工业网络专题（一）：工业交换机：连接工业设备，赋能新型工业

工业网络专题（一）——工业交换机 连接工业设备，赋能新型工业 西南证券研究发展中心通信研究团队2024年2月 核心要点 我国制造业全球竞争力提升关键在于高端制造，工业互联网是政策引导的重点方向。我国正逐步从粗放的人口红利型制造业转向工程师红利型的高端制造，工业网络融合化、平台化、智能化是工业企业降本提效，进而提升全球竞争力的关键方向。基于此，我国工业互联网引导支持举措持续出台，目前“1+5+N”的政策体系已经基本形成，全国22个省级地方政府将工业互联网写入2023年工作报告，我国中央+地方覆盖全工业产业的工业互联网体系正加速形成。 新型工业化催生海量设备连接数，下游细分市场多点开花驱动强劲。新型工业化强调融合和互联，带来海量的网络接入端口需求。据CMI，2023年全球工业以太网交换机市场规模约为33亿元，未来有望以7.1%的复合增速增长。从细分场景看，智能制造、智能矿山、光伏储能、智能驾驶、智能交通、铁路城轨都保持了强劲的数字化投资增长。工业交换机等工业通信设备作为工业数字化连接基座，必然受益于各行业数字化和智能化投资提升，下游众多场景的交替驱动也提升了工业通信设备厂商未来业绩增长的确定性。 工业人工智能、5G+工业互联网等新型技术为工业通信设备注入增长新动能。随着工业行业大模型的逐步完善，工业网络对于边缘算力的新需求有所提升，附带算力的边缘计算网关等设备出货量有望提升。此外，我国5G+工业互联网建设取得了较好成效，到2023年已建成了300个5G工厂，建设投资总额近100亿元，覆盖了25个国民经济大类。在5G工厂实际生产中，智能化赋能能够对生产能力、运营成本、能源效率等关键指标带来20%左右的效率提升。随着5G+工业互联网建设推进，无线网关等无线融合通信设备需求有望持续增长。 相关标的：三旺通信、佳讯飞鸿、海能达、映翰通、东土科技等。 风险提示：新型工业化推进不及预期；铁路、交通等行业数字化投资不及预期；工业企业利润增长不及预期等风险。 1 目录 1工业网络向融合化发展，工业以太网交换机渗透加速 1.1工业网络：工业设备通信的管道 1.2工业交换机：工业设备连接的汇聚者 2工业交换机市场：下游增量需求增长，高端制造加速发展 3行业相关标的 2 工业网络与传统互联网对比 1.1.1工业网络：工业设备通信的管道 定义：工业网络是指安装在工业生产环境中的一种综合集成网络，将工厂生产现场的各种要素连接在一起并提供可靠、实时通信的设施，集确定性、可靠性、灵活性于一体。工业网络的概念已经从最初的工业控制网络延伸到包含工业控制网络（OT）、工业信息网络（IT）以及工业物联网在内的网络全集。工业网络最重要的功能是实现传感器、控制器、执行器之间的通信，通常会在恶劣的环境下运行，所以对于连接性能和通信有着严格的要求。 特征 工业网络 传统互联网 主要功能 物理实体设备控制 数据处理和传输 应用功能 制造业 企业 层次结构 深层的、功能上分离的层次结构，具有许多协议和物理标准 具有统一协议的集成层次结构和物理标准 故障级别 高 低 可靠性 高 低 传输时间 250us~10ms 50ms+ 确定性 高 低 数据组成 周期性和非周期性的小数据包 大且非周期性数据包 时间一致性 要求 不要求 数据来源：王宝友《5G推动工业网络转型升级》，朱瑾瑜，陈洁，段世惠.《确定性工业网络架构与关键技术分析》，智能制造之家，西南证券整理3 1.1.2工业网络发展：向广泛而兼容趋势前进 工业网络经历了计算机集中控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统三个发展阶段，目前正处于从现场总线技术到工业以太网的演进过程中。21世纪开始，IT与OT信息交互模式出现变革，工业网络未来还将向5G、TSN、APL等新型网络技术方向不断演进。 FCS实现了各类工业数据信号的共总线传输，有接口简单、协议开放、等突出优势，但存在布线成本高、布线复杂、周期长的问题。 