工业以太网与以太网是孪生而来，类似工业物联网（Industrial IoT）与物联网也是一对孪生兄弟。它们把“民用”的技术标准提升到“工业”级别，包括稳定性、实时性、耐用性、扩展性和可靠性，当然也包括成本提高和供应链服务要求提高。以太网是物联网中最基础的现场设备互联手段，从传感器，上位机下位机互联和办公监控的主要手段。但是工业以太网对可靠性，实时通信和耐用性提出高要求，本文重点分析工业以太网提升过程中需要传感器、设备DTU、网关、路由器和边缘计算部署趋势。
工业以太网的成功之处
以太网兼容了多种总线通讯协议，形成开放的通信标准，使以太网成为LAN协议和国际计算机行业标准。在工业3.0步入4.0的年代，工业以太网搭上顺风车，只需在“工业标准”上做功夫，重点是分布式实时控制通信网络，数据传输量大，传输速度要求较高、实时性高的场合。
工业以太网的优势
（比较普通以太网）
1. 一是应用广泛。基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络，可解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题，如VB、Java、VC等编程语言都可以支持其应用开发。采用以太网作为现场总线，就可以选择多种开发工具、开发环境。
2. 二是通信速率高。相比传统的现场总线最高速率只有12M，高速以太网的通信速率可以高达100M或1000M，目前10G的以太网技术也逐渐成熟，可以满足对带宽的更高要求。
3. 三是成本低廉。由于以太网应用广泛，因此具有丰富的软硬件资源，而其网卡的价格只有现场总线的十几分之一，并随着技术发展还会进一步下降。
4. 四是可持续发展潜力大。工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展
工业以太网面临的挑战和机会
工业以太网也并不是完美无缺的。工业以太网的本质是将普通以太网应用到工业控制系统，但普通以太网在设计之初，是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑到工业控制的应用需求，因此想要让以太网适配工业领域，仍有许多问题亟待解决。
一方面，普通以太网所用的交换机，路由器，网关，DTU和接插件等均是为商用领域设计的，未针对较恶劣的工业现场环境，所以当这些商用网络设备部署于工业现场时，不具备基本的安全性能、稳定性和可靠性。另一方面，工业现场中工厂或机械的工艺应用要求决定了工业以太网需要具备实时性，尤其在一些高精度的控制系统中，但普通以太网是“尽力而为”的传输，显然不具有实时性。总而言之，工业环境的确定性决定了工业以太网必须可靠稳定，交换机，路由器，网关和DTU等必须有工业级别的选型认知。
工业以太网交换机
工业以太网交换机是实现网络拓扑结构的装置，拓扑是指网络中电缆的布置。工业以太网的拓扑结构一般为星型、环型、树型和线型。不同的拓扑结构也带来了灵活的组网方式。通常，工业以太网交换机可以支持多种基础组网结构，如星型、链型单环、双环、耦合环、相切环、相交环以及多种结构混合组网。
工业以太网交换机（经常与路由器/集线器混合使用）除了具备坚固耐用的设计，可运作于严苛的工业环境中，还具备网络管理及监控功能，以及系统冗余能力。当然，随之而来的要求也更多，比如工业以太网交换机需要防水、防尘、抗震、抗电磁干扰，以及较高的可靠性要求，保证24小时不间断长期运行。
工业以太网交换机的优势十分明显，可以构建不同的拓扑结构、灵活的组网方式、环网的自愈能力。其中，环网自愈能力就是环型拓扑结构的一大优点。使用环形拓扑结构，交换机可以组成环形网络，每台交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动启用备用路径，从而实现快速自愈。更重要的是，利用工业以太网交换机，可以通过组建冗余网络，提高网络连接可靠性。而工业以太网交换机构建冗余网络的方式也是多种多样，主要分为STP、RSTP、以及环网冗余RapidRing，每种方式都可以缩短网络中断的恢复时间，从而达到工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求。
工业物联网网关拓扑场景
工业物联网网关具备数据采集、协议解析、利用4G/5G/Wifi网络/WAN/以太网等为用户提供有线和无线数据传输功能和接入工业云平台与边缘计算能力，能多协议转发、能够实时提供相关的数据，或带有边缘计算能力。作为连接感知层与网络层的纽带，具有数据交互管理等功能，支持串口/并口/各种视频I/O，支持采集PLC、传感器、仪器仪表和各种控制器适合作为大规模的分布式设备的接入节点。工业物联网网关选型，要特别注意九点：
1、实现工业现场设备远程控制，实现工业现场PLC远程编程、上下载程序，调试监控，包括西门子PLC、三菱PLC、欧姆龙PLC、台达PLC、施耐德PLC、汇川、永宏、安川和信捷等主流协议硬件解析；
