利用工業(yè)以太網(wǎng)連接技術加速向工業(yè)4.0過渡

第四次工業(yè)革命正在改變我們制造產(chǎn)品的方式，這要歸功于制造和加工設備的數(shù)字化。過去幾十年，我們已經(jīng)見證了自動化技術帶來的好處，現(xiàn)在隨著數(shù)據(jù)處理、機器學習和人工智能的 進步，進一步促進了自動化系統(tǒng)的發(fā)展。如今，自動化系統(tǒng)的互聯(lián)水平日益提高，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、分析和解譯，并在工廠區(qū)域實現(xiàn)輔助智能決策和操作。智能工廠計劃則通過提高產(chǎn)量、資產(chǎn)利用率和整體生產(chǎn)力來創(chuàng)造新的商業(yè)價值。它們利用新數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)靈活性和優(yōu)化質量，同時降低能耗并減少廢物殘留。此外，云端連接智能系統(tǒng)通過支持大規(guī)模定制，使制造環(huán)境更加高效。

工業(yè)4.0的優(yōu)勢就是能夠充分利用不斷增加的數(shù)據(jù)做出更好的決策。在整個自動化系統(tǒng)中，能否及時獲取和傳輸數(shù)據(jù)取決于連接網(wǎng)絡。為應對日益增長的數(shù)據(jù)量，網(wǎng)絡技術以及制造工藝流 程和方法都必須不斷改進。智能、互聯(lián)的自動化環(huán)境需要數(shù)字連接系統(tǒng)、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通信網(wǎng)絡是企業(yè)的核心，也是推動實現(xiàn)工業(yè)4.0的關鍵。

整個廠區(qū)的所有（甚至遠程位置）傳感器和驅動器都需要無縫連接，但使用現(xiàn)有的基礎設施無法實現(xiàn)。如果未來需要通過企業(yè)層級的數(shù)據(jù)來提供可行的見解，我們面臨的挑戰(zhàn)就是找到一 種方法，使這些前所未有的海量數(shù)據(jù)能夠在不破壞通信網(wǎng)絡的情況下傳輸。這就提出了一個問題：如何設計、構建和部署能夠滿足當今自動化環(huán)境和未來虛擬工廠需求的工業(yè)通信網(wǎng)絡。

圖1. 云基礎設施。

為何選擇工業(yè)以太網(wǎng)？

由于互聯(lián)是實現(xiàn)工業(yè)4.0愿景的核心，因此企業(yè)要真正實現(xiàn)互聯(lián)，必須滿足三個條件。第一，更高水平的信息技術(IT)或企業(yè)基礎設施必須與廠區(qū)的控制網(wǎng)絡融合。第二，廠區(qū)中現(xiàn)有的各 種網(wǎng)絡或生產(chǎn)單位必須協(xié)同共存，支持交互操作。第三，我們需要在整個工藝環(huán)境中實現(xiàn)無縫、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(zhàn)，我們需要采用支持實現(xiàn)互操作性、可擴展性和覆蓋范圍目標的基礎網(wǎng)絡技術。部署廣泛的以太網(wǎng)技術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。

然而，考慮到實時操作的需要，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(OT)控制網(wǎng)絡需要確保將通信消息準時送達既定位置。以確保手頭的任務或流程操作 無誤。用于路由流量的TCP/IP協(xié)議并不能從本質上保證確定性性能達到這種水平。與標準以太網(wǎng)支持文件共享或訪問網(wǎng)絡設備（如打印機）的方式一樣，工業(yè)以太網(wǎng)允許控制器訪問數(shù)據(jù)，并將來自PLC的指令發(fā)送給廠區(qū)各處的傳感器、驅動器和機器人。關鍵的區(qū)別在于延遲或未送達消息造成的影響。在非實時應用中，網(wǎng)頁更新緩慢帶來的影響很小，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(tǒng)正常工作，消息必須每次都可靠、準時地送達目標位置。

