工業(yè)4.0的優(yōu)勢就是能夠充分利用不斷增加的數據做出更好的決策。在整個(gè)自動(dòng)化系統中，能否及時(shí)獲取和傳輸數據取決于連接網(wǎng)絡(luò )。為應對日益增長(cháng)的數據量，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)以及制造工藝流 程和方法都必須不斷改進(jìn)。智能、互聯(lián)的自動(dòng)化環(huán)境需要數字連接系統、機器、機器人等，以創(chuàng )建和共享信息。這些機器采用的通信方式以及部署的工廠(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )是企業(yè)的核心，也是推動(dòng)實(shí)現工業(yè)4.0的關(guān)鍵。

 

圖1. 云基礎設施。

 

整個(gè)廠(chǎng)區的所有（甚至遠程位置）傳感器和驅動(dòng)器都需要無(wú)縫連接，但使用現有的基礎設施無(wú)法實(shí)現。如果未來(lái)需要通過(guò)企業(yè)層級的數據來(lái)提供可行的見(jiàn)解，我們面臨的挑戰就是找到一 種方法，使這些前所未有的海量數據能夠在不破壞通信網(wǎng)絡(luò )的情況下傳輸。這就提出了一個(gè)問(wèn)題：如何設計、構建和部署能夠滿(mǎn)足當今自動(dòng)化環(huán)境和未來(lái)虛擬工廠(chǎng)需求的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )。

 

為何選擇工業(yè)以太網(wǎng)？

 

由于互聯(lián)是實(shí)現工業(yè)4.0愿景的核心，因此企業(yè)要真正實(shí)現互聯(lián)，必須滿(mǎn)足三個(gè)條件。第一，更高水平的信息技術(shù)(IT)或企業(yè)基礎設施必須與廠(chǎng)區的控制網(wǎng)絡(luò )融合。第二，廠(chǎng)區中現有的各 種網(wǎng)絡(luò )或生產(chǎn)單位必須協(xié)同共存，支持交互操作。第三，我們需要在整個(gè)工藝環(huán)境中實(shí)現無(wú)縫、安全的連接，從工藝終端一直到企業(yè)云。

 

為了應對這些挑戰，我們需要采用支持實(shí)現互操作性、可擴展性和覆蓋范圍目標的基礎網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。部署廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)就是理想的解決方案。它提供高帶寬，支持快速調試，還可以廣 泛部署在所有制造環(huán)境的IT基礎設施中。

 

圖2. 兩大領(lǐng)域的融合：信息技術(shù)(IT)和操作技術(shù)(OT)。

 

然而，考慮到實(shí)時(shí)操作的需要，標準以太網(wǎng)并不能作為工業(yè)控制基礎設施的可行解決方案。操作技術(shù)(OT)控制網(wǎng)絡(luò )需要確保將通信消息準時(shí)送達既定位置。以確保手頭的任務(wù)或流程操作 無(wú)誤。用于路由流量的TCP/IP協(xié)議并不能從本質(zhì)上保證確定性性能達到這種水平。與標準以太網(wǎng)支持文件共享或訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )設備（如打印機）的方式一樣，工業(yè)以太網(wǎng)允許控制器訪(fǎng)問(wèn)數據，并將來(lái)自PLC的指令發(fā)送給廠(chǎng)區各處的傳感器、驅動(dòng)器和機器人。關(guān)鍵的區別在于延遲或未送達消息造成的影響。在非實(shí)時(shí)應用中，網(wǎng)頁(yè)更新緩慢帶來(lái)的影響很小，但在制造環(huán)境中，則可能導致從浪費材料到造成意外人身傷害等很大影響。為了使控制系統正常工作，消息必須每次都可靠、準時(shí)地送達目標位置。

 

