差異與商機：工業以太網 vs 以太網
工業以太網與以太網是孿生而來，類似工業物聯網（Industrial IoT）與物聯網也是一對孿生兄弟。它們把“民用”的技術標準提升到“工業”級別，包括穩定性、實時性、耐用性、擴展性和可靠性，當然也包括成本提高和供應鏈服務要求提高。以太網是物聯網中最基礎的現場設備互聯手段，從傳感器，上位機下位機互聯和辦公監控的主要手段。但是工業以太網對可靠性，實時通信和耐用性提出高要求，本文重點分析工業以太網提升過程中需要傳感器、設備DTU、網關、路由器和邊緣計算部署趨勢。
工業以太網的成功之處
以太網兼容了多種總線通訊協議，形成開放的通信標準，使以太網成為LAN協議和國際計算機行業標準。在工業3.0步入4.0的年代，工業以太網搭上順風車，只需在“工業標準”上做功夫，重點是分布式實時控制通信網絡，數據傳輸量大，傳輸速度要求較高、實時性高的場合。
工業以太網的優勢
（比較普通以太網）
1. 一是應用廣泛。基于TCP/IP的以太網是一種標準的開放式網絡，可解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作的問題，如VB、Java、VC等編程語言都可以支持其應用開發。采用以太網作為現場總線，就可以選擇多種開發工具、開發環境。
2. 二是通信速率高。相比傳統的現場總線最高速率只有12M，高速以太網的通信速率可以高達100M或1000M，目前10G的以太網技術也逐漸成熟，可以滿足對帶寬的更高要求。
3. 三是成本低廉。由于以太網應用廣泛，因此具有豐富的軟硬件資源，而其網卡的價格只有現場總線的十幾分之一，并隨著技術發展還會進一步下降。
4. 四是可持續發展潛力大。工業控制網絡采用以太網，就可以避免其發展游離于計算機網絡技術的發展
工業以太網面臨的挑戰和機會
工業以太網也并不是完美無缺的。工業以太網的本質是將普通以太網應用到工業控制系統，但普通以太網在設計之初，是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮到工業控制的應用需求，因此想要讓以太網適配工業領域，仍有許多問題亟待解決。
一方面，普通以太網所用的交換機，路由器，網關，DTU和接插件等均是為商用領域設計的，未針對較惡劣的工業現場環境，所以當這些商用網絡設備部署于工業現場時，不具備基本的安全性能、穩定性和可靠性。另一方面，工業現場中工廠或機械的工藝應用要求決定了工業以太網需要具備實時性，尤其在一些高精度的控制系統中，但普通以太網是“盡力而為”的傳輸，顯然不具有實時性。總而言之，工業環境的確定性決定了工業以太網必須可靠穩定，交換機，路由器，網關和DTU等必須有工業級別的選型認知。
工業以太網交換機
工業以太網交換機是實現網絡拓撲結構的裝置，拓撲是指網絡中電纜的布置。工業以太網的拓撲結構一般為星型、環型、樹型和線型。不同的拓撲結構也帶來了靈活的組網方式。通常，工業以太網交換機可以支持多種基礎組網結構，如星型、鏈型單環、雙環、耦合環、相切環、相交環以及多種結構混合組網。
工業以太網交換機（經常與路由器/集線器混合使用）除了具備堅固耐用的設計，可運作于嚴苛的工業環境中，還具備網絡管理及監控功能，以及系統冗余能力。當然，隨之而來的要求也更多，比如工業以太網交換機需要防水、防塵、抗震、抗電磁干擾，以及較高的可靠性要求，保證24小時不間斷長期運行。
工業以太網交換機的優勢十分明顯，可以構建不同的拓撲結構、靈活的組網方式、環網的自愈能力。其中，環網自愈能力就是環型拓撲結構的一大優點。使用環形拓撲結構，交換機可以組成環形網絡，每臺交換機能自動判斷最優傳輸路徑和備用路徑，當優先路徑中斷時自動啟用備用路徑，從而實現快速自愈。更重要的是，利用工業以太網交換機，可以通過組建冗余網絡，提高網絡連接可靠性。而工業以太網交換機構建冗余網絡的方式也是多種多樣，主要分為STP、RSTP、以及環網冗余RapidRing，每種方式都可以縮短網絡中斷的恢復時間，從而達到工業環境對工業控制網絡可靠性能的超高要求。
工業物聯網網關拓撲場景
工業物聯網網關具備數據采集、協議解析、利用4G/5G/Wifi網絡/WAN/以太網等為用戶提供有線和無線數據傳輸功能和接入工業云平臺與邊緣計算能力，能多協議轉發、能夠實時提供相關的數據，或帶有邊緣計算能力。作為連接感知層與網絡層的紐帶，具有數據交互管理等功能，支持串口/并口/各種視頻I/O，支持采集PLC、傳感器、儀器儀表和各種控制器適合作為大規模的分布式設備的接入節點。工業物聯網網關選型，要特別注意九點：
1、實現工業現場設備遠程控制，實現工業現場PLC遠程編程、上下載程序，調試監控，包括西門子PLC、三菱PLC、歐姆龍PLC、臺達PLC、施耐德PLC、匯川、永宏、安川和信捷等主流協議硬件解析；
2、設備固件遠程升級，程序上下載，包括變頻器，伺服器，儀表儀器的遠程上下載程序監控，遠程調試；
