工业以太网最新发展解析：TSN、SPE、APL、OPC UA FX

作者 | Suzanne Gill

历经多年的快速发展，工业以太网已成为工业自动化的核心组成部分，可以满足现代工业系统不断变化的需求。在自动化复杂性提升、数据传输实时性需求增加及日益增长的网络安全威胁的推动下，多项关键趋势与技术革新已然涌现，正在重塑控制工程师构建与维护网络的方式。

西门子SCALANCE产品线负责人Jens Geider指出，工业以太网的一项关键进展，是时间敏感网络（TSN）标准的制定。这项技术将标准以太网转变为确定性的解决方案，适用于跨行业的时间关键型自动化与控制任务。TSN机制引入了精确调度和流量整形机制，确保在可预测的时间范围内可靠地传输关键数据——这对于运动控制、机器人技术和安全关键型系统至关重要。这种确定性功能使控制工程师能够确信：关键信号能在需要时精确送达控制器，从而提升系统运营的可预测性。

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带宽与冗余的提升

与此同时，工业以太网带宽持续升级——目前已达到10 Gbps及更高水平。这些高速网络能够支持机器视觉和边缘分析等数据密集型应用，即便数据负载大幅增长，仍可确保系统持续响应、稳定运行。

“可靠的连接还需要强大的冗余机制，” Jens解释道，“诸如并行冗余协议（PRP）、高可用性无缝冗余（HSR）以及经过验证的介质冗余协议（MRP）等协议，能显著增强系统韧性。通过消除单点故障，这些冗余协议有助于满足关键任务的高可用性标准，保障生产系统不会发生停机与中断的风险。”

标准化冗余机制的最新增强功能，允许在单一专用网络设备中耦合不同的无缝与非无缝机制。Jens指出，“这种协议桥接技术还能将经过验证的信息技术（IT）装置和协议，与高可用的运营技术（OT）网络结构平滑融合，通过向下直至装置层和车间层的聚合层级，为跨OT/IT网络的可靠虚拟控制应用铺平了道路。”

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网络的加速融合

另一显著趋势是IT与OT网络的融合日益加深。这些在历史上相互独立的架构，如今通过先进的以太网协议实现了互联互通。无缝互操作性简化了跨生产设施之间异构系统的集成，边缘计算则进一步强化了这种融合——将数据处理转移至更接近数据源的位置，从而显著降低延迟，实现车间层更快、更智能的决策。

工业以太网技术需要应对日益增长的网络安全威胁。新一代产品配备高级入侵检测系统、安全启动过程和端到端加密功能，能有效保护敏感工业数据并保障过程完整性。此外，专为降低功耗而设计的高能效以太网设备可支持更广泛的可持续发展目标，使网络基础设施有助于降低运营成本与环境影响。

Jens进一步强调了硬件耐用性持续提升的重要性。“新一代设计在承受严苛工业环境的同时，仍需具备耐受极端温度、电磁干扰和机械应力的能力。硬件技术的进步，包括内置诊断与冗余功能，能够快速识别和解决故障。”

软件创新应与这些硬件发展相辅相成，提供完善的网络管理与监控工具，使控制工程师能够实时洞察网络健康状况和性能。这些软件功能有助于实现预测性维护、简化故障排除并提高运行可用性。

“通过硬件与软件的融合，工业边缘技术直接在操作层面提供了新功能，将数据处理能力与定制化应用无缝集成至设备接口。” Jens进一步补充道，“这种本地化处理能力进一步降低了延迟，优化了响应速度——这对于实现精准控制和高效利用带宽至关重要。”

这些工业以太网创新可以精准应对工程领域的关键痛点，为控制工程师提供了现代工业自动化所需的稳健、自适应且安全的网络基础。这些进步不仅提升了运营可靠性与性能，更可确保未来的可扩展性、网络安全和能源效率。所有这些发展正在从根本上重塑工业互联格局，为实现长期可持续性与生产力提升奠定基础。

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无处不在的连通性

ODVA市场总监Steve Fales认为，普遍的连接性将推动工业自动化生产力迈向新的高度。他表示：“单对以太网（SPE）、无线连接和人工智能（AI）等新技术的结合，将使更多设备接入网络，同时使得基于实时输入数据模型的持续反馈回路优化成为可能，并将优化结果反馈至生产现场。”