因此，工業(yè)以太網(wǎng)已成為控制級操作技術(shù)的首選技術(shù)。不僅是IT和高層級OT網(wǎng)絡(luò )之間，工廠(chǎng)OT網(wǎng)絡(luò )的各層級和終端節點(diǎn)傳感器之間都要實(shí)現無(wú)縫連接，如圖3所示。如今，在低層級OT網(wǎng)絡(luò ) 中實(shí)現連接需要使用復雜的高功耗網(wǎng)關(guān)，在更高層級的以太網(wǎng)中，則需要使用融合IT/OT網(wǎng)絡(luò )。擁有覆蓋整個(gè)廠(chǎng)區，基于以太網(wǎng)、可互操作的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )之后，則無(wú)需再使用這些網(wǎng)關(guān)，因此可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )本身。事實(shí)上，用于轉換和支持OT網(wǎng)絡(luò )上層連接的協(xié)議網(wǎng)關(guān)不能直接尋址，并且會(huì )在網(wǎng)絡(luò )中造成隔離。這種數據隔離會(huì )限制整個(gè)工廠(chǎng)共享信息的能力。這與之前描述的工業(yè)4.0愿景背道而馳，制造商原本希望從OT端收集遙測數據來(lái)驅動(dòng)IT端的分析和業(yè)務(wù)流程。

 

圖3. 自動(dòng)化系統金字塔。

 

由于數據包交付和時(shí)序的確定性可確?？刂茟脻M(mǎn)足強制要求，所以許多供應商開(kāi)始提供適合OT網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)協(xié)議。這導致解決方案雖然是確定性的，但依賴(lài)于各供應商的協(xié)議。因此出現了大量不兼容的解決方案，每種解決方案采用不同類(lèi)型的通信協(xié)議在不同制造單元內運行，且彼此之間不能互操作。由此導致長(cháng)期存在數據隔離或數據孤島問(wèn)題。所以需要一種解決方案，使采用不同協(xié)議的不同制造部門(mén)能夠共存，且能夠在不降低控制流量的情況下共享網(wǎng)絡(luò )。這種解決方案就是時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )(TSN)——一種基于IEEE 802.1規范、與供應商無(wú)關(guān)的實(shí)時(shí)以太 網(wǎng)標準。顧名思義，TSN關(guān)注時(shí)間。它將標準以太網(wǎng)通信轉換成為任務(wù)關(guān)鍵型應用提供時(shí)序保證的通信。該標準旨在確保信息可以在固定的可預測時(shí)間內從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。TSN通過(guò) 這種方式保證及時(shí)交付。為了使通信可預測，網(wǎng)絡(luò )上的設備必須使用同一個(gè)時(shí)間概念。該標準定義了一種方法，可以按照計劃傳輸特定的TSN以太網(wǎng)幀，同時(shí)允許盡最大努力傳輸非TSN幀（參見(jiàn)圖4）。通過(guò)這種方式，TSN支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)流量在同一網(wǎng)絡(luò )上共存。因為所有設備采用相同的時(shí)間，所以能夠在高達千兆的速度下以低延遲和低抖動(dòng)傳輸重要數據。

 

圖4. 時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )特性。

 

其目標是構建融合網(wǎng)絡(luò )，其中每個(gè)協(xié)議都能采用確定性的可靠方法共享線(xiàn)路。TSN是提供所需確定性的標準工具箱。它代表向可靠的標準化連接體系架構的過(guò)渡，通過(guò)專(zhuān)用現場(chǎng)總線(xiàn)消除數據隔離。這種網(wǎng)絡(luò )融合反過(guò)來(lái)又通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò )本身的可擴展性，在10 Mbps至1 Gbps甚至更大的帶寬范圍內推動(dòng)生成更多數據。

 

可能的情況是，新設施中會(huì )全面采用TSN，但在現有工廠(chǎng)部分單位中則逐步采用。對于現場(chǎng)設備的制造商來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)在不久的將來(lái)，需要同時(shí)支持傳統的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN。

 

擴展到過(guò)程終端

 

我們最終（也許最具影響力）的變化是能夠在過(guò)程控制應用中支持從終端節點(diǎn)到企業(yè)云的無(wú)縫連接，如圖5所示。迄今為止，與終端的連接一直受到現有4 mA至20 mA或可用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的 限制。在許多實(shí)施方案中，這些都是硬連線(xiàn)的點(diǎn)對點(diǎn)連接，限制了網(wǎng)絡(luò )隨時(shí)間發(fā)展和擴增的靈活性。這些并非基于以太網(wǎng)的現場(chǎng)通信面臨幾個(gè)挑戰。首先，非常有限的帶寬（例如，HART®采用4 mA至20 mA的帶寬為1.2 kbps）限制了信息流的數量和速度。其次，儀器儀表本身的功率輸入有限，限制了儀器儀表的功能。最后，控制和IT級別的網(wǎng)關(guān)開(kāi)銷(xiāo)不可持續。另外，在0區的本質(zhì)安全環(huán)境內運行，并嘗試利用現有線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )來(lái)支持更快速、更低廉的調試也是一項挑戰。

