基于IP技術的工業物聯網發展概述

重慶郵電大學 國家工業物聯網示范性國際合作基地 魏旻

1 工業物聯網概述

網絡改變著人類的生產和生活方式，網絡技術已經在商業、金融業引起了巨大革命，物聯網技術將推動工業自動化進入新境界。ISO/IEC JTC1 SWG5物聯網工作組對物聯網的定義是：物聯網是一個將物體、人、系統和信息資源與智能服務相互連接的基礎設施，可以利用它來處理物理世界和虛擬世界的信息并作出反應。

物聯網能夠實現物理的和虛擬的“物”的無縫整合。通過物聯網技術“泛在感知”工業全流程、實施優化控制，已經成為企業提高設備可靠性和產品質量、降低人工成本與減少生產消耗、增強核心競爭力的主要手段，是降低自動化成本、提高自動化系統應用范圍、實現工業化與信息化深度融合的最佳技術，也是未來幾年工業自動化產業新的增長點。

2 工業物聯網發展歷程及各國發展情況概述

工業物聯網作為一種在實時性與確定性、可靠性與環境適應性、互操作性與安全性、移動性與組網靈活性等方面滿足工業自動化應用需求的無線通信技術，它為現場儀表、控制設備和操作人員間的信息交互提供了一種低成本的有效手段。

在計算機、通信、網絡和嵌入式技術發展的推動下，經過幾個階段的發展，工業物聯網技術正在逐漸成熟并被廣泛應用。

第一階段，20世紀60～70年代模擬儀表控制系統占主導地位，現場儀表之間使用二線制的4～20mA電流和1～5V電壓標準的模擬信號通信, 只是初步實現了信息的單向傳遞，其缺點是布線復雜、抗干擾性差。雖然目前仍有應用，但隨著技術的進步，最終將被淘汰。

第二階段，集散控制系統（Distributed Control System，DCS）于20世紀80～90年代占主導地位，實現分布式控制，各上下機之間通過控制網絡互連實現相互之間的信息傳遞?，F場控制站間的通信是數字化的，數據通信標準RS-232、RS-485等被廣泛應用，克服了模擬儀表控制系統中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統的抗干擾能力。

第三階段，現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）在21世紀初占主導地位，FCS采用全數字、開放式的雙向通信網絡將現場各控制器與儀表設備互連，將控制功能徹底下放到現場，進一步提高了系統的可靠性和易用性。同時，隨著以太網技術的迅速發展和廣泛應用，FCS已從信息層滲透到控制層和設備層，工業以太網已經成為現場總線控制網絡的重要成員，逐步向現場層延伸。

第四階段，隨著組網靈活、擴展方便、使用簡單的工業無線通信技術的出現，智能終端、泛在計算、移動互連等技術被應用到工業生產的各個環節，實現了對工業生產實施全流程的“泛在感知”和優化控制，為提高設備可靠性與產品質量、降低生產與人工成本、節能降耗、建設資源節約與環境友好型社會、促進產業結構調整與產品優化升級等提供了有效手段。

2009年12月至2012年2月，美國先后拿出《重振美國制造業框架》、《先進制造業伙伴計劃》和《先進制造業國家戰略計劃》三個方案，鼓勵制造企業重返美國。同時，美國“智能制造領導聯盟”發起倡議致力于制造業的未來，目標是讓制造業的利益相關者形成協同研發、實作及推廣的團體，可以發展出相關的方法、標準、平臺及共享的基礎架構，促進智能化制造的推動與廣泛采用。通用電氣發起工業互聯網計劃，將兩次重大轉型變革所帶來的發展成果匯集在一起：工業革命所帶來的眾多機器、設備及制造業大軍，與IT革命帶來的運算、信息及通訊系統。

德國政府提出“工業4.0”戰略，并在2013年4月的漢諾威工業博覽會上正式推出，其目的是為了提高德國工業的競爭力，在新一輪工業革命中占領先機。該戰略已經得到德國科研機構和產業界的廣泛認同，弗勞恩霍夫協會將其下6~7個生產領域的研究所引入工業4.0概念，西門子公司已經開始將這一概念引入其工業軟件開發和生產控制系統。德國學術界和產業界認為，“工業4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法。該戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統—信息物理系統（Cyber-Physical System)相結合的手段，將制造業向智能化轉型。

