隨著以太網作為工業網絡不斷地更新升級，各個公司也在加速工業自動化系統和企業應用之間的深化整合。通過分析在IT網絡通訊過程中收集到的裝配故障數據，會呈現出怎樣的效率提升？或者在與材料供應商的貨品計價相關聯的材料的廢數據中可以發現什么珍貴的商業情報？網絡靈活性開啟的業務新模式，讓已經企業的管理層越來越難以忽視。

IIoT需要工業以太網

工業物聯網（IIoT）在傳感器技術、無線連接、能量采集、大數據以及云計算方面的創新，是在設備、系統和人之間進行無縫信息交換的一部分，它為制造企業在整個價值鏈上提高業績、靈活性和響應能力鋪平了道路。IIoT的發展需要工業以太網，通過以太網提供的數據，大數據分析可以為企業提供更有價值的信息。

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

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絡的需求。二層非管理型交換機要求擴展包含在IP地址層的端口狀態透明度，以及提高端口的服務質量，使之適應需要大量自動化網絡的企業運行環境。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IHS的JohnMorse預測，“低成本的、較低功能性的二層交換機的采用，會更經濟地滿足用戶的需求，就像更多的網路被擴展，以滿足IIoT時代對于連接程度的需求。”在IHS2014年的一份關于工業以太網基礎設施組件市場的報告中就指出，“從長遠來看，隨著企業對于成本的考量，非管理型交換機的需求將會逐步放緩，就像網絡集線器一樣。”

為了讓自動化和IT軟件獲取更多端口狀態的可見性，作為邊緣交換機的二層非管理型交換機必須支持Modbus／TCP以及簡單網絡管理協議（SNMP）通訊。這會允許監測控制和數據采集（SCADA）、人機界面（HMI）軟件、以及IT網絡管理系統（NMS）軟件實時地監控交換機設備的狀態。

以太網的可靠性

隨著更多的可編程邏輯控制器（PLC）、輸入／輸出（I／O）設備、終端計算機以及HMI等與以太網相連接，對以太網的魯棒性要求會越來越高。對于那些沒有進行升級、無法獲得網絡邊緣透明度的自動化團隊來說，可能會帶來指數級的能源消耗。隨著邊緣設備的增加以及數據采集功能的提高，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，會將損失的數據和設備情況及時上傳。

更大的網絡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協議的邊緣交換機技術也讓故障診斷更容易。在這個融合的網絡模式里，團隊可以快速地獲得網絡問題的解決方案。

例如，來自于工廠車間中溫度傳感器的數據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過程分析來說都很重要；一旦發現數據丟失變得明顯，兩個團隊都可以及時發送或接收報警。

一個網絡診斷模型支持在SCADA／HMI以及中央IT使用的NMS上查看實時的端口狀態。

啟用診斷功能

更強大的是增加了診斷功能，來自系統控制和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，并通知相關部門進行必要的修復。對于一個具有板載代理Modbus／TCP和SNMP協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的統計信息，包括速度、連接計數器、多路廣播信息包計數、單路廣播信息包計數以及誤差計數等。使用同時支持SNMP的邊緣交換機，可以讓IT團隊的網絡管理系統或軟件執行前后連續的狀態監控。

為了跟上設備數量的增長和數據需求的多樣性，將會發生更多類似這樣的以太網應用，可以從設備層到控制層以及中央辦公室上輕松地查看以太網。

相關：什么是工業以太網？

工業以太網是在以太網技術和TCP／IP技術的基礎上開發出來的一種工業網絡。以前，以太網一般是在商業應用中作為辦公網絡用的，目前以太網在工業應用中的使用成為熱點，將來工業以太網由可能成為工業控制網絡結構的主要形式，形成一網到底的局面。

為什么人們要試圖在工業應用中使用以太網哪？這是因為，目前以太網是應用中最為廣泛的一種局域網，以太網商業上的巨大成功、很高的認知度以及技術上的進步，使得以太網在工業領域中使用會帶來多方面的好處。

1．使用以太網要比其它現場總線容易。

這體現在幾個方面：一般情況下，用戶或多或少會有一些以太網的知識和使用經驗，這可以降低用戶培訓所需要的時間和資金上的投入；以太網技術的廣泛使用使得人類積累了很多相關知識，碰到問題比較容易解決；以太網產品種類豐富，由很多相關的軟件硬件產品，使得以太網技術容易使用；以太網有很多種，可支持多種傳輸介質、多種傳輸速率，滿足各種應用的需求。