 

圖5. 終端到云的無(wú)縫連接。

 

這些都推動(dòng)10BASE-T1L全雙工通信的IEEE 802.3cg-2019™標準不斷發(fā)展。這項標準最近已獲得批準，定義了通過(guò)長(cháng)達1 km的單對雙絞線(xiàn)供電實(shí)現10 Mbps全雙工通信的相關(guān)規范?，F在，數據將作為以太網(wǎng)數據包在傳感器中使用，并通過(guò)以太網(wǎng)數據包的形式在OT和IT基礎設施中傳輸。無(wú)需進(jìn)行轉換（會(huì )導致延遲，消耗功率和產(chǎn)生成本開(kāi)銷(xiāo)）?，F有的網(wǎng)絡(luò )架構將發(fā)生變化（如圖5所示），遠程I/O單元將轉換為以太網(wǎng)現場(chǎng)交換機?，F在通過(guò)10BASE-T1L多端口現場(chǎng)交換機，可以在控制器與現場(chǎng)儀器儀表之間進(jìn)行以太網(wǎng)指令傳輸。在現場(chǎng)節點(diǎn)獲得的見(jiàn)解信息則可以作為以太網(wǎng)數據包（具備更高帶寬）通過(guò)現場(chǎng)交換網(wǎng)絡(luò )傳輸給PLC/DCS，最終傳輸到云。

 

有幾大獨特優(yōu)勢，可以推動(dòng)從傳統現場(chǎng)總線(xiàn)向工業(yè)以太網(wǎng)轉變。首先，可重復利用現有的布線(xiàn)基礎設施（長(cháng)達1 km），從而簡(jiǎn)化部署并降低改造成本。其次，通過(guò)電纜傳輸到儀器儀表本 身的可用功率以前限制在36 mW（采用4 mA至20 mA部署時(shí)的最佳值），目前在0區（本質(zhì)安全應用）中可以達到60 W（取決于電纜）或500 mW。額外的可用功率現在可支持具備終端智能和更 多功能的儀器儀表。配合目前可用的10 Mbit上行鏈路速度，預期可以提供更多的洞察信息，從而實(shí)現工業(yè)4.0的投資回報效率。

 

目前有哪些可用技術(shù)？

 

需要將強大的低延遲、低功耗物理層新技術(shù)與可擴展交換機架構相結合，以支持自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展。ADI一直處在工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的前沿，我們利用豐富的自動(dòng)化領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識和先進(jìn)技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)廣泛的解決方案產(chǎn)品組合，旨在確保在工業(yè)應用中可靠交付時(shí)間關(guān)鍵型數據，實(shí)現無(wú)縫連接和高效運行。ADI的Chronous™可擴展以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品組合包括物理層設備(PHY)、嵌入式交換機，以及采用多協(xié)議軟件的完整平臺解決方案。這些都經(jīng)過(guò)充分測試和驗證，可加快產(chǎn)品上市速度。

 

圖6. ADI Chronous——行業(yè)領(lǐng)先的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。

 

圖7. 提供可信數據，確保網(wǎng)絡(luò )安全。

 

主要解決方案包括：

 

●  ADIN1200, 行業(yè)領(lǐng)先的10 Mbps/100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)物理層設備，具備增強型功能集，可靠性通過(guò)驗證。

●  ADIN1300, 行業(yè)領(lǐng)先的低延遲、低功耗千兆物理層設備，可 靠性通過(guò)驗證，適合嚴苛的應用環(huán)境。

●  fido5200/fido5100,，實(shí)時(shí)嵌入式雙端口多協(xié)議交換芯片，支持多種可用的TSN功能。新TSN功能可以通過(guò)可用的固件更新來(lái)實(shí)現。還支持多協(xié)議軟件更新，可通過(guò)ADI Chronous開(kāi)發(fā)人員門(mén)戶(hù)獲取。

 

