這些進(jìn)步使工業(yè)4.0成為現實(shí)，為制造商帶來(lái)更大的發(fā)展前景和商機，在減少排放的同時(shí)，通過(guò)提高生產(chǎn)力、安全性和可靠性在全球經(jīng)濟環(huán)境中增強競爭優(yōu)勢。據估計，未來(lái)10年將帶給自動(dòng)化設備制造商價(jià)值約6.5萬(wàn)億美元的商機。

 

雖然這一商機極具吸引力，但還有不少重大障礙需要克服。例如，在傳統保守的工業(yè)領(lǐng)域，新技術(shù)的采用通常進(jìn)展緩慢。自動(dòng)化工廠(chǎng)目前通常是新舊系統的混合體，相應的系統間通信較為復雜?，F有的基礎設施基本上沒(méi)辦法實(shí)現在網(wǎng)絡(luò )邊緣安全地捕獲和傳輸數據。簡(jiǎn)而言之，制造工廠(chǎng)和加工廠(chǎng)不會(huì )一夜之間改變。這需要一段過(guò)渡期。

 

為了實(shí)現和加速這一過(guò)渡，自動(dòng)化供應商開(kāi)始向ADI這類(lèi)的技術(shù)合作伙伴和供應商尋求更多的系統領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識和解決方案。

 

聯(lián)網(wǎng)企業(yè)所需的過(guò)渡，特別是以太網(wǎng)和安全性

 

工業(yè)以太網(wǎng)已廣泛應用于控制應用領(lǐng)域，并且隨著(zhù)企業(yè)和市場(chǎng)向工業(yè)4.0過(guò)渡，將繼續作為首選通信介質(zhì)不斷擴大。

 

其中一個(gè)挑戰是解決以太網(wǎng)的確定性問(wèn)題。許多協(xié)議采用專(zhuān)有的第2層解決方案。然而，在嘗試提取相關(guān)數據以供企業(yè)網(wǎng)絡(luò )較高級別使用或在不同制造節點(diǎn)之間協(xié)調時(shí)，這些協(xié)議會(huì )導致大量的互操作性問(wèn)題。新的IEEE 802.1 TSN標準旨在解決工業(yè)控制中遇到的同類(lèi)問(wèn)題，并承諾支持從專(zhuān)有解決方案向基于標準的方式過(guò)渡。

 

以太網(wǎng)傳統上是一個(gè)“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò )。為了能將以太網(wǎng)部署到關(guān)鍵任務(wù)應用中，需要增加一些特殊功能，包括時(shí)間同步、流量調度、流量控制、無(wú)縫冗余等其它功能。這些新興的IEEE TSN標準背后的目的是實(shí)現真正的融合網(wǎng)絡(luò )，使網(wǎng)絡(luò )中各種類(lèi)別的流量都能無(wú)縫共存。這將使關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)流量可以像流式傳輸和“盡力而為”的流量一樣，在同一網(wǎng)絡(luò )上傳輸。這些功能使網(wǎng)絡(luò )設計人員可確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中每次都能及時(shí)交付特定類(lèi)別的流量。與專(zhuān)有的第2層解決方案不同，這些功能旨在可擴展至千兆或更高的線(xiàn)路速率。

 

ADI公司最近收購了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的主要成員和貢獻者Innovasic，助力TSN。

 

將邊緣設備連接到TSN支持的融合可信工業(yè)4.0聯(lián)網(wǎng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)許多挑戰。當前邊緣設備中的通信技術(shù)（如現場(chǎng)總線(xiàn)和4mA至20mA電流環(huán)路）可以正常且可靠地工作。但是，將其數據傳送至云端（本地或遠程）時(shí)，從工廠(chǎng)廠(chǎng)房到前端辦公室的路徑中通常會(huì )受多層通信的阻礙。通常需要網(wǎng)關(guān)將一種格式或協(xié)議轉換為另一種格式或協(xié)議，并且數據可能會(huì )存儲在實(shí)際分析端途中的多臺服務(wù)器上。將數據從簡(jiǎn)單傳感器傳送至云端的總擁有成本不僅涉及數據交付所需的設備，而且涉及整個(gè)過(guò)程中為確保數據完整性所需的軟件、處理技術(shù)和人力。

 

雖然將以太網(wǎng)連接到諸如溫度變送器這樣的簡(jiǎn)單設備可能看起來(lái)有點(diǎn)相互矛盾，但這與設備簡(jiǎn)單與否或其產(chǎn)生/消耗相對較少的數據無(wú)關(guān)。這關(guān)系到如何能夠有效地從融合網(wǎng)絡(luò )上的設備中提取數據，然后將這些數據應用于可執行的結果。例如，分布式控制系統（DCS）可能會(huì )使用來(lái)自溫度傳感器的數據，以確保其部分過(guò)程運行實(shí)時(shí)控制。然而，這個(gè)特定溫度也可能會(huì )影響整個(gè)過(guò)程。通過(guò)將溫度變送器無(wú)縫連接至云端，可以近乎實(shí)時(shí)地考慮所有過(guò)程參數來(lái)執行分析，以確保整個(gè)過(guò)程的運行?？梢赃M(jìn)行調整，以?xún)?yōu)化生產(chǎn)或提高能效。

 

