工業(yè)過渡：實(shí)現(xiàn)可信的工業(yè)自動化

　　新技術(shù)的進(jìn)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(shè)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(jìn)步使工業(yè)4.0成為現(xiàn)實(shí)，為制造商帶來更大的發(fā)展前景和商機(jī)，在減少排放的同時(shí)，通過提高生產(chǎn)力、安全性和可靠性在全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境中增強(qiáng)競爭優(yōu)勢。據(jù)估計(jì)，未來10年將帶給自動化設(shè)備制造商價(jià)值約6.5萬億美元的商機(jī)。

　　雖然這一商機(jī)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(lǐng)域，新技術(shù)的采用通常進(jìn)展緩慢。自動化工廠目前通常是新舊系統(tǒng)的混合體，相應(yīng)的系統(tǒng)間通信較為復(fù)雜?，F(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施基本上沒辦法實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)和加速這一過渡，自動化供應(yīng)商開始向ADI這類的技術(shù)合作伙伴和供應(yīng)商尋求更多的系統(tǒng)領(lǐng)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(yīng)用于控制應(yīng)用領(lǐng)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(kuò)大。

　　其中一個(gè)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(guān)數(shù)據(jù)以供企業(yè)網(wǎng)絡(luò)較高級別使用或在不同制造節(jié)點(diǎn)之間協(xié)調(diào)時(shí)，這些協(xié)議會導(dǎo)致大量的互操作性問題。新的IEEE 802.1 TSN標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的方式過渡。

　　以太網(wǎng)傳統(tǒng)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(yīng)用中，需要增加一些特殊功能，包括時(shí)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(biāo)準(zhǔn)背后的目的是實(shí)現(xiàn)真正的融合網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)中各種類別的流量都能無縫共存。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(shè)計(jì)人員可確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每次都能及時(shí)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(kuò)展至千兆或更高的線路速率。

　　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(xiàn)者Innovasic，助力TSN。

　　將邊緣設(shè)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)帶來許多挑戰(zhàn)。當(dāng)前邊緣設(shè)備中的通信技術(shù)(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(yuǎn)程)時(shí)，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(guān)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(shí)際分析端途中的多臺服務(wù)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(shè)備，而且涉及整個(gè)過程中為確保數(shù)據(jù)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單設(shè)備可能看起來有點(diǎn)相互矛盾，但這與設(shè)備簡單與否或其產(chǎn)生/消耗相對較少的數(shù)據(jù)無關(guān)。這關(guān)系到如何能夠有效地從融合網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備中提取數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于可執(zhí)行的結(jié)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(yùn)行實(shí)時(shí)控制。然而，這個(gè)特定溫度也可能會影響整個(gè)過程。通過將溫度變送器無縫連接至云端，可以近乎實(shí)時(shí)地考慮所有過程參數(shù)來執(zhí)行分析，以確保整個(gè)過程的運(yùn)行?？梢赃M(jìn)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(guān)鍵，這也是促使我們投資尖端技術(shù)，將以太網(wǎng)推向邊緣的動力因素。我們稱之為低復(fù)雜度以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是一種將簡單工業(yè)設(shè)備(如溫度變送器)直接連接到以太網(wǎng)的驅(qū)動技術(shù)。

　　圖1.單芯片、多種以太網(wǎng)協(xié)議。

　　低復(fù)雜度以太網(wǎng)解決了當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)2層以太網(wǎng)實(shí)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)將電纜長度限制為100米，并且需要多根雙絞線電纜來實(shí)施。相比之下，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的大部分現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施安裝都采用單雙絞線布線構(gòu)建，這種布線能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)速率為31.25 kbps下長達(dá)1000米的距離。為了解決這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)稱為10SPE，它將運(yùn)行于單雙絞線電纜之上，支持距離長達(dá)1000米，數(shù)據(jù)速率為10 Mbps。ADI采用基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作方法來解決這個(gè)問題，協(xié)助降低應(yīng)用障礙，并縮短實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠范圍的融合網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)的時(shí)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(yīng)用正在尋求突破帶寬和性能極限。像機(jī)器人這樣的應(yīng)用需要越來越多比過去控制精度更高的坐標(biāo)軸。將控制網(wǎng)絡(luò)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(gè)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(yīng)用相關(guān)的安全問題。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)和檢測需求的預(yù)期增長可能會受阻于安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，工業(yè)控制應(yīng)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(shù)的用戶必須盡快解決這些應(yīng)用中的性能和安全問題。

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　　工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)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(shè)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(shí)候都更現(xiàn)實(shí)。

　　如果您想象一下必須安全連接至網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量，就會了解，為這些設(shè)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，證書交換式管理轉(zhuǎn)化為物流噩夢。若要實(shí)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(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)來安全連接在網(wǎng)絡(luò)邊緣高度受限的設(shè)備。ADI在資源受限設(shè)備的身份驗(yàn)證和安全解決方案以及輕量級區(qū)塊加密等技術(shù)領(lǐng)域投入巨資，以解決這些重要問題。

　　圖2.我們的關(guān)鍵競爭力是實(shí)現(xiàn)可信的自動化。

　　結(jié)論

　　ADI公司工業(yè)自動化業(yè)務(wù)部門致力于為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的邊緣檢測、控制、監(jiān)控和魯棒實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)領(lǐng)域提供領(lǐng)先的解決方案。ADI公司已經(jīng)開發(fā)并積累了多個(gè)領(lǐng)域的專長知識，包括安全和認(rèn)證、功能和本質(zhì)安全以及多協(xié)議支持等。我們將通過強(qiáng)有力的合作，實(shí)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(xiàn)

　　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(yàn)，他曾就職于Tellabs、Apple和ADI公司。他目前擔(dān)任ADI公司工業(yè)自動化業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理。聯(lián)系方式：brendan.cronin@analog.com。