可靠性通過(guò)驗證、可擴展且完整的以太網(wǎng)解決方案可以簡(jiǎn)化系統設計并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，ADI Chronous就是針對客戶(hù)需求專(zhuān)門(mén)設計的這樣一款解決方案。它是日臻完善的可擴展以太網(wǎng)方案。

 

為了支持這種過(guò)渡，為傳統的現場(chǎng)設備提供網(wǎng)絡(luò )連接，ADI開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為軟件可配置I/O的新技術(shù)(AD74413R)。這將有助于開(kāi)發(fā)現場(chǎng)可配置遠程I/O單元，以實(shí)現傳統儀器儀表與高層級以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的融合。

 

安全性如何？

 

以太網(wǎng)存在安全漏洞，而安全性是影響工業(yè)4.0技術(shù)普及的關(guān)鍵問(wèn)題之一。如果在OT和IT之間以及從終端到云的整個(gè)企業(yè)范圍內創(chuàng )建開(kāi)放的信息流，安全漏洞可能造成毀滅性影響。

 

在規劃工業(yè)4.0戰略時(shí)，安全性應該是一個(gè)基本風(fēng)險管理考慮因素。但是，在當今日益復雜的網(wǎng)絡(luò )中構建安全性并不容易；需要采用多層方法確保系統本身是安全的——無(wú)論是終端設備、 控制器還是網(wǎng)關(guān)和堆棧。ADI Chronous產(chǎn)品系列能夠在系統的每個(gè)節點(diǎn)都提供安全性，同時(shí)最大限度地減少功耗、性能和延遲方面的權衡。

 

部署規劃

 

雖然工業(yè)以太網(wǎng)在近些年取得了長(cháng)足發(fā)展，但人們仍在使用現場(chǎng)總線(xiàn)和其他傳統網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。我們都認可基于工業(yè)以太網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了諸多好處。包括：簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )架構、通過(guò)移除網(wǎng)關(guān) 降低成本、消除硬連線(xiàn)連接、系統改進(jìn)優(yōu)化、增加正常運行時(shí)間等。新標準的批準實(shí)施將加速實(shí)現這種期待已久的過(guò)渡。對于更高性能連接網(wǎng)絡(luò )的需求，以及OT和IT系統之間更高程度的集成都在推動(dòng)這一進(jìn)程。TSN是加速實(shí)施融合網(wǎng)絡(luò )的基礎，與10BASE-T1L結合使用可實(shí)現無(wú)縫終端-云連接。這種遷移一蹴而就，但其潛在的好處非常誘人，因此其普及速度可能會(huì )超過(guò)標準行業(yè)規范。

 

工業(yè)4.0愿景的核心是使用具有收集、發(fā)送和接收信息能力的連接設備實(shí)現流程自動(dòng)化。ADI Chronous為我們帶來(lái)了以前通過(guò)許多終端節點(diǎn)設備無(wú)法獲得的數據和洞察力，從而開(kāi)辟了新 的數據分析和操作洞察領(lǐng)域。工業(yè)以太網(wǎng)連接通過(guò)將現有和未來(lái)的數據流從自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫傳輸至云，開(kāi)拓出這一全新的應用領(lǐng)域。

 

如今，我們無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)的信息和洞察數據孤島還仍然存在，但隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)部署日益普及，工業(yè)4.0面臨的挑戰將轉向安全性，以及如何利用這些數據來(lái)充分提升商業(yè)價(jià)值。與擁有數十 年經(jīng)驗積累、值得信賴(lài)的工業(yè)市場(chǎng)產(chǎn)品伙伴合作將是明智的選擇。ADI公司擁有深厚的領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識、技術(shù)經(jīng)驗和廣泛的解決方案，可以幫助您加速向未來(lái)的智能工廠(chǎng)過(guò)渡。

 

作者：Fiona Treacy

 

Fiona Treacy是過(guò)程控制和自動(dòng)化的戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，在A(yíng)DI公司專(zhuān)注于工業(yè)連接。在此之前，Fiona負責MeasureWare和其他精密儀器計劃的市場(chǎng)推廣工作。她還擔任過(guò)應用工程和測試開(kāi)發(fā)方面的職務(wù)。Fiona擁有利默里克大學(xué)的應用物理學(xué)士學(xué)位和工商管理碩士學(xué)位。

 

 

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