工业以太网技术在标准以太网协议基础上进行改进，从高速率、分组交换和同步机制三方面进行增强，以确保实时性和可靠性。 DCS的特点是“集中管理，分散控制”，降低局部对整体系统的损害程度，提高系统可靠性；但效率低下，传输可靠性差，成本高。 在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，使用更为先进的控制技术；但由于控制简单，直接面向控制对象，并未形成控制网络体系。 数据来源：贾东耀，汪仁煌《工业控制网络结构的发展趋势》，梁晓辉，黄骅，张骥等《工业网络新技术研究与趋势展望》，西南证券整理4 Level4企业层：定义管理制造组织所需的与业务相关的活 动，包括建立基础车间调度、确定库存水平以及确保物料适时适量适地进行生产。 ISA-95标准参考模型 Level3制造运营管理层：定义工作流的活动以产生所需的 最终产品，包括生产期望产品的工作流活动、生产 过程的协调与优化、生产记录的维护等。 1.1.3工业网络架构：工业交换设备连接工业网络各层级 ISA-95标准参考模型将工业互联网系统分为五层，定义了从物理生产过程到企业管理各个层级所实现的功能。 同时，我国工业互联网产业联盟（AII）也定义了工业网络实施架构，包括设备层、边缘层、企业层和产业层四个层级，各个层级通过工业总线、边缘网关、工业以太网交换机、路由器和高质量专线等模块相互连接，形成一套全流程、全业务的公司内网与公司外网数据互通体系。 Level2 SCADA层：定义监视和控制物理过程的活动，人机 界面，SCADA等都是该级别的一部分。 Level1设备层：定义与感测和操纵物理过程以及过程参数 的自动控制有关的活动。这包括传感器，输入/输出 （I/O）模块，嵌入式控制器和执行器。 我国工业互联网网络实施框架 Level0定义实际的物理过程或物理生产过程。 数据来源：常洁，王艺，李洁等《工业通信网络现有架构的梳理总结和未来运营商的发展策略》，工业互联网产业联盟《工业互联网体系架构（版本2.0）》，西南证券整理5 1.1.4工业网络分类：可分为有线网络和无线网络 工业网络分为有线通信和无线通信，其中有线通讯技术包括了现场总线和工业以太网等，工业无线则包括了Wi-Fi、LoRA等。工业以太网相较于现场总线有更易于集成、适用范围更广的优势，有效解决了现场总线数据包传输延迟、数据丢失的问题，但是成本较高，且受限于距离和带宽。工业无线与前二者相比而言，不需要布置供电线路，同时能够连接更多监测和控制点，但是存在容易被电磁干扰、标准多样难以统一接口的问题。 工业网络分类 工业网络 有线通信 无线通信 现场总线 工业以太网 工业无线 优点 大幅缩减工厂的供电线路，简单可靠 易于集成、适用范围广、技术成熟 不需要布置供电线路，能够连接更多监测和控制点 缺点 数据包传输延迟、数据丢失、存在瞬时错误 成本较高、受限于距离和带宽 容易被电磁干扰、标准多样难以统一接口 典例 Profibus、ModBus、DeviceNET、CANOpen、CC-Link、AS-I、Interbus、ControlNet Profinet、Ethernet/IP、Ethernet CAT、ModbusTCP 802.15.4、6LoWPAN、Bluetooth/LE、Cellular、LoRA、Wi-Fi、WirelessHART、ZigBee 数据来源：智能制造之家，陈尚文《现场总线标准的发展与工业以太网技术[》，西南证券整理6 OT-IT融合体系架构 OT与IT对比分析 1.1.5OT与IT融合发展，推动工业以太网渗透加速 工厂内网主要包括工业现场的生产网络（OT）以及信息网络（IT）。OT以工业控制网络为主，IT以工厂信息系统及办公网络为主。 OT是以计算机技术为辅助的自动化技术运营技术，采用的通讯协议有OPCUA、DDS、FDT、DTM等。 