2．以太網產品的價格比較低廉。

由于以太網市場空間大，以太網產品通常可以把批量做的比較大，并且以太網市場產品供應商很多，競爭激烈，產品價格低廉，使用以太網就會降低成本。目前雖然商業以太網產品的價格很低，但是工業以太網產品的價格仍然較高，如果工業以太網能夠廣泛應用，成本和價格自然會降下來。

3．以太網技術發展迅猛，技術先進，是現場總線所無法比擬的。

就傳輸速率而言，目前以太網的傳輸速率已經達到10Gbit／s，而現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。

由于很多企業局域網用的是以太網，在工業應用中也使用以太網，可以使得信息集成更加方便。而通過把工業網絡與企業內部網，甚至因特網相集成，可以使得電子商務、電子制造等的實現更加方便。

5．符合控制網結構扁平化的要求。

目前，控制網的結構是多層的，分的層次越多，系統越復雜，維護越困難。如果使用工業以太網，完全可以實現信息層網絡和控制層網絡所需要的功能，所以，最終可能扁平化為一層，出現以太網“一網打盡”的局面。

但是，在工業應用中廣泛采用以太網面臨兩大問題。首先，以太網最初是為辦公自動化應用而開發的，是一種非確定性的網絡，并且工作環境往往很好。而工業應用中的部分數據傳輸實時性要求很高，否則會發生事故；并且工業應用的環境比較惡劣，比如強震動、高溫或低溫、高濕度、強電磁干擾等。其次，以太網是介質訪問控制（MAC－MediumAccessControl）協議使用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA／CD－CarrierSense／MultipleAccesswithCollisionDetection）的網絡的統稱，它本身并不提供標準的面向工業應用的應用層協議。所以，為了滿足工業應用的要求，必須在以太網技術和TCP／IP技術的基礎上做進一步的工作。概括的說，對于前一個問題，解決方法是做一些改進，使得以太網能夠實現確定性通信，并且能在惡劣環境下正常工作；對于后一個問題，解決方法由3種：一種是把現有的工業應用協議與以太網、TCP／IP集成在一起；另外一種是在以太網和現有的工業網絡之間安裝網關，進行協議轉換；還有一種方法是干脆重新開發應用層協議。

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

多種工業以太網的存在有帶來一個新的問題：各種工業以太網使用的工業應用層協議互不兼容，雖然這些協議都可以在同一個以太網上運行，但是為不類型的工業以太網開發的設備之間仍然無法實現互操作。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月發布了OPC數據交換（OPCDX－OPCDataeXchangs）標準。OPC基金會是一個致力于提高自動化系統中的互操作性的非盈利組織，它所制定的OPC系列標準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的基礎上制定的關于工業自動化軟件開發的一系列標準。

目前在工業應用中，信息層網絡大量用的是以太網，通常使用商用以太網。在控制層，工業以太網也已經有許多應用，并且增長很迅速。在設備層，工業以太網的應用還不是很多。雖然用以太網來連接變頻器、機器人等復雜設備還是比較合適的，但用以太網連接簡單的傳感器或執行器還體現不出自身的優勢。不過，隨著因特網的迅猛發展、以太網技術的不斷進步、工廠網絡體系結構的進一步扁平化，在未來的工業應用中，出現以太網“一網打盡”的局面也是可能的。

工業物聯網生態系統的正確姿勢

工業4.0僅是一種被技術提供商帶著銷售目的過分夸大華而不實的術語？還是在未來幾個月或幾年內就能夠實現的行業趨勢？

諸多跡象表明，工業4．0是行業大勢。工業4．0也被稱作第四次工業革命，其中包括自動化技術的大量應用以及在數字工廠中更大的數據交互。工業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1．0是機械制造時代，即18世紀引入的機械設備制造時代；時間大概是18世紀60年代至19世紀中期

就是通過水力和蒸汽機實現工廠機械化。這次工業革命的結果是機械生產代替了手工勞動，經濟社會從以農業、手工業為基礎轉型到以工業、機械制造帶動經濟發展的新模式。那時的機械設備還沒有電氣自動化控制的概念。

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

也就是在勞動分工基礎上采用電力驅動產品的大規模生產；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備生產的年代。這次的工業革命，通過零部件生產與產品裝配的成功分離，開創了產品批量生產的高效新模式。

工業3．0是電子信息化時代，即20世紀70年代開始并一直延續至現在的信息化時代。

在升級工業2．0的基礎上，廣泛應用電子與信息技術，使制造過程自動化控制程度再進一步大幅度提高。生產效率、良品率、分工合作、機械設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、信息技術自動化控制的機械設備進行生產。自此，機器能夠逐步替代人類作業，不僅接管了相當比例的“體力勞動”，還接管了一些“腦力勞動”。

