過去幾年中，工業(yè)設(shè)施已著手提高其制造流程的效率。利用現(xiàn)有技術(shù)，工業(yè)的自動(dòng)化程度、精度水平和處理數(shù)據(jù)量均有所提高。所有這些都在迅速地讓制造商更加接近實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 所能提供的好處，包括更高的安全性、可靠性和生產(chǎn)率，同時(shí)還能降低嚴(yán)苛工業(yè)制程給環(huán)境帶來的影響。
盡管最終目標(biāo)非常令人向往，但仍然存在需要克服的重大障礙。舉例而言，工業(yè)設(shè)施傳統(tǒng)上比較保守，通常會(huì)延緩新技術(shù)的采用。如此一來，便導(dǎo)致制造商會(huì)將新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)整合在一起，而這往往又會(huì)增加系統(tǒng)間通信的復(fù)雜度。通常，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施在捕獲和傳輸邊緣網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)方面存在重大困難。結(jié)果是我們不能指望工廠在一夜之間完成轉(zhuǎn)型。必須有一個(gè)過渡期。Analog Devices Inc. (ADI) 的解決方案和系統(tǒng)性專業(yè)知識(shí)可以支持并加快完成這種過渡。
互聯(lián)的企業(yè)需要轉(zhuǎn)型，關(guān)鍵在于以太網(wǎng)和安全
隨著企業(yè)組織和市場向工業(yè) 4.0 過渡，首選通信手段是工業(yè)以太網(wǎng)。然而，解決以太網(wǎng)的確定性問題仍然是主要挑戰(zhàn)之一。
使用專有第 2 層解決方案是許多協(xié)議采用的一種方案。這樣做的缺點(diǎn)是，當(dāng)提取數(shù)據(jù)供企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的較高層級(jí)使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的互配性問題或者需要協(xié)調(diào)不相關(guān)的制造節(jié)點(diǎn)。為了幫助緩解這個(gè)問題，業(yè)界開發(fā)了新的 IEEE 802.1 TSN（時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)）標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)旨在支持從專有解決方案過渡到標(biāo)準(zhǔn)解決方案。
以太網(wǎng)一直被認(rèn)為是“盡力而為”型網(wǎng)絡(luò)，因此在關(guān)鍵任務(wù)型應(yīng)用中，有必要增加一些特別的特性，其中包括無縫冗余、預(yù)定流量、時(shí)間同步、流量限制等。借助這些特性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員可以確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸特定類別的流量。此外，與專有第 2 層解決方案不同，整合這些特性的設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到千兆以上的線路速率。允許在“盡力而為”型網(wǎng)絡(luò)上傳輸這種關(guān)鍵任務(wù)型實(shí)時(shí)流量并實(shí)現(xiàn)流式流量傳輸，是新興 IEEE TSN 標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。為幫助用戶熟悉 TSN 標(biāo)準(zhǔn)，ADI 提供了 RAPID-TSNEK-V0001 評(píng)估套件（圖 1）。該套件包含了對(duì)與開發(fā)中的 IEEE 802.1 TSN 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的特性進(jìn)行評(píng)估所需的一切。該套件目前支持以下 TSN 標(biāo)準(zhǔn)：
802.1AS、AS-REV
802.1Qbv
802.1Qci
802.1CB
802.1Qcc
802.1bu/802.3br
由于該標(biāo)準(zhǔn)尚在演進(jìn)之中，ADI 計(jì)劃在適當(dāng)時(shí)候允許免費(fèi)下載新特性和更新。
圖 1：針對(duì) 802.1 TSN 標(biāo)準(zhǔn)的 ADI RAPID-TSNEK-V0001 評(píng)估套件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
當(dāng)邊緣設(shè)備連接到支持 TSN 的融合式工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多挑戰(zhàn)。雖然現(xiàn)場總線和 4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路等邊緣設(shè)備通信技術(shù)能夠可靠地工作，但將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫顺３?huì)受到阻礙，因?yàn)閿?shù)據(jù)要穿過從工廠車間到管理部門的許多通信層。從一種協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一種協(xié)議常常需要網(wǎng)關(guān)，而且在數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀?zhí)行分析的位置期間，可能有多個(gè)服務(wù)器會(huì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。還有一件事需要考慮，那就是將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)皆贫说目倱碛谐杀静粌H僅涉及數(shù)據(jù)傳輸所需的硬件，還包括保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的完整性所需的軟件、處理和人力。
將以太網(wǎng)運(yùn)用到簡單邊緣設(shè)備（如溫度變送器）看起來可能效率不高，但這里的關(guān)鍵不在于設(shè)備簡單或生產(chǎn)/使用的數(shù)據(jù)量較小，而在于經(jīng)濟(jì)有效地從融合網(wǎng)絡(luò)提取設(shè)備數(shù)據(jù)，然后能夠利用這些數(shù)據(jù)得到可執(zhí)行的結(jié)果。例如，分布式控制系統(tǒng) (DCS) 可能使用溫度變送器數(shù)據(jù)來驗(yàn)證它正在監(jiān)控的流程是否受到實(shí)時(shí)控制。另外，此特定溫度可能會(huì)對(duì)整個(gè)流程產(chǎn)生不利影響。在這種情況下，溫度變送器和云端之間的無縫連接將能支持高性能分析近乎實(shí)時(shí)地考慮所有流程參數(shù)，確保整個(gè)流程按預(yù)期執(zhí)行。此外，為確保生產(chǎn)流程得到優(yōu)化或提高能效，可根據(jù)實(shí)時(shí)分析進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。