IT是以计算机技术为基础的软件技术互联网技术，采用的通讯协议有MQTT、AMQP、RESTful等。 由于OT与IT数据网络的传输协议有所差异，数据集成存在困难，无法满足工业互联网大趋势下多种业务彼此协同、共网传输的需求，二者的融合发展十分关键，而工业以太网作为一种解决OT与IT互联互通的方案在工厂内网架构中被大量应用。 特征 OT IT 面向对象 面向工业，主要与机器交互 面向业务，主要处理信息 传输数据类型 监控、控制和监督数据 交易、语音、视频和大容量数据 访问限制 与外界相连，访问不受限制 仅限于某些特权的人 风险类型 信息风险 自动化风险 网络故障后果 寿命终止 数据丢失 环境变化 环境变化少，需求变化不频繁 环境经常变化 对业务的影响 直接影响 取决于行业 安全级别 对设备进行物理访问 对用户和设备进行身份验证 工作侧重 控制和监控工业流程 支持业务流程 数据来源：曾梦妤,甘露,张迪等《以数字电网促进新型电力系统IT与OT融合的思考》，王峰，于青民，黄颖等.《工业互联网网络关键技术与发展研究》，西南证券整理7 5G与TSN融合部署总体参考架构 当前，企业所用的工业网络中，工业现场总线、工业以太网等多种技术通常会同时部署使用。 工业以太网对现场总线技术逐步实现替代。据HMSNetworks发布的《工业网络市场份额报告》，近6年工业以太网保持稳定的增长速度，并在2022年占全球自动化新安装节点市场的66%，反观工业现场总线新安装节点市场占有率呈下隆趋势，未来工业以太网将继续向工业现场总线中占据更多的市场份额，逐渐替代工业现场总线，成为工业互联网发展的重要技术。 1.1.6工业以太网及工业无线已成未来趋势 工业网络市场份额占比 目前5G、TSN、5G与TSN协同等新型网络技术向工业领域渗透，促使工业网络进入全面升级的新阶段。 •TSN技术是面向工业特殊应用场景的新一代以太网标准，通过使用标准以太网的组性，改进数据链路层协议，基于QoS等级确定传输优先权，可在通用架构上实现跨越车间级、工厂级、企业级等务层级的直接通信，实现真正OT与IT的融合。 •5G技术以其高可靠、低时延的优越特性，为无线通信在工业控制网络中的深入应用带来技术可行性。 •5G与TSN协同可提供高可靠的移动性、灵活性、可重配置能力，有 效降低运维成本，是智能工厂内网中极富潜力的技术组合。 数据来源：于会群，黄贻海，彭道刚等《工业以太网网络互联技术与发展》，HMSNetwork《2022年工业网络市场份额报告》，工业互联网产业联盟《5G+TSN融合部署场景与技术发展白皮书V1.0版》，西南证券整理8 工业交换机的特点 工业交换机示意图 1.2.1工业交换机：用于工业环境信息传输的网络设备 工业交换机是应用于工业控制领域数据传输和通信的网络交换设备，可耐受严苛的工作环境，对于连接性能有严格要求。 工业交换机具有高效性、可靠性、安全性和易用性。其采用流控制、拥塞控制、错包重传等技术，确保数据传输的稳定和可靠；并且通过支持各种冗余技术和工业协议，提高网络的可靠性、稳定性和兼容性，从而适应各种工业现场的数据通信需求。随着电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等行业的迅速发展，各行各业信息化建设对工业以太网交换机的需求也越来越大，其广泛应用于在轨道交通、智能制造、智慧矿山、工业自动化控制系统中。 特性 具体表现 高效性 支持全双工通信，能够同时进行发送和接收，数据传输速度快，能够满足工业应用中的高速数据传输需求。同时，它还支持802.1QVLAN和802.1pQoS等技术，可以实现多种数据流的优先级设置，确保网络数据传输的效率 可靠性 采用了多种技术，如冗余备份、流控制、数据帧过滤等，确保网络数据传输的可靠性和稳定性。在网络异常或设备故障时，它还可以通过RSTP、ERPS等协议，实现快速网络恢复和设备切换，保障工业控制系统的连续性和稳定性 安全性 支持多种安全协议，如802.1x认