因此，工業(yè)以太網(wǎng)已成為控制級操作技術的首選技術。不僅是IT和高層級OT網(wǎng)絡之間，工廠OT網(wǎng)絡的各層級和終端節(jié)點傳感器之間都要實現(xiàn)無縫連接，如圖3所示。如今，在低層級OT網(wǎng)絡 中實現(xiàn)連接需要使用復雜的高功耗網(wǎng)關，在更高層級的以太網(wǎng)中，則需要使用融合IT/OT網(wǎng)絡。擁有覆蓋整個廠區(qū)，基于以太網(wǎng)、可互操作的自動化網(wǎng)絡之后，則無需再使用這些網(wǎng)關，因此可以簡化網(wǎng)絡本身。事實上，用于轉換和支持OT網(wǎng)絡上層連接的協(xié)議網(wǎng)關不能直接尋址，并且會在網(wǎng)絡中造成隔離。這種數(shù)據(jù)隔離會限制整個工廠共享信息的能力。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(shù)據(jù)來驅動IT端的分析和業(yè)務流程。

由于數(shù)據(jù)包交付和時序的確定性可確保控制應用滿足強制要求，所以許多供應商開始提供適合OT網(wǎng)絡的實時協(xié)議。這導致解決方案雖然是確定性的，但依賴于各供應商的協(xié)議。因此出現(xiàn)了大量不兼容的解決方案，每種解決方案采用不同類型的通信協(xié)議在不同制造單元內運行，且彼此之間不能互操作。由此導致長期存在數(shù)據(jù)隔離或數(shù)據(jù)孤島問題。所以需要一種解決方案，使采用不同協(xié)議的不同制造部門能夠共存，且能夠在不降低控制流量的情況下共享網(wǎng)絡。這種解決方案就是時間敏感型網(wǎng)絡(TSN)——一種基于IEEE 802.1規(guī)范、與供應商無關的實時以太 網(wǎng)標準。顧名思義，TSN關注時間。它將標準以太網(wǎng)通信轉換成為任務關鍵型應用提供時序保證的通信。該標準旨在確保信息可以在固定的可預測時間內從一個點移動到另一個點。TSN通過 這種方式保證及時交付。為了使通信可預測，網(wǎng)絡上的設備必須使用同一個時間概念。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，同時允許盡最大努力傳輸非TSN幀（參見圖4）。通過這種方式，TSN支持實時和非實時流量在同一網(wǎng)絡上共存。因為所有設備采用相同的時間，所以能夠在高達千兆的速度下以低延遲和低抖動傳輸重要數(shù)據(jù)。

其目標是構建融合網(wǎng)絡，其中每個協(xié)議都能采用確定性的可靠方法共享線路。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渡，通過專用現(xiàn)場總線消除數(shù)據(jù)隔離。這種網(wǎng)絡融合反過來又通過提高網(wǎng)絡本身的可擴展性，在10 Mbps至1 Gbps甚至更大的帶寬范圍內推動生成更多數(shù)據(jù)。

可能的情況是，新設施中會全面采用TSN，但在現(xiàn)有工廠部分單位中則逐步采用。對于現(xiàn)場設備的制造商來說，這意味著在不久的將來，需要同時支持傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN。

圖2. 兩大領域的融合：信息技術(IT)和操作技術(OT)。

擴展到過程終端

我們最終（也許最具影響力）的變化是能夠在過程控制應用中支持從終端節(jié)點到企業(yè)云的無縫連接，如圖5所示。迄今為止，與終端的連接一直受到現(xiàn)有4 mA至20 mA或可用現(xiàn)場總線技術的 限制。在許多實施方案中，這些都是硬連線的點對點連接，限制了網(wǎng)絡隨時間發(fā)展和擴增的靈活性。這些并非基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場通信面臨幾個挑戰(zhàn)。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(shù)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)關開銷不可持續(xù)。另外，在0區(qū)的本質安全環(huán)境內運行，并嘗試利用現(xiàn)有線纜網(wǎng)絡來支持更快速、更低廉的調試也是一項挑戰(zhàn)。