ADI 將這些挑戰(zhàn)視為驅(qū)使其投資新以太網(wǎng)技術(shù)的動(dòng)力因素。為此，ADI 提供了低復(fù)雜度的以太網(wǎng)技術(shù)，它是將簡單工業(yè)設(shè)備（例如上例中使用的溫度變送器）直連到以太網(wǎng)的關(guān)鍵促成要素（圖 2）。
圖 2：說明 ADI 的 fido5100/fido5200 如何能與許多不同協(xié)議對(duì)接的框圖。（圖片來源：Analog Devices）
與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)第 2 層以太網(wǎng)方案相比，低復(fù)雜度以太網(wǎng)通過減小尺寸、功耗和成本來降低向云端傳輸數(shù)據(jù)的總擁有成本。
為了促進(jìn)向融合式工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的過渡，還需要物理層創(chuàng)新，以使解決方案與現(xiàn)有系統(tǒng)的一些固有功能相匹配。在許多已部署的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，物理層標(biāo)準(zhǔn)將電纜長度限制為 100 米，需要多根雙絞線電纜才能完全實(shí)現(xiàn)。與此相反，目前工廠安裝的大多數(shù)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施均采用單根雙絞線電纜，其中一些可能長達(dá) 1000 米以上，且數(shù)據(jù)速率為 31.25 kbps。
為解決這個(gè)問題，ADI 和一些主要工業(yè)合作伙伴正在與 IEEE 合作開發(fā)新的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn) (10SPE) 定義的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以 10 Mbps 的數(shù)據(jù)速率在長達(dá) 1000 米的單根雙絞線電纜上運(yùn)行。通過這一基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作方式，ADI 正在努力支持減少適應(yīng)障礙，并縮短可實(shí)現(xiàn)融合型廠域網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)所需的時(shí)間。
此外，其他使用 100 Mbps 確定性以太網(wǎng)（Fido5100 和 5200）的應(yīng)用已經(jīng)在突破帶寬和性能的限制。例如，隨著坐標(biāo)軸數(shù)量的不斷增加，機(jī)器人應(yīng)用需要比以往更高的控制精度。為了幫助滿足這一要求，控制網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變到千兆速度至關(guān)重要。更高的通信速度是工業(yè)以太網(wǎng)的另一個(gè)主要趨勢。
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全
工業(yè)以太網(wǎng)需要解決的另一個(gè)問題是安全。隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)數(shù)據(jù)和檢測的預(yù)期需求上升，安全風(fēng)險(xiǎn)也將加大。此外，工業(yè)控制的低延遲和抖動(dòng)要求可能與安全要求直接沖突。因此，使用這些技術(shù)的設(shè)計(jì)人員需要解決這些應(yīng)用中的性能和安全問題。此類安全風(fēng)險(xiǎn)已逐漸引起越來越多的關(guān)注。
隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和工業(yè) 4.0 的出現(xiàn)，工業(yè)空間被重新定義為動(dòng)態(tài)信息流、廣泛分布的設(shè)備和跨平臺(tái)連接，從而提供新功能。然而，隨著這些新功能的產(chǎn)生，必然也會(huì)出現(xiàn)新的安全威脅，這一點(diǎn)并不足為奇。
當(dāng)人們考慮如此多的設(shè)備需要安全連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，僅僅確立邊緣設(shè)備身份似乎就很成問題。使用傳統(tǒng)方法（例如物理分布式共享加密密鑰）和管理證書交換將變得不切實(shí)際，在邏輯上簡直是噩夢(mèng)。因此，要使可信的工業(yè) 4.0 企業(yè)成為現(xiàn)實(shí)，建立無密鑰身份識(shí)別技術(shù)至關(guān)重要。另外，邊緣設(shè)備本質(zhì)上是高度受限的設(shè)備，要求硬件和軟件占用空間均很小，因此需要低固定延遲的輕型加密方法。為了解決這些問題，ADI 大力投資于資源約束型設(shè)備安全技術(shù)，如輕型區(qū)塊加密和身份驗(yàn)證。事實(shí)上，Linear Technology（現(xiàn)為隸屬于 ADI）的 SmartMesh IP? 技術(shù)解決了本文討論的許多挑戰(zhàn)。
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圖 3：Linear Technology/Analog Devices 的 SmartMesh IP 入門套件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
總結(jié)
作為對(duì)工業(yè)自動(dòng)化市場需求的回應(yīng)，Analog Devices 的工業(yè)自動(dòng)化部門設(shè)計(jì)并推出了檢測、監(jiān)控、控制和強(qiáng)大實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)領(lǐng)域的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備解決方案。此外，ADI 還為邊緣設(shè)備提供了其他領(lǐng)域的解決方案，如多協(xié)議支持、安全和身份驗(yàn)證、功能安全和本質(zhì)安全。借助這一切，ADI 推動(dòng)并加快了制造業(yè)向可信 IIoT 互聯(lián)企業(yè)的轉(zhuǎn)型。
參考
Analog Devices 的文章，“轉(zhuǎn)型中的工業(yè)：實(shí)現(xiàn)可信的工業(yè)自動(dòng)化”