韓國政府則預見到以物聯網為代表的信息技術產業與傳統產業融合發展的廣闊前景，持續推動融合創新。2014年，韓國貿易工業能源部和韓國未來創造科學部分別提出“智能制造創新3.0計劃”和“互聯智能工廠計劃”。該計劃提出利用信息技術與工業技術的高度融合，網絡、計算機技術、信息技術、軟件與自動化技術的深度交織產生新的價值模型，在制造領域為這種資源、信息、物品和人相互關聯的智能制造全互聯網系統。

近年來，黨中央和國務院提出了大力推進信息化與工業化深度融合，走中國特色新型工業化道路，促進經濟發展方式轉變和工業轉型升級的戰略決策。2014年3月，國家主席習近平訪問德國，在《法蘭克福匯報》發表的署名文章中重點提到德國工業4.0戰略。中德合作將會有更多契合點，獲得新動力。2014年10月，李克強總理訪問德國，宣布了中德兩國將開展工業4.0合作。2011年起，重慶郵電大學與總部設在德國的國際性過程工業自動化用戶協會NAMUR在工業物聯網領域展開合作，并翻譯出版了NAMUR NE133“無線傳感網：融合的單一標準用戶需求”等文檔。雙方在工業無線融合標準，工業物聯網領域保持了長期的合作關系。2015年，雙方達成共識，將利用重慶郵電大學國家級工業物聯網國際科技合作基地及NAMUR的平臺，合作推動工業物聯網及工業4.0的相關標準化工作，進一步推動中德工業物聯網的合作和發展。

3 基于IP技術的工業物聯網關鍵技術

3.1 工業物聯網體系架構變革

針對物聯網的通用體系架構研究成為國際關注的重點，歐盟在FP7中設立了兩個關于物聯網體系架構的項目，其中SENSEI項目目標是通過互聯網將分布在全球的傳感器與執行器網絡連接起來，IoT-A項目目標是建立物聯網體系結構參考模型。韓國電子與通信技術研究所（ETRI）提出了泛在傳感器網絡（Ubiquitous Sensor Network，USN）體系架構并已形成國際電信聯盟（ITU-T）標準，目前正在進一步推動基于Web的物聯網架構的國際標準化工作。ISO/IEC JTC1 WG10物聯網工作組也正開展物聯網架構標準方面的制定。

雖然通常傳統控制系統的分層結構較好地滿足了工業現場的應用需求，但卻無法實現底層現場控制網與互聯網的無縫融合，限制了現場層、MES、ERP的一體化信息集成。為此，國內外就建立服務于生產制造的全互聯制造網絡技術體系，使信息在真實世界和虛擬空間之間智能化流動，實現對生產制造的實時控制、精確管理和科學決策進行了大量的研究與探索。目前，國內外全互聯制造網絡的研究正在興起，遠未形成完備的技術體系，但相關支撐技術已經具備良好的研究基礎。

針對工業需求，面向廣域測控，研究突破傳統控制系統的分層結構，以邊界網關為橋梁，建立全網統一的設備描述架構、即時通信協議、資源管理模式、地址編碼方式的總體技術架構，實現以XML組織的設備信息、數據信息、管理信息在基于IP技術的全互聯制造網絡內的自由流動；同時考慮與傳統非IP工業網絡的兼容性，設計與支持FDT技術的現場網絡、工業無線網絡等網絡的集成架構，構建全面的底層物聯網到互聯網無縫融合和集成的技術體系。

3.2 工業無線技術共存發展

工業無線技術可以以較低的投資和使用成本實現對工業全流程的“泛在感知”，獲取傳統由于成本原因無法在線監測的重要工業過程參數，并以此為基礎實施優化控制，來達到提高產品質量和節能降耗的目標。 當前，在工業物聯網領域已形成三大國際標準，分別是由我國自主研發的WIA-PA標準、由ISA國際自動化協會發布的ISA100.11a標準和由HART基金會發布的WirelessHART標準。

