【導讀】新技術的進步以及對更高效生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)廠的期盼正推動工業(yè)設施發(fā)生前所未有的變革。這些變革提高了自動化程度、精確度和可用數(shù)據(jù)量。
這些進步使工業(yè)4.0成為現(xiàn)實,為制造商帶來更大的發(fā)展前景和商機,在減少排放的同時,通過提高生產(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(jù)估計,未來10年將帶給自動化設備制造商價值約6.5萬億美元的商機。
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(tǒng)保守的工業(yè)領域,新技術的采用通常進展緩慢。自動化工廠目前通常是新舊系統(tǒng)的混合體,相應的系統(tǒng)間通信較為復雜?,F(xiàn)有的基礎設施基本上沒辦法實現(xiàn)在網(wǎng)絡邊緣安全地捕獲和傳輸數(shù)據(jù)。簡而言之,制造工廠和加工廠不會一夜之間改變。這需要一段過渡期。
為了實現(xiàn)和加速這一過渡,自動化供應商開始向ADI這類的技術合作伙伴和供應商尋求更多的系統(tǒng)領域?qū)I(yè)知識和解決方案。
聯(lián)網(wǎng)企業(yè)所需的過渡,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域,并且隨著企業(yè)和市場向工業(yè)4.0過渡,將繼續(xù)作為首選通信介質(zhì)不斷擴大。
其中一個挑戰(zhàn)是解決以太網(wǎng)的確定性問題。許多協(xié)議采用專有的第2層解決方案。然而,在嘗試提取相關數(shù)據(jù)以供企業(yè)網(wǎng)絡較高級別使用或在不同制造節(jié)點之間協(xié)調(diào)時,這些協(xié)議會導致大量的互操作性問題。新的IEEE 802.1 TSN標準旨在解決工業(yè)控制中遇到的同類問題,并承諾支持從專有解決方案向基于標準的方式過渡。
以太網(wǎng)傳統(tǒng)上是一個“盡力而為”的網(wǎng)絡。為了能將以太網(wǎng)部署到關鍵任務應用中,需要增加一些特殊功能,包括時間同步、流量調(diào)度、流量控制、無縫冗余等其它功能。這些新興的IEEE TSN標準背后的目的是實現(xiàn)真正的融合網(wǎng)絡,使網(wǎng)絡中各種類別的流量都能無縫共存。這將使關鍵任務的實時流量可以像流式傳輸和“盡力而為”的流量一樣,在同一網(wǎng)絡上傳輸。這些功能使網(wǎng)絡設計人員可確保在整個網(wǎng)絡拓撲結構中每次都能及時交付特定類別的流量。與專有的第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路速率。
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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)絡帶來許多挑戰(zhàn)。當前邊緣設備中的通信技術(如現(xiàn)場總線和4mA至20mA電流環(huán)路)可以正常且可靠地工作。但是,將其數(shù)據(jù)傳送至云端(本地或遠程)時,從工廠廠房到前端辦公室的路徑中通常會受多層通信的阻礙。通常需要網(wǎng)關將一種格式或協(xié)議轉(zhuǎn)換為另一種格式或協(xié)議,并且數(shù)據(jù)可能會存儲在實際分析端途中的多臺服務器上。將數(shù)據(jù)從簡單傳感器傳送至云端的總擁有成本不僅涉及數(shù)據(jù)交付所需的設備,而且涉及整個過程中為確保數(shù)據(jù)完整性所需的軟件、處理技術和人力。
雖然將以太網(wǎng)連接到諸如溫度變送器這樣的簡單設備可能看起來有點相互矛盾,但這與設備簡單與否或其產(chǎn)生/消耗相對較少的數(shù)據(jù)無關。這關系到如何能夠有效地從融合網(wǎng)絡上的設備中提取數(shù)據(jù),然后將這些數(shù)據(jù)應用于可執(zhí)行的結果。例如,分布式控制系統(tǒng)(DCS)可能會使用來自溫度傳感器的數(shù)據(jù),以確保其部分過程運行實時控制。然而,這個特定溫度也可能會影響整個過程。通過將溫度變送器無縫連接至云端,可以近乎實時地考慮所有過程參數(shù)來執(zhí)行分析,以確保整個過程的運行。可以進行調(diào)整,以優(yōu)化生產(chǎn)或提高能效。
ADI將解決這些挑戰(zhàn)視為客戶成功的關鍵,這也是促使我們投資尖端技術,將以太網(wǎng)推向邊緣的動力因素。我們稱之為低復雜度以太網(wǎng)的關鍵技術是一種將簡單工業(yè)設備(如溫度變送器)直接連接到以太網(wǎng)的驅(qū)動技術。
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)實施方案中的傳統(tǒng)尺寸、功耗和成本問題,從而降低向云端傳送數(shù)據(jù)的總擁有成本。
向融合工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡的過渡也需要物理層的創(chuàng)新,以提供與現(xiàn)有系統(tǒng)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度限制為100米,并且需要多根雙絞線電纜來實施。相比之下,工廠自動化網(wǎng)絡的大部分現(xiàn)有基礎設施安裝都采用單雙絞線布線構建,這種布線能夠支持數(shù)據(jù)速率為31.25 kbps下長達1000米的距離。為了解決這個問題,ADI正在與IEEE贊助支持的主要工業(yè)合作伙伴協(xié)作開發(fā)新的以太網(wǎng)標準。該標準稱為10SPE,它將運行于單雙絞線電纜之上,支持距離長達1000米,數(shù)據(jù)速率為10 Mbps。ADI采用基于標準的協(xié)作方法來解決這個問題,協(xié)助降低應用障礙,并縮短實現(xiàn)整個工廠范圍的融合網(wǎng)絡目標的時間。
除開發(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越多比過去控制精度更高的坐標軸。將控制網(wǎng)絡過渡至千兆網(wǎng)速有助于滿足這些要求,這也代表了工業(yè)以太網(wǎng)市場的另一個主要趨勢。
以太網(wǎng)的疾速成功經(jīng)常讓以太網(wǎng)用戶苦于解決與其應用相關的安全問題。工業(yè)網(wǎng)絡邊緣的數(shù)據(jù)和檢測需求的預期增長可能會受阻于安全風險。此外,工業(yè)控制應用中對低延遲和抖動性能的要求可能會與安全要求直接沖突。采用這些技術的用戶必須盡快解決這些應用中的性能和安全問題。
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工業(yè)領域的網(wǎng)絡安全風險日益得到重視。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,隨著新功能的創(chuàng)建,它也帶來了前所未有的新的安全威脅,而且比以往任何時候都更現(xiàn)實。
如果您想象一下必須安全連接至網(wǎng)絡的設備數(shù)量,就會了解,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際,證書交換式管理轉(zhuǎn)化為物流噩夢。若要實現(xiàn)可信的工業(yè)4.0企業(yè)的愿景,無密鑰建立身份至關重要。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來安全連接在網(wǎng)絡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(qū)塊加密等技術領域投入巨資,以解決這些重要問題。
圖2.我們的關鍵競爭力是實現(xiàn)可信的自動化。
結論
ADI公司工業(yè)自動化業(yè)務部門致力于為工業(yè)網(wǎng)絡的邊緣檢測、控制、監(jiān)控和魯棒實時通信系統(tǒng)領域提供領先的解決方案。ADI公司已經(jīng)開發(fā)并積累了多個領域的專長知識,包括安全和認證、功能和本質(zhì)安全以及多協(xié)議支持等。我們將通過強有力的合作,實現(xiàn)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)自動化業(yè)務部門總經(jīng)理。
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