SPE技术将使低成本远程设备,如仓库输送系统远端设备、机柜内的受限设备、危险区域的过程设备等,都能接入全厂以太网络。Wi-Fi和5G技术已开始推动自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR）在工厂车间内的广泛应用，这些设备可在车间内自由移动，使流程更具灵活性，并让工人能够专注于更高附加值的任务。

通过单对双绞线，SPE以最优成本为更小型、更简单且难以触及的设备，同时提供数据和电力传输。目前存在多种SPE标准：支持25米及以下多分支短距离应用的10BASE-T1S；支持最长1000米点对点连接的10BASE-T1L；以及用于高速汽车应用的100BASE-T1等其他标准。

“两项关键的SPE解决方案分别是面向过程自动化现场仪表的 Ethernet-APL，以及面向机柜内部设备的EtherNet/IP In-Cabinet。” Steve继续说道，“Ethernet-APL基于10BASE-T1L标准，将A型现场总线电缆、本质安全特性与2-WISE技术相结合；EtherNet/IP In-Cabinet则利用10BASE-T1S标准，将接触器、按钮和电机启动器连接至以太网网络。Ethernet-APL允许潜在复用过程工厂中已安装的A型现场总线电缆（100欧姆阻抗，±20欧姆容差），无需计算即可在危险区域安全安装设备，并覆盖全厂分布的设备。EtherNet/IP In-Cabinet不仅提高了机柜组装效率，还能从以前未联网的设备中获取新的状态诊断数据。”

由此可见，普遍的连接性有望帮助工厂运营实现转型——从原本以不透明方式运行的孤立设备的集合，转变为跨网络的统一设备群组，通过易于获取的洞察数据来指导行动并产生成果。

“在当前模式下，从不同来源收集数据、清理空白或错误条目、整理所有信息、进行手动数据分析，直至最终制定行动计划，需要耗费大量的时间。”Steve表示，“SPE和无线网络等解决方案使数据采集更便捷，既节省时间又能提供更完整的运营视图。此外，AI将支持构建可重复使用的优化模型，基于现有运营数据（包含理想性能指标及故障预警、维护需求等状态特征）进行多重分析。EtherNet/IP基于未经修改的标准以太网架构，这使其能够将工厂层数据从CIP对象推送至SQL等强大的分析工具，从而进行处理与执行。”

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持续迭代的协议

相关数据显示，基于以太网的网络在新工业设施安装中占比高达 76%，这标志着行业在连接性、效率和弹性方面的理念发生了变革性转变。

Analog Devices公司工业网络业务高级总监Tony Zarola指出，将以太网适配到工业系统并非易事。“为实现工厂设备高效运行所需的性能、确定性、低延迟和互运营性要求，并进一步扩大应用规模，工业以太网需要PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT等协议。”他表示，“这些协议如今主导着工业协议市场，提供确定性通信、可扩展性和互操作性 —— 这对依赖高速、低延迟数据交换的现代工厂至关重要。”

随着需求的变化与新技术的涌现，通信协议也在不断演进和迭代。开放平台通信统一架构（OPC UA）——这一为工业自动化等领域设计的强大、平台无关的通信标准——正逐步演进为工业互联的骨干网络。它不仅是一种协议，更是一种让机器、系统和软件实现跨行业流畅对话的数字语言。

目前，OPC UA主要规范控制器间通信。而工业通信的下一个飞跃，将来自OPC UA FX扩展协议。该扩展协议增加了现场层通信功能，为工业设备间带来实时、确定性且安全的数据交换。“OPC UA FX标准作为持续演进的技术规范，将为安全实时互运营的现场层通信奠定基础。”Tony总结道。

工业以太网已不再仅仅是连接解决方案——它已演进为数字化转型的战略推动者。随着各行业拥抱智能制造、AI和工业物联网（IIoT），以太网的角色正从数据传输向数据编排扩展。未来的网络将具备弹性、安全性和智能性，而工业以太网将引领这一趋势的发展。

▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2025年11-12月刊《封面故事》栏目：以太网的进化：工业以太网最新发展解析