现场与互联网平台之间采用OT/IT融合的网络技术（如OPC UA）等。这些工业测控网与集成技术由工业发起，仍满足当前工业自动化系统互操作、开放性的发展需求。
在工业互联网平台建设方面，国内的平台企业众多，很多来自于IT领域，但由于现场设备是OT厂商提供的，使得现场数据获取较为困难；另外，由于欠缺较全面深入的行业知识，对于工业数据的分析利用以及优化反馈的能力较弱。然而，以西门子为代表的外资企业打造的工业互联网平台，通过发挥其长期深根于工业的巨大优势，以及现场大量采用同品牌工业设备带来获取数据的便利，结合行业与工艺特点，并利用数字孪生等手段进行数据分析与工艺改进，从而实现产品全生命周期的优化控制，满足提升质量、节约成本及用户个性化的需求。
3.4.小结
在工业物联网、工业互联网出现之前，工厂中已真实存在着现场总线、工业以太网、工业无线网络等工业测控网，主要解决工厂底层各种工业自动化控制设备及系统间的互联互通。就作用范围而言，工业测控网属于工业物联网（IIoT）范畴，但IIoT更强调工业生产中的人、机、料等制造资源的互联互通，网络通信技术扩展涵盖了通用无线技术，如移动通信网、NB-IoT等。
国际上，并未特别区分工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）和工业互联网（Industrial Internet），二者出发点和落脚点都是工业，并未改变现有的工业自动化控制系统，但更强调通过连接现场设备，获取现场数据，并向工业现场提供优化反馈，从而推动数字化转型。国内，工业物联网（IIoT）和工业互联网（Industrial Internet）的概念是有区别的。工业物联网为“工业资源的网络互联、数据互通和系统互操作”而形成的新工业系统，工业互联网则更倾向为一种“基于互联网的工业产业和应用生态”建设。
由此可见，国内外对于工业互联网的定义和内涵存在着较大偏差。国外多关注工业生产现场，以实现工业设备/系统互联、工艺优化分析、工业产品设计、生产现场性能产能提升为目标。国内工业互联网则偏重于互联网平台建设、业务模式、标识解析、工业APP等，虽已形成产业，但其与工业生产实践结合强调不足，没有真正地聚焦当前我国制造业面临的真正问题和迫切需求，对于制造业转型升级的实际推动作用还有待进一步挖掘与提升。
4. 工业网络国内外标准化
4.1.工业测控网
工业测控网的核心功能是实现工业现场设备与控制系统的互联互通，主要包括工业通信网络技术与工业系统集成技术两部分。
在工业通信网络技术方面，国际电工委员会（IEC）工业测量控制和自动化技术委员会（IEC/TC65）负责制定工业通信相关国际标准，包括有线和无线工业网络技术规范、各种相关行规和标准。由于IEC/TC65内制定标准的主体大多来自自动化领域，了解工厂中实际工业应用需求，因此，围绕工业通信网络技术建立了比较完善的标准体系，包括各种通信行规、安全通信行规、信息安全行规、安装导则、高可用性网络等技术标准，如图7所示。
图7 工业通信相关国际标准
与工业通信相关的国际标准主要包括：
IEC 61158《工业通信网络》系列标准，规定了市场上主流的近三十种现场总线和工业以太网等工业测控网，包括我国自主工业以太网EPA（Type 14）。随着技术的发展应用，有的技术由于缺乏市场而被撤销（如Type 6 SwiftNet），也有新的技术不断加入。此外，IEC 62026 《低压开关设备和控制设备控制器设备接口》系列标准，规定了适用于低压开关设备和控制设备的控制器、电气设备接口与集成的通信标准，包括AS-I、DeviceNet等。
IEC 61784《工业通信网络-行规》系列标准是IEC 61158的“伴随”标准，定义了包括IEC61784-1现场总线通信行规、IEC61784-2实时以太网通信行规、IEC61784-3功能安全通信行规、IEC61784-4工业信息安全行规（已转为IEC62443）、IEC 61784-5安装行规等。