ISA100（ISA100: Wireless Systems for Automation）致力于通過制定一系列標準規范和技術報告來確定工業自動化控制環境下的無線系統實現技術，是國際自動化協會（International Society of Automation，ISA）負責工業無線技術與系列標準制定的下屬機構?？紤]到其廣泛的覆蓋范圍，ISA100成立了若干工作組分別從事不同的具體任務。其中，制定ISA100.11a標準是其核心工作；ISA100 無線符合性測試機構（Wireless Compliance Institute，WCI）負責提供ISA100 標準族的符合性認證服務。目前，IEC已于2014年4月投票通過其成為國際標準IEC 62734。

WirelessHART（Wireless HART）標準是HART通訊協議的擴展，專為工業環境中的過程監視和控制等應用所設計。WirelessHART標準是在2007年6月經HART通訊基金會批準，作為HART 7技術規范的一部分，加進了總的HART通訊協議族中。國際電工委員會于2010年4月批準發布了完全國際化的WirelessHART標準IEC 62591（Ed. 1.0），是第一個過程自動化領域的無線傳感器網絡國際標準。

WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）是我國擁有自主知識產權的工業無線標準，國家標準和國際標準制定工作同步進行，WIA-PA國際標準的正式發布標志著我國在工業物聯網技術領域與世界的同步。WIA-PA已于2011年正式成為IEC 62601國際標準。它的研發成功，為我國推進工業化與信息化相融合提供了一種新的高端技術解決方案，也標志著我國在工業無線通信技術領域的研發已處于世界領先地位。WIAPA協議與另外兩種標準相比，在規?？蓴U展性、抗干擾性和低能耗運行等關鍵性能方面具有明顯優勢，在拓撲結構、自適應跳頻、分簇報文聚合等方面具有創新性。

目前工業無線領域形成了ISA100.11a、無線HART、WIA-PA三個標準共存的局面，由此帶來了標準之間互通性差、多標準支持設備研發周期長、成本高等問題。為此，以流程工業自動化用戶協會NAMUR為首的用戶組織經過研究發布了NE133（無線傳感器網絡：對現有標準的融合需求）報告，希望三種工業無線國際標準能夠融合為單一的標準，從而方便全球工業物聯設備和網絡的部署。

為了響應用戶需求，業界于2010年8月在倫敦的希思羅（Heathrow）機場召開了第一次融合工作組會議，工作組即以Heathrow命名。Heathrow融合工作組通過總體組和技術組兩個組開展工作。成員來自西門子，艾默生、橫河等單位，中國參與的單位包括重慶郵電大學、機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所和中國科學院沈陽自動化研究所等。

3.3 工業網絡IP化步伐加快

單一的無線通信技術不能滿足所有需求，IP協議的優勢使其在自動化網絡中的使用成為趨勢。雖然目前無線傳感網組網仍以非IP技術為主，但將IP技術，特別是下一代互聯網協議IPv6技術延伸應用到感知層已經成為重要的趨勢。IP網絡連接實現物聯網好處顯著，全IP的工廠沒有混亂的現場總線，基于互聯網的工廠聯網將實現物聯服務和物聯網。

利用IP技術實現工業環境下物物相連，有以下優勢：

? 突破傳統控制系統的局限，實現自動化新的系統結構；

? 實現靈活的數據訪問；

? 實現現場級、OPC、MES和ERP無縫集成；

IPv6技術的實施可以使工業網絡上的每臺設備都使用TCP(UDP)/IP與其他互聯網連接的設備進行通信。6LoWPAN是IPv6的擴展，允許其在低功率無線設備和有限帶寬的網絡，特別是IEEE 802.15.4標準中使用?；ヂ摼W工程任務組（ETF）積極推動輕量級IPv6技術在無線傳感器網的應用，6LoWPAN、RoLL、CoAP等核心標準已經基本制定完成，其中6LoWPAN協議底層采用IEEE 802.15.4規定的物理層（PHY）和媒質接入控制（MAC）層協議，網絡層則根據節點資源受限和低功耗等特點對IPv6協議進行了裁剪和優化。

工業無線標準ISA-100.11a已支持6LoWPAN協議。圍繞輕量級IPv6的互操作性測試成為產業界推進重點，IPSO聯盟、歐盟PROBE-IT項目分別在全球范圍內組織開展了互操作性。ZigBee聯盟的智能電力Smart Energy 2.0應用框架已經全面支持IP協議，同時聯盟還成立了IP-stack工作組以制定IPv6協議在ZigBee中的應用方法。近日，通過IEC投票的工業以太網規范IEC/PAS 62953 ADS-net成為第一個支持IPv6的工業以太網協議。