3、可同時與多臺PLC或觸摸屏遠程通訊，可靈活接入各種設備管理平臺；
4、實現工業現場觸摸屏遠程控制，以太網和USB接口的PLC/觸摸屏以及串口的觸摸屏；
5、實現工業現場組態畫面遠程映射，支持WINCC、組態王、力控等等組態軟件遠程組態、遠程監控；
7、開放式嵌入式平臺、支持定制化開發，可以實現工程設備PLC的參數輸送到云平臺上；
8、采用VPN over P2P遠程安全通訊方式，結合RSA加密算法確保通訊安全，嚴防數據泄漏；
9、支持斷線重連，異常恢復、系統自監控，確保設備實時在線，確保監控系統正常運行。
工業物聯網網關有多個細分名稱，包括有線/無線數據采集網關、通訊采集網關，PLC無線網關，工業通訊網關，和傳感器網絡網關等。工業物聯網網關是一款具備挖掘工業設備數據并接入到云平臺的智能嵌入式網絡設備。工業物聯網網關的應用范圍廣，無需布線，減少運維成本，安裝便捷，即插即用，可以快速幫助用戶接入高速互聯網，實現安全可靠的網絡數據傳輸。
工業物聯網典型應用場景
工業網關的職責是采集數據，是在設備與云之間承上啟下的數據轉化設備。在使用不同的通信協議、數據格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統之間，網關是一個翻譯器。網關對收到的信息要重新打包，以適應目的系統的需求。同時，網關也可以提供過濾和安全功能。相比于互聯網時代，物聯網的通信協議更加多樣。網關的重要性也就由此凸顯——物聯網網關能夠把收集到的信息整合起來，并且把它傳輸到下一層次，因而信息才能在各部分之間相互傳輸。
物聯網網關可以實現感知網絡與通信網絡，以及不同類型感知網絡之間的協議轉換；既可以實現廣域互聯，也可以實現局域互聯。隨著企業內生產部門和其他部門相互聯系的不斷增多，網關能夠從設備和供應鏈各環節獲得信息，能夠給系統提供實時生產數據（提高生產信息的實用性和有效性），以及能夠在生產線、本地或遠程，對系統進行遠程開發和維護，前提是擁有適當的安全通關權限。
工業物聯網網關
典型連接設備舉例
（1）電力行業：電力遠程抄表，變電站監測，電力線路監測，配電網絡上開關監測系統。
（2）水利行業：水質監測,水庫閘門遠程控制系統方案，水利GPRS調度系統應用方案，水管網監測系統，水庫自動監測系統。
（3）石油行業:油氣井的遠程監控，GPRS遠程油田自動化監測監控系統,燃氣管網監控系統方案。
（4）市政行業：路燈遠程監控管理，管網遠程監測，城市能耗監測。
（5）環保行業：污染源監測，大氣環境監測，噪音監測，粉塵監測。
（6）農業應用：大棚遠程監測管理，水產養殖監測管理，農業水泵監測管理。
（7）其它行業：倉庫監控管理，電梯遠程監控，遠程起重機管理系統，工業能耗監測方面的應用，加油站GPRS數據采集系統，GPRS氣象信息采集系統。
工業物聯網網關推薦
瑞芯微RK3288邊緣計算智能網關
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工業DTU以及特點
數據傳輸單元DTU(Data Transfer unit)是專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。它采用高性能工業級嵌入式處理器，5G/4G向下兼容，實時操作系統為軟件支撐平臺，保證數據鏈路任何時候暢通，為用戶提供高速、穩定、可靠的數據傳輸。
DTU是適用最多的工業物聯網互聯通信裝置，每臺聯網設備都要占用一個TDU接口才能與IP網絡連接。為了在工業現場方便快捷的進行設備布置和在嚴酷環境下使用，DTU選型有下面10個要素：
1. 精選工業級器件，抗干擾設計，全金屬結構, 適合電磁環境惡劣的應用需求
2. 寬壓電源設計，支持DC5V-35V電源輸入，內置電源反向保護和過壓過流保護
3. 提供多路串口，支持自定義串口為業務串口或數據串口鏈路配置
4. 支持基于4G網絡向下兼容2G/3G網絡的網絡接入方式
5. 內置硬件看門狗，定期檢測機制，設備異常自動復位
6. 多中心模式/多備份模式，本地串口升級和遠程軟件升級
7. 多種協議上位開發包支持(兼容多家DTU廠家的通信協議，可實現DTU的無縫替換)
8. 支持ICMP、LCP鏈路檢測技術，支持心跳保活，保障網絡和通信穩定可靠
9. 支持TCP/UDP/DUTCP/DCUDP等多種連接協議
10.支持多種加密方式，保證數據的安全傳輸
寫在最后
從目前的發展趨勢來看，未來一段時間內工業控制網絡領域仍然將是工業以太網和現場總線并存發展，但在工業以太網快速發展趨勢下，全面替代現場總線的進程是無可避免的。毫無疑問，工業以太網的可靠穩定性必將成為未來研發的重點方向，而上述提到的連接器、電阻器、電纜等元件就是其不可忽視的“制勝法寶”。
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