ADI將解決這些挑戰視為客戶(hù)成功的關(guān)鍵，這也是促使我們投資尖端技術(shù)，將以太網(wǎng)推向邊緣的動(dòng)力因素。我們稱(chēng)之為低復雜度以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是一種將簡(jiǎn)單工業(yè)設備（如溫度變送器）直接連接到以太網(wǎng)的驅動(dòng)技術(shù)。

 

 

圖1.單芯片、多種以太網(wǎng)協(xié)議。1

 

低復雜度以太網(wǎng)解決了當今標準2層以太網(wǎng)實(shí)施方案中的傳統尺寸、功耗和成本問(wèn)題，從而降低向云端傳送數據的總擁有成本。

 

向融合工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的過(guò)渡也需要物理層的創(chuàng )新，以提供與現有系統的一些固有功能相匹配的解決方案。許多廣泛部署的以太網(wǎng)物理層標準將電纜長(cháng)度限制為100米，并且需要多根雙絞線(xiàn)電纜來(lái)實(shí)施。相比之下，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的大部分現有基礎設施安裝都采用單雙絞線(xiàn)布線(xiàn)構建，這種布線(xiàn)能夠支持數據速率為31.25 kbps下長(cháng)達1000米的距離。為了解決這個(gè)問(wèn)題，ADI正在與IEEE贊助支持的主要工業(yè)合作伙伴協(xié)作開(kāi)發(fā)新的以太網(wǎng)標準。該標準稱(chēng)為10SPE，它將運行于單雙絞線(xiàn)電纜之上，支持距離長(cháng)達1000米，數據速率為10 Mbps。ADI采用基于標準的協(xié)作方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，協(xié)助降低應用障礙，并縮短實(shí)現整個(gè)工廠(chǎng)范圍的融合網(wǎng)絡(luò )目標的時(shí)間。

 

除開(kāi)發(fā)支持以太網(wǎng)融合的新功能以外，其他已經(jīng)使用100 Mbps確定性以太網(wǎng)的應用正在尋求突破帶寬和性能極限。像機器人這樣的應用需要越來(lái)越多比過(guò)去控制精度更高的坐標軸。將控制網(wǎng)絡(luò )過(guò)渡至千兆網(wǎng)速有助于滿(mǎn)足這些要求，這也代表了工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)的另一個(gè)主要趨勢。

 

以太網(wǎng)的疾速成功經(jīng)常讓以太網(wǎng)用戶(hù)苦于解決與其應用相關(guān)的安全問(wèn)題。工業(yè)網(wǎng)絡(luò )邊緣的數據和檢測需求的預期增長(cháng)可能會(huì )受阻于安全風(fēng)險。此外，工業(yè)控制應用中對低延遲和抖動(dòng)性能的要求可能會(huì )與安全要求直接沖突。采用這些技術(shù)的用戶(hù)必須盡快解決這些應用中的性能和安全問(wèn)題。

 

ADI公司最近收購了Sypris Electronics的安全業(yè)務(wù)部門(mén)（SCIOMetrics）

 

工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險日益得到重視。由于工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的興起，工業(yè)空間被定義為廣泛的分布式設備、動(dòng)態(tài)信息流和跨環(huán)境互聯(lián)以提供新功能。然而，令人并不感到驚訝的是，隨著(zhù)新功能的創(chuàng )建，它也帶來(lái)了前所未有的新的安全威脅，而且比以往任何時(shí)候都更現實(shí)。

 

如果您想象一下必須安全連接至網(wǎng)絡(luò )的設備數量，就會(huì )了解，為這些設備建立身份有多困難。物理的分布式共享加密密鑰很快變得不切實(shí)際，證書(shū)交換式管理轉化為物流噩夢(mèng)。若要實(shí)現可信的工業(yè)4.0企業(yè)的愿景，無(wú)密鑰建立身份至關(guān)重要。同樣，需要具有低固定延遲和小型化硬件和/或軟件占用空間的輕量級加密技術(shù)來(lái)安全連接在網(wǎng)絡(luò )邊緣高度受限的設備。ADI在資源受限設備的身份驗證和安全解決方案以及輕量級區塊加密等技術(shù)領(lǐng)域投入巨資，以解決這些重要問(wèn)題。

 

圖2.我們的關(guān)鍵競爭力是實(shí)現可信的自動(dòng)化。

 

結論

 

ADI公司工業(yè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)部門(mén)致力于為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的邊緣檢測、控制、監控和魯棒實(shí)時(shí)通信系統領(lǐng)域提供領(lǐng)先的解決方案。ADI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)并積累了多個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)長(cháng)知識，包括安全和認證、功能和本質(zhì)安全以及多協(xié)議支持等。我們將通過(guò)強有力的合作，實(shí)現并加快向傳感器到云的可信工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的過(guò)渡。

 

參考文獻

 

Thomas Brand.“Fido5000：一顆芯片，支持多種以太網(wǎng)協(xié)議”ADI公司，2017年11月。

 

Meany， Tom.“功能安全和工業(yè)4.0”ADI公司，2017年3月。

 

Meany， Tom.“集成電路的功能安全”ADI公司，2017年2月。

 

作者簡(jiǎn)介

 

Brendan O’Dowd擁有30多年的工業(yè)行業(yè)經(jīng)驗，他曾就職于Tellabs、Apple和ADI公司。他目前擔任ADI公司工業(yè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)部門(mén)總經(jīng)理。

 

 

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