IEC 62443 《工业通信网络网络与系统信息安全》系列标准规定工业自动化控制系统（IACS）信息安全的概念模型、关键要素、主要技术及安全等级等。
IEC 62439《高可用性自动化网络》系列标准，规定了基于实时以太网的各种网络冗余协议/机制。
IEC 61508《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》系列标准，规定了电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全的基本要求和技术方法，是功能安全的“基本大法”。
IEC 61151《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》系列标准，规定了用于过程（流程）工业的功能安全仪表系统。
IEC 61588《网络测量和控制系统的精确时钟同步协议》标准（源自IEEE 1588），规定了在分布式测量控制系统/网络中实现严格的定时同步机制。
IEC 60802《时间敏感网络(TSN)工业应用行规》是IEC/TC65和IEEE 802联合工作组正在制定的国际标准，规定适用于工业自动化网络的网桥/交换机、终端站和局域网（LAN）的TSN特性、可选项、配置、缺省值、协议和规程。
对于工业无线通信，现存在四种工业无线通信网络技术国际标准，包括IEC 62591 WirelessHART、IEC 62601 WIA-PA（我国自主技术）和IEC 62948 WIA-FA（我国自主技术）、IEC 62734 ISA 100.11，以及规定无线通信系统在工业自动化领域应用及共存管理要求的IEC62657《无线共存》系列标准。
此外，SAC/TC124正在联合华为公司等共同制定工业蜂窝网络（工业5G）相关技术标准，并将适时推进为国家、国际标准，这代表了工业无线通信技术的最新发展方向。
IEC/TC65国内对口标委会是全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124），已将IEC 61158中主流的十几种现场总线和工业以太网技术转化为我国国家标准，如MODBUS、PROFIBUS、PROFINET、HART、POWERLINK、EtherCAT、CC-LINK、CC-LINK IE、EtherNet/IP等，如表4所示。随着各类工业通信网络技术国家标准的转化和自主制定，我国已逐步建立了EPA、WIA、PROFIBUS、PROFINET、MODBUS、CC-LINK、EtherCAT、HART等工业测控网设备的认证测试实验室，能够满足我国企业生产智能传感器、仪器仪表、执行设备等工业测控网设备的市场需求。
表4 我国工业测控网及相关技术国家标准
IEC 61158规定了不同类型工业测控网的通信协议，但不涉及所传输的用户数据的内容及其含义。因此，在工业系统集成方面，面向不同行业应用时，通常还需根据行业需求和设备特点，定义行业特定的设备行规（即根据设备模型以参数、参数组合和行为的表达方法来描述设备网络可见的数据和行为）。与工业系统集成技术相关的标准，如图8所示。
图8 工业系统集成相关标准
工业系统集成相关主要标准包括以下方面。
设备行规： ISO/IEC 62390《设备行规导则》用于指导工业现场与控制设备的设备行规的定义。基于ISO/IEC62390，ISO和IEC定义了包括IEC 61915低压开关与控制器设备行规、IEC61800-7 电力驱动系统设备行规、IEC61850电力设备自动化通信网络和系统等行业的设备行规。
设备集成：为实现现场设备与上位系统（如SCADA、设备管理软件等）的集成，IEC定义了描述设备行规或设备参数的集成标准，包括IEC61804-3电子设备描述语言EDDL、IEC 62453现场设备工具、IEC 62769现场设备集成FDI等。
OT/IT集成：IEC 62541《OPC UA统一架构》是新一代的基于语义和面向服务架构（SOA）的OPC规范，将传统OPC规范的所有功能集成到一个可扩展框架，并实现了跨平台支持。鉴于OPC UA具有强大的建模能力，OPC UA被公认为在工厂IT系统和OT系统集成方面有显著优势。