工業4.0概念是德國政府2013年《高技術戰略2020》確定的十大未來項目之一，并已上升為國家戰略，旨在支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新。

工業4．0是實體物理世界與虛擬網絡世界融合的時代。但德國業界對工業4．0的響應者卻不多，原因之一是所謂的虛擬網絡－實體物理系統（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（Cyber－PhysicalSystem，CPS）的智能化，將使人類步入以智能制造為主導的第四次工業革命。產品全生命周期、全制造流程數字化以及基于信息通信技術的模塊集成，將形成一種高度靈活、個性化、數字化的產品與服務融合新生產模式。

工業4．0概念涵蓋許多相關技術和服務模式，例如云計算、大數據分析、物理網絡系統（CPS）、機器技術、增強現實（VR）、物聯網等。在工業4．0時代，制造型企業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物聯網或IIoT。

技術協同

推動工業4．0通常需要技術協作。例如，CPS為云服務提供支持，這使得智能對象和基于云的編程模塊實現交互；大數據分析能力使得機器變得越發智能，其他新興技術如人工智能（AI）、增強現實（VR）、3D打印等解決方案為工廠提供了前所未有的敏捷、精準、高效的制造環境。

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

在發展過程中，數據量，計算能力，連接量大幅度上升；數據分析能力和商業智能（BI）進步明顯；新型人機交互可用性增強；數字化革命成果顯著——例如先進的機器技術和3D打印技術的出現。

麥肯錫建議企業密切關注工業4．0的進展，以便抓住工業4．0相關技術創造的新機遇。傳統的制造商業模式正在被新型模式所替代。為了獲取工業4．0所帶來的效益，必須為接下來的數字化變革做好充足的準備。

支持工業4．0應用的平臺需要開放的系統以適應不斷變化的市場需求和行業趨勢。在未來幾年新技術出現之時，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，如客戶服務中心、原材料供應鏈、分銷渠道等。而今天的制造環境通常是由制造廠互不兼容的自動化技術組合而成，這不利于各制造系統間進行數據共享。智慧工廠將利用物聯網云平臺獲得整個企業制造業務的智能控制能力。

機器學習算法能夠識別生產模式和提取反饋，可用于優化生產操作。預測性分析可確定整個工廠系統故障以便及時修復或更換設備避免耽誤生產期。

在現代的生產環境中，工廠數據被交付云端，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務操作流程。

舉個例子，英國的一個大型制造商在世界各地擁有工廠，他們正在匯集所有工廠的自動化平臺上的數據，以將各種設備數據、實時數據傳送到統一公共云平臺上并創建自定義視圖。這將讓企業從整體視角看到所有的業務操作，便于提高生產效率。

工業4.0技術使能智慧工廠的關鍵驅動因素是推動個性化生產，與大規模批量生產不同，它能夠滿足客戶即時的需求提供高度定制化的產品。

生態的力量

未來工廠的潛力不是來自企業內部，而是外部。由于工業4．0被證明可能適用于個別公司，因此IT、運營和業務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該來自構建工業4．0生態系統，包括設計、生產、運輸和產品使用等。

通過連接工業4．0的生態合作伙伴，生態系統中各個組成部分能夠提供更大的市場價值。類比于生物學概念，細胞無法單獨工作，而是依賴互利共生的有機整體。物聯網尤其是云服務能夠提供必要的組織架構，幫助各部分高效協同的工作，創建能夠在互相關聯的生態關系中獲取利益的商業模式和智能操作。

工業4．0生態合作伙伴的的關鍵技術組件在于應用程序接口（API）。制造廠向合作伙伴開放API可以促進合作伙伴創建各種所需的應用程序。

為實現這一途徑，公司需要部署物聯聯網平臺，這能夠促使整個生態合作伙伴以PaaS的服務模式分享面向服務的API。應用將快速對不同的資源和數據類型進行業務分析，而過去需要專門的程序員進行分析。并輕松適配云供應商特定的數據提取、差異存儲、分布式計算和機器學習的API。

通過利用API和云計算，企業將建立并分享新一代面向制造的物聯網應用，這將是工業4．0或工業物聯網的核心。這不僅提供更強的智力和更高的效率也帶來了商業模式的變革。

構建一個能夠制造獨特的、高度定制化產品的智慧工廠，消費者或企業需要找尋高度依賴與利用工業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，它將幫助公司快速開發，管理甚至進行產品盈利服務。