2、设备固件远程升级，程序上下载，包括变频器，伺服器，仪表仪器的远程上下载程序监控，远程调试；
3、可同时与多台PLC或触摸屏远程通讯，可灵活接入各种设备管理平台；
4、实现工业现场触摸屏远程控制，以太网和USB接口的PLC/触摸屏以及串口的触摸屏；
5、实现工业现场组态画面远程映射，支持WINCC、组态王、力控等等组态软件远程组态、远程监控；
7、开放式嵌入式平台、支持定制化开发，可以实现工程设备PLC的参数输送到云平台上；
8、采用VPN over P2P远程安全通讯方式，结合RSA加密算法确保通讯安全，严防数据泄漏；
9、支持断线重连，异常恢复、系统自监控，确保设备实时在线，确保监控系统正常运行。
工业物联网网关有多个细分名称，包括有线/无线数据采集网关、通讯采集网关，PLC无线网关，工业通讯网关，和传感器网络网关等。工业物联网网关是一款具备挖掘工业设备数据并接入到云平台的智能嵌入式网络设备。工业物联网网关的应用范围广，无需布线，减少运维成本，安装便捷，即插即用，可以快速帮助用户接入高速互联网，实现安全可靠的网络数据传输。
工业物联网典型应用场景
工业网关的职责是采集数据，是在设备与云之间承上启下的数据转化设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。相比于互联网时代，物联网的通信协议更加多样。网关的重要性也就由此凸显——物联网网关能够把收集到的信息整合起来，并且把它传输到下一层次，因而信息才能在各部分之间相互传输。
物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换；既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。随着企业内生产部门和其他部门相互联系的不断增多，网关能够从设备和供应链各环节获得信息，能够给系统提供实时生产数据（提高生产信息的实用性和有效性），以及能够在生产线、本地或远程，对系统进行远程开发和维护，前提是拥有适当的安全通关权限。
工业物联网网关
典型连接设备举例
（1）电力行业：电力远程抄表，变电站监测，电力线路监测，配电网络上开关监测系统。
（2）水利行业：水质监测,水库闸门远程控制系统方案，水利GPRS调度系统应用方案，水管网监测系统，水库自动监测系统。
（3）石油行业:油气井的远程监控，GPRS远程油田自动化监测监控系统,燃气管网监控系统方案。
（4）市政行业：路灯远程监控管理，管网远程监测，城市能耗监测。
（5）环保行业：污染源监测，大气环境监测，噪音监测，粉尘监测。
（6）农业应用：大棚远程监测管理，水产养殖监测管理，农业水泵监测管理。
（7）其它行业：仓库监控管理，电梯远程监控，远程起重机管理系统，工业能耗监测方面的应用，加油站GPRS数据采集系统，GPRS气象信息采集系统。
工业物联网网关推荐
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工业DTU以及特点
数据传输单元DTU(Data Transfer unit)是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。它采用高性能工业级嵌入式处理器，5G/4G向下兼容，实时操作系统为软件支撑平台，保证数据链路任何时候畅通，为用户提供高速、稳定、可靠的数据传输。
DTU是适用最多的工业物联网互联通信装置，每台联网设备都要占用一个TDU接口才能与IP网络连接。为了在工业现场方便快捷的进行设备布置和在严酷环境下使用，DTU选型有下面10个要素：
1. 精选工业级器件，抗干扰设计，全金属结构, 适合电磁环境恶劣的应用需求
2. 宽压电源设计，支持DC5V-35V电源输入，内置电源反向保护和过压过流保护
3. 提供多路串口，支持自定义串口为业务串口或数据串口链路配置
4. 支持基于4G网络向下兼容2G/3G网络的网络接入方式
5. 内置硬件看门狗，定期检测机制，设备异常自动复位
6. 多中心模式/多备份模式，本地串口升级和远程软件升级
7. 多种协议上位开发包支持(兼容多家DTU厂家的通信协议，可实现DTU的无缝替换)
8. 支持ICMP、LCP链路检测技术，支持心跳保活，保障网络和通信稳定可靠
9. 支持TCP/UDP/DUTCP/DCUDP等多种连接协议
10.支持多种加密方式，保证数据的安全传输
写在最后
从目前的发展趋势来看，未来一段时间内工业控制网络领域仍然将是工业以太网和现场总线并存发展，但在工业以太网快速发展趋势下，全面替代现场总线的进程是无可避免的。毫无疑问，工业以太网的可靠稳定性必将成为未来研发的重点方向，而上述提到的连接器、电阻器、电缆等元件就是其不可忽视的“制胜法宝”。
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