企业控制系统集成：ISO/IEC 62264《企业控制系统集成》（即ISA 95标准）提出制造企业5级功能层次模型，规定了制造运营管理（MOM）的基本模型、通用对象、业务功能与活动，以及企业系统到控制系统的数据交换格式等。
公共数据字典（CDD）：CDD定义了用于描述设备、产品和服务等对象的所有必要信息。基于CDD规则，可在不同系统、不同企业，甚至不同行业间建立统一的的语义系统。主要相关标准包括：IEC61360《电气元器件的标准数据元素类型和相关分类模式》，规定了通用的CDD数据模型；IEC 61987《工业过程测量和控制过程设备目录中的数据结构和元素》，规定了智能制造测控设备的CDD。
4.2. 物联网与工业物联网
物联网概念是从信息领域首先提出，国际上主要标准化机构是ISO/IEC信息技术第一联合技术委员会（ISO/IEC JTC1）下设的物联网及相关技术分委会（JTC1/SC41），制定了多项物联网（IoT）通用技术标准，包括IoT术语、架构和框架标准，IoT互联性、平台、中间件以及认证测试标准，IoT应用案例、工具和实现导则标准等。ISO/IEC JTC1国内对口标委会为全国信息技术标准化技术委员会（SAC/TC28），下设物联网分委会（SAC/TC28/SC41）负责制定我国物联网相关国家标准。
物联网的技术起源与无线传感器网络（WSN）紧密相关，因此，许多物联网标准也围绕无线传感网而制定。物联网相关的主要国际与国内标准如表5所示。
表5 物联网相关的主要标准
2010年11月，国家物联网基础标准工作组成立，成为研究符合中国国情的物联网技术架构和标准体系的主要机构。在其已发布的《物联网标准化白皮书（2018版）》中将物联网标准体系划分为六大类，主要包括基础类、感知类、网络传输类、服务支撑类、业务应用类和公共技术类，如图9所示。
图9 我国物联网标准体系架构
工业物联网是物联网概念的延伸。目前，IEC尚没有专门的工业物联网（IIoT）标准发布，仅在个别行业应用标准中将范围限定在工业特定领域的物联网，如ISO/IECJTC1/SC41与IEC/TC65成立工业设施和智能电网系统接口联合工作组（IEC/ISO JWG17），主要制定电力行业特定应用行规，属于物联网在电力特定行业应用的补充和扩展。ITU、IEEE、3GPP等通信相关国际标准化组织，也在制定工业物联网（IndustrialIoT）相关的技术标准。
国内，SAC/TC124以促进物联网智能传感器产业发展和推动工业物联网应用为重点，组织制定了工业物联网应用于智能仪表领域的基础标准、产品标准和关键技术标准（如表6所示），研究了并初步形成物联网智能传感器标准体系，但尚未见公开发布的工业物联网标准体系。
表6 国内物联网智能传感器系列标准
4.3. 工业互联网
经文献查阅，IEC、ISO和ITU目前均未出现关于“工业互联网（IndustrialInternet）”的术语或相关标准产物，相关技术标准都是围绕物联网IoT而展开。由此可见，“工业互联网Industrial Internet”一词目前在国际尚未被普遍认可。2019年6月，ITU-T的未来网络与云计算工作组（ITU-TSG13）通过了中国信息通信研究院主导的国际标准《工业互联网网络架构与技术要求（基于未来包交换网络演进）》立项，首次将“工业互联网（Industrial Internet）”写入国际标准。目前该项标准仍在研制阶段。
在我国，在以工业互联网产业联盟（AII）为代表的“工业互联网”概念倡导下，正研究与制定工业互联网标准体系架构及其实施路径。2019年AII发布的《工业互联网标准体系（版本2.0）》白皮书中，提出我国工业互联网标准体系框架，包括基础共性、总体、应用三大类标准，如图10所示。其中，基础共性标准包括术语定义、通用需求、架构、测试与评估、管理等工业互联网的通用性、指导性标准，总体标准包括网络与联接、标识解析、边缘计算、平台与数据、工业APP、安全等技术方面，应用标准包括不同制造模式、不同行业应用的标准。在此体系框架内，AII组织联盟内企业开展相关团体标准的制定。
