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，通常會延緩新技術(shù)的采用。如此一來，便導(dǎo)致制造商會將新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)整合在一起，而這往往又會增加系統(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。必須有一個過渡期。Analog Devices Inc. (ADI) 的解決方案和系統(tǒng)性專業(yè)知識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。這樣做的缺點是，當(dāng)提取數(shù)據(jù)供企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的較高層級使用時，會出現(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。為了幫助緩解這個問題，業(yè)界開發(fā)了新的 IEEE 802.1 TSN（時間敏感型網(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、時間同步、流量限制等。借助這些特性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員可以確保在整個網(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)計可擴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)型實時流量并實現(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 評估套件（圖 1）。該套件包含了對與開發(fā)中的 IEEE 802.1 TSN 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的特性進(jìn)行評估所需的一切。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 計劃在適當(dāng)時候允許免費下載新特性和更新。

 

圖 1：針對 802.1 TSN 標(biāo)準(zhǔn)的 ADI RAPID-TSNEK-V0001 評估套件。（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，會產(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艿阶璧K，因為數(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，可能有多個服務(wù)器會存儲數(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)來驗證它正在監(jiān)控的流程是否受到實時控制。另外，此特定溫度可能會對整個流程產(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時地考慮所有流程參數(shù)，確保整個流程按預(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)實時分析進(jìn)行動態(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現(xiàn)。與此相反，目前工廠安裝的大多數(shù)自動化網(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，并縮短可實現(xiàn)融合型廠域網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)所需的時間。

 

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)需要解決的另一個問題是安全。隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣對數(shù)據(jù)和檢測的預(yù)期需求上升，安全風(fēng)險也將加大。此外，工業(yè)控制的低延遲和抖動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態(tài)信息流、廣泛分布的設(shè)備和跨平臺連接，從而提供新功能。然而，隨著這些新功能的產(chǎn)生，必然也會出現(xiàn)新的安全威脅，這一點并不足為奇。

 

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，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際，在邏輯上簡直是噩夢。因此，要使可信的工業(yè) 4.0 企業(yè)成為現(xiàn)實，建立無密鑰身份識別技術(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)塊加密和身份驗證。事實上，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)。

 

圖 3：Linear Technology/Analog Devices 的 SmartMesh IP 入門套件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

 

總結(jié)

 

作為對工業(yè)自動化市場需求的回應(yīng)，Analog Devices 的工業(yè)自動化部門設(shè)計并推出了檢測、監(jiān)控、控制和強大實時通信系統(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、安全和身份驗證、功能安全和本質(zhì)安全。借助這一切，ADI 推動并加快了制造業(yè)向可信 IIoT 互聯(lián)企業(yè)的轉(zhuǎn)型。

 

 

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