在基于IP技術的全互聯制造網絡中，每個底層設備都有一個IP地址，能夠將其自身的數據信息和管理信息以XML格式進行編碼，并利用基于TCP/IP的協議進行傳輸。底層物聯網設備之間利用XML進行信息交互，同時通過邊界網關的轉發，XML格式的數據信息和管理信息還能夠自由流動到MES、ERP等系統。這樣，MES、ERP等系統利用IPv6技術能夠直接尋址到現場設備，并且無需經過控制網絡中間層次的處理，就能夠獲取底層物聯網節點的數據信息和管理信息，與現場智能設備之間在邏輯層面上實現了基于XML的直接信息交互，從而達到了底層物聯網與互聯網、智能設備與后臺管理系統之間的無縫融合與集成的目標。工業以太網已經成為現場總線控制網絡的重要成員，逐步向現場層延伸。

4 工業物聯網的應用

4.1 工業無線方面的應用

目前工業無線美國和歐洲已經部署了一些基于ISA100.11a和WirelessHART的應用。國內，工業無線網絡WIA-PA技術是由中科院沈陽自動化所、重慶郵電大學等單位聯合研發的，具有自主知識產權的高可靠、超低功耗的工業無線技術，能夠針對應用條件和環境的動態變化，保持網絡性能的高可靠性和強穩定性。目前，WIA-PA的應用領域包括石油、石化、冶金、環保、污水處理等。

4.2 基于IPv6的工業物聯網的應用

為了在底層物聯網中實現IPv6技術，重慶郵電大學工業物聯網與網絡化教育部重點實驗室自主研發了基于IPv6的工業物聯網系統，包括面向底層物聯網應用的輕量級IPv6協議?！?LoWSN，目前已通過IPv6 Ready Phase II國際認證（金色認證）。6LoWSN分為硬件抽象層、物理層、MAC層、適配層、網絡層、傳輸層、應用層、網絡管理、安全等多個組成單元。其中，硬件抽象層支持STM32、8051等多種微處理器，并支持433MHz、470MHz、780MHz、2.4GHz等多個頻段及常用射頻芯片；物理層和MAC層支持IEEE 802.15.42006標準和IEEE 802.15.4e標準；適配層支持6LoWPAN標準；網絡層支持冗余樹型路由協議和RPL全MESH路由協議，并具有移動性支持協議；傳輸層支持UDP協議；應用層同時支持面向對象的應用協議和COAP協議；網絡管理和安全采用精簡高效的輕量級傳感網管理協議與安全協議。目前基于IPv6的工業物聯網系統已在環境監視，流程自動化監控等應用場景進行應用驗證。

4.3 工業物聯網芯片

重慶郵電大學與臺灣達盛聯合研制了全球首顆工業無線通信核心芯片——渝芯一號（UZ/CY2420），突破了工業無線領域中精確時間同步、確定性調度、自適應跳信道等核心技術難題，技術水平處于國際前沿，主要技術具有領先性，有效推動了工業無線融合技術的發展與標準制定。建立工業物聯網國際科技合作基地有望主導工業無線融合技術的研究與標準制定，引領國內外工業物聯網行業的技術發展方向。

5 工業物聯網的發展趨勢

工業物聯網的發展趨勢表現在：工業物聯網體系架構革命。形成管理、控制、生產一體化系統，突破傳統控制系統的分層結構，建立全網統一的設備描述架構?，F場設備全面的感知能力，擁有更小的體積，更高效的響應，處理設備將會擁有更快的響應和更加穩定的處理能力。工業網絡網絡化、IP化步伐加快，針對IPv6互聯技術，探索基于IPv6的底層物聯網到互聯網統一編碼技術，研究面向無線現場網絡和智能設備的分段重組、路由等IPv6關鍵技術，建立基于IPv6的現場網絡、骨干網絡、控制網絡互聯互通體系結構，提出基于IPv6的現場網絡與全網絡互聯安全方案。工業無線技術進一步發展，目前基于WIA-PA、ISA100等面向過程自動化的工業無線技術已經有了解決方案，工廠自動化的工業無線技術WIA-PA等正在推進，工業無線技術的發展將有力支撐和推進工業物聯網的發展。