图10 我国工业互联网产业联盟提出的工业互联网标准体系框架
但值得注意的是，从图10所示工业互联网标准体系看，很多内容更侧重信息技术领域，与工业相关性略显不足，对于工业转型升级的实际指导作用需进一步加强。
4.4. 小结
纵观国内外工业网络技术的标准化发展，工业测控网技术已建立了比较完善的工业通信与系统集成标准体系，基本能够满足工业自动化控制的应用需求；物联网标准研制主要在信息技术领域进行，工业物联网（IIoT）仅作为物联网在工业行业的应用与扩展，尚未形成独立的工业物联网应用标准体系；工业互联网（IndustrialInternet）概念目前尚未被国际广泛接受，从IEC、ISO、ITU国际标准组织中均未查询到相关的术语定义。
实际上，工业互联网是伴随着第四次工业革命（工业4.0）/智能制造的发展而提出的。美国工业互联网产业联盟（AII）提出“工业互联网”时，将工业物联网作为关键技术与标准研究的核心内容，希望将美国在互联网技术上的优势扩大到工业领域，实现美国全球化产业链发展与“制造业复苏”。在我国，继智能制造标准体系初步建立后，正在组织建立具有中国特色的工业互联网标准体系。虽然二者是两套相互独立的体系，但其目标都是实现工业转型升级，关键技术与标准内容中也存在交叉。所以，国内特有的“工业互联网”难免概念层面的意义更大一些。
5. 我们的思考
5.1. 应用于工业的网络，首先应姓“工”
不管是工业测控网、工业物联网还是工业互联网，都是网络技术、信息技术与工业应用的深度融合，作为赋能手段，一定会给工业生产模式带来巨大变革，但切不可本末倒置，应始终“不忘初心”将满足工业生产需求放在首位。当前我国制造业发展不平衡、不充分的特点突出，“工业1.0、2.0、3.0”并存局面将长期存在，企业面临的最大问题是产品质量不高、生产效率不高等切实问题。因此，不论什么“网”，都必须先解决企业生产的“温饱（提质增效）”问题。
首先，工业测控网作为工业生产连续性、高实时、高可靠、高安全、高可用性的重要保证，实现工厂内各种现场数据的实时采集，人、机、料、法、环等各种制造资源的互联互通，始终是必须具备的。如果底层工业测控网基础没打好，上面大数据分析、人工智能数据挖掘，都是无源之水、空中楼阁。
其次，工业互联网作为一种智能制造的赋能工具，其重要作用之一是基于互联网平台，对采集的海量工业数据进行深度分析、形成智能决策，这种分析高度依赖于特定工业领域的专业知识积累，需要结合工艺要求、设备运行原理、工业实践经验等多方面因素，才能真正挖掘工业数据的价值。当前的诸多实践案例已经充分证明，互联网中广泛应用的各类大数据分析方法，只有与工业知识融合才能解决工业实际问题。
第三，工业互联网作为互联网在工业领域的应用，在连接上下游产业链、资源优化配置、异地研发协同设计等方面天然具有优势，并且通过无所不在的互联网实现个性化定制、预测性维护、产品在线升级等智能服务，极大地提升了产品的附加价值。
5.2. 遵循发展规律，技术应用是关键
过去三十多年中，我国制造业从发展CIMS（计算机集成执行系统）、制造业信息化，到两化融合、智能制造、工业互联网，实际上是信息技术、网络技术在工业和制造业应用的不断发展探索之路。新概念、新名词、新技术不断涌出，但如若不基于基础现状不与应用需求匹配，生搬硬套的结果不是炒概念就是揠苗助长。衡量一项技术是否适用于企业，不是凭其先进性，而是能否满足企业需求以及获取效益最大化。智能制造也好，工业互联网也好，企业不会“为了技术热点而应用技术”。
例如，虽然在工业网络技术应用方面已经做了大量工作，形成了一批示范引领企业，但在过去较长一段时间内，两化融合还远未达到预想的效果。一是由于我国制造企业95%以上都是中小企业，自动化、数字化、网络化基础工作欠缺；二是由于之前的网络技术手段无法充分支撑制造业的需求，获取的现场数据有限；三是对网络技术的应用效果还没有认识到位，数据获取是用来做分析优化改进而不仅仅是用来看的。
