一、前言

工业自动化的发展史，其实就是一部“通讯演进史”。

从最初的继电器信号线，到RS-485总线、现场总线（Fieldbus），再到如今的工业以太网、OPC UA、IIoT通信——

每一次技术迭代，都在推动工厂从“孤岛设备”走向“互联智能体”。

而在“智能制造”的时代背景下，工业通讯早已不再只是“信号传输”，

它承担着数据流通、系统融合、智能协同的核心使命。

二、工业通讯的演进阶段

1. 点对点时代（1970s–1980s）

早期PLC之间几乎没有通讯能力。

信号传输依赖硬接线或串口点对点通信。

特点：

可靠但效率低；

成本高、布线复杂；

系统扩展性差。

典型接口：RS-232、20 mA电流环。

2. 现场总线时代（1990s）

随着分布式控制需求增加，各种现场总线兴起。

代表技术：Profibus、DeviceNet、Modbus、CANopen、CC-Link、Foundation Fieldbus。

特点：

多设备共线通讯；

主从结构，支持实时控制；

通讯速率一般在9.6 kbps–12 Mbps之间。

现场总线让PLC、变频器、仪表、I/O模块首次实现了“互联”，

但问题也显现：协议多样、兼容性差、集成复杂。

3. 工业以太网时代（2000s）

以太网在办公与互联网领域成熟后，工业界开始引入其技术优势。

代表协议：Profinet、EtherNet/IP、EtherCAT、Powerlink、Modbus TCP。

优点：

传输速率高（100 Mbps – 1 Gbps）；

支持标准TCP/IP与IT集成；

可实现毫秒级实时控制；

拓扑灵活，可环网、星型、树型结构。

工业以太网的出现，使“控制网”与“信息网”首次在物理层实现融合。

4. 信息化融合与IIoT时代（2010s–至今）

进入智能制造阶段，工业通讯的核心不再是“点-点连接”，

而是端到端的系统互联：

从现场设备 → 控制层 → 车间系统 → 企业级IT → 云平台。

主流技术体系：

OPC UA（统一架构，平台无关）

MQTT（轻量化消息传输协议）

AMQP、DDS、RESTful API 等

通讯目标从“可靠传输”升级为“安全、开放、可扩展的数据互通”。

三、现代工业通讯的分层架构

为了兼顾实时性与信息化需求，智能制造系统通常采用三层通讯结构：

1. 现场层（Field Level）

设备：传感器、执行机构、变频器、I/O模块；

特点：高实时性、抗干扰；

常用协议：Profinet IRT、EtherCAT、CANopen、CC-Link IE。

2. 控制层（Control Level）

设备：PLC、DCS、RTU、运动控制器；

功能：逻辑运算、数据采集、过程调节；

通讯方式：以太网环网、现场总线、工业交换机。

3. 信息层（Information Level）

系统：SCADA、MES、ERP、云平台；

特点：数据量大、实时性次要、注重兼容与安全；

协议：OPC UA、MQTT、HTTP、数据库接口。

三层之间通过边缘网关或数据服务器进行隔离与转换，

实现“底层实时 + 上层开放”的平衡。

四、核心技术趋势

1. OPC UA —— 统一数据语言

OPC UA（Unified Architecture）突破了传统OPC的系统依赖问题，

具备以下优势：

平台无关（Windows/Linux/嵌入式均可运行）；

支持加密与身份认证；

面向对象数据建模，可定义复杂设备结构；

可直接连接云平台与MES系统。

它是智能制造语义层互联的“标准语言”。

2. MQTT —— 轻量高效的数据通道

MQTT最早用于卫星与移动网络，如今在工业物联网中大放异彩。

特点：

发布/订阅模型，解耦通信；

占用带宽小，适合远程与无线应用；

支持QoS等级与离线消息；

与OPC UA结合后，形成OPC UA over MQTT新架构。

适用场景：远程站点监控、能耗采集、设备云接入。

3. TSN（时间敏感网络）

为解决“以太网实时性不足”问题，IEEE推出TSN（Time Sensitive Networking）。

核心思想：在标准以太网中实现确定性传输。

优势：

确保关键数据包在限定时间内送达；

支持多协议共存；

可与OPC UA结合形成“确定性工业物联网”。

未来，TSN将成为工业以太网的主干技术。

五、网络架构的演进方向

1. 从分层到融合

传统的“控制层—监控层—信息层”界限正在淡化。

通过边缘计算与统一通信协议，实现“纵向贯通+横向互联”。

2. 从封闭到开放

新一代协议强调开放性和可扩展性，

设备厂商不再通过“私有协议”锁定用户。

3. 从静态到自适应

网络可根据负载、实时性需求自动调整带宽与优先级，实现动态优化。

六、安全性：通讯体系的命门

随着工业通讯开放化、云化，安全风险显著增加。

常见威胁：

未授权访问与数据篡改；

病毒通过通讯链路传播；

云平台接口漏洞；

控制命令被劫持。

安全设计三原则：

网络分区：生产控制网与办公网隔离；

访问控制：采用身份认证、白名单机制；

数据加密：TLS/SSL、证书体系确保数据完整性。

安全不再是附属，而是通讯设计的前提条件。

七、工程实践经验

案例一：传统厂房以太网升级

原系统采用Profibus，扩展困难。

升级为Profinet环网，控制层采用冗余交换机，现场数据通过OPC UA上传至SCADA。

结果：通讯速率提升10倍，停机率下降70%。

案例二：跨厂区数据互联

多个分厂分布在不同城市。

通过MQTT+云网关实现数据汇聚，中心可实时监控能耗。

通信延时由原来的数秒降至500 ms以内。

案例三：混合架构下的系统融合

老DCS系统与新PLC系统通过OPC UA互联，统一数据库后，

MES可直接调用工艺参数，实现生产调度优化。

八、未来展望

工业网络全面TSN化

控制与信息网络将最终融合为单一TSN以太网。

语义互操作与数据标准化

OPC UA + AutomationML + Digital Twin标准化趋势将加速。

边缘智能节点化

每个设备将具备计算、诊断、通讯三重能力，实现本地自治。

5G/6G 工业专网融合

低时延无线通信将成为工厂“最后一米”的主力方案。