当前，各类新一代信息通信技术快速发展，5G、TSN、大数据、云计算、区块链、边缘计算等技术纷至沓来。在跟踪新技术的同时，仍应根据企业自身特点因地制宜，以解决制造企业底层数字化、网络化问题为前提，使大量中小企业都能更好地融入工业网络系统，才能真正地发挥工业网络的重要作用。
5.3. 既要建设生态，也要脚踏实地解决工业问题
工业互联网技术提供了一种范围更广、效率更高的平台作为制造企业智能化发展的信息基础设施，为实现异地研发设计、多地联动协同生产、生产现场远程监控、制造资源优化调度，以及打通供应链、营销链和服务链提供了基础。在本次新冠疫情防控中，应用工业互联网技术提升了企业复产复工、上下游协同的效率就充分证明了这一点。
然而，现阶段我国工业互联网的支持方向主要集中在平台基础设施、解析节点、工业APP开发等生态体系建设范畴，与企业内部网络衔接不够，凸显“不接地气”。一方面，当前工业互联网应用的瓶颈在于现场设备的数据采集及互联互通，面临的关键问题是各种工业设备的数据接口不统一，通信协议不兼容，导致数据“上”不来。因此，更需重点考虑如何解决企业生产现场现存的多接口、多协议问题，制定细分行业典型制造设备、生产单元和制造过程的公共数据字典，有效打通OT系统和IT系统，实际解决工厂内部数字化、网络化问题。
另一方面，企业内部产生的各种管理数据、设计数据、质量数据、生产数据、制造资源相关数据等，来自企业外部的客户反馈、市场需求、供应商等相关数据，最终将形成海量的工业大数据。如何有效利用这些工业数据来推动企业实现提质增效，也是需重点考虑的问题。对客户反馈数据进行分析，可及时掌握市场需求及产品问题，作为研发设计的输入和反馈；对生产过程及制造资源相关数据进行分析，可快速发现错误或瓶颈所在，改进工艺和优化生产，以及实现预测性维护；对设计、供销、财务、生产等企业经营管理数据进行分析，将优化企业经营决策，推动企业发展新的商业模式。
至于具体采用哪种网络技术，企业可能并不关心。
5.4. 结合工业应用，构建综合风险管控的安全一体化体系
纵观国内外工业互联网安全思路，美国聚焦于IT 安全，明确了具体的安全措施。德国虽然从多个角度对安全提出了要求，但是并未形成成熟的安全体系框架。国内发布的工业互联网安全框架博众家所长，从技术和管理的角度针对我国国情做了很好的落地，值得肯定。
但总的来说，“互联网”侧特征得到了充分体现，而“工业”侧需求尚未得到满足。例如：风险分析止步于网络边界而没有结合工业应用场景，很容易导致分析漏洞或者偏差；未涉及网络安全防护对工业系统功能或性能的干扰和关联影响，难免存在防护误区和盲区；缺乏以综合风险管控为目标的一体化安全框架体系，安全仪表系统如何部署网络安全防护措施、网络攻击和防护如何影响功能安全完整性、内生安全机制和外部防护设施如何有机结合实现风险降低、分析/设计/实施/运维等生命周期各阶段的安全控制和防护该如何协同考虑以避免或减少系统性风险等等的许多问题还没有得到很好的解决，仍需深入研究与实践。
5.5. 加强国际合作，推动国际语境的协同
目前，国内外对于工业物联网、工业互联网等概念的内涵与外延、技术体系尚存在不同理解。通过梳理并明确各网络概念、关联与差异，建立国内外工业网络发展的共同语境，有助于推动网络技术的国际化。在全球化协同发展趋势下，制造资源、生产要素配置向着全球化的新模式转变，制造业需要在世界范围内重构更高效灵活的产业链，物联网、互联网技术作为工业转型升级的基础支撑技术，更加需要一个国际彼此认可的发展框架与技术体系。因此，应积极推动在世界范围内开展技术交流、科研合作、标准与规范制定、测试认证等工作，以期通过国际化手段将我国工业网络技术与产品贡献给全世界。
注：本文从策划、起草到最终成稿，期间经过多轮修改讨论，感谢我所宋彦彦、孟邹清、汪烁、王春喜、丁露等同事的积极参与支持。
文 | 说东道西（XSeanSong）
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