這些都推動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，定義了通過長達1 km的單對雙絞線供電實現(xiàn)10 Mbps全雙工通信的相關規(guī)范?，F(xiàn)在，數(shù)據(jù)將作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在傳感器中使用，并通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的形式在OT和IT基礎設施中傳輸。無需進行轉換（會導致延遲，消耗功率和產(chǎn)生成本開銷）?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡架構將發(fā)生變化（如圖5所示），遠程I/O單元將轉換為以太網(wǎng)現(xiàn)場交換機?，F(xiàn)在通過10BASE-T1L多端口現(xiàn)場交換機，可以在控制器與現(xiàn)場儀器儀表之間進行以太網(wǎng)指令傳輸。在現(xiàn)場節(jié)點獲得的見解信息則可以作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包（具備更高帶寬）通過現(xiàn)場交換網(wǎng)絡傳輸給PLC/DCS，最終傳輸?shù)皆啤?/p>

有幾大獨特優(yōu)勢，可以推動從傳統(tǒng)現(xiàn)場總線向工業(yè)以太網(wǎng)轉變。首先，可重復利用現(xiàn)有的布線基礎設施（長達1 km），從而簡化部署并降低改造成本。其次，通過電纜傳輸?shù)絻x器儀表本 身的可用功率以前限制在36 mW（采用4 mA至20 mA部署時的最佳值），目前在0區(qū)（本質安全應用）中可以達到60 W（取決于電纜）或500 mW。額外的可用功率現(xiàn)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，從而實現(xiàn)工業(yè)4.0的投資回報效率。

圖3. 自動化系統(tǒng)金字塔。

目前有哪些可用技術？

需要將強大的低延遲、低功耗物理層新技術與可擴展交換機架構相結合，以支持自動化網(wǎng)絡的發(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化領域專業(yè)知識和先進技術不斷開發(fā)廣泛的解決方案產(chǎn)品組合，旨在確保在工業(yè)應用中可靠交付時間關鍵型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無縫連接和高效運行。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)過充分測試和驗證，可加快產(chǎn)品上市速度。

圖4. 時間敏感型網(wǎng)絡特性。

主要解決方案包括：

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

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

●    fido5200 / fido5100 ,，實時嵌入式雙端口多協(xié)議交換芯片，支持多種可用的TSN功能。新TSN功能可以通過可用的固件更新來實現(xiàn)。還支持多協(xié)議軟件更新，可通過ADI      Chronous開發(fā)人員門戶獲取。

可靠性通過驗證、可擴展且完整的以太網(wǎng)解決方案可以簡化系統(tǒng)設計并縮短開發(fā)時間，ADI Chronous就是針對客戶需求專門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。

為了支持這種過渡，為傳統(tǒng)的現(xiàn)場設備提供網(wǎng)絡連接，ADI開發(fā)了一種稱為軟件可配置I/O的新技術 （ AD74413R ） 。這將有助于開發(fā)現(xiàn)場可配置遠程I/O單元，以實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器儀表與高層級以太網(wǎng)網(wǎng)絡的融合。

圖5. 終端到云的無縫連接。

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技術普及的關鍵問題之一。如果在OT和IT之間以及從終端到云的整個企業(yè)范圍內創(chuàng)建開放的信息流，安全漏洞可能造成毀滅性影響。

在規(guī)劃工業(yè)4.0戰(zhàn)略時，安全性應該是一個基本風險管理考慮因素。但是，在當今日益復雜的網(wǎng)絡中構建安全性并不容易；需要采用多層方法確保系統(tǒng)本身是安全的——無論是終端設備、 控制器還是網(wǎng)關和堆棧。ADI Chronous產(chǎn)品系列能夠在系統(tǒng)的每個節(jié)點都提供安全性，同時最大限度地減少功耗、性能和延遲方面的權衡。

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

部署規(guī)劃

雖然工業(yè)以太網(wǎng)在近些年取得了長足發(fā)展，但人們仍在使用現(xiàn)場總線和其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術。我們都認可基于工業(yè)以太網(wǎng)的融合網(wǎng)絡帶來了諸多好處。包括：簡化網(wǎng)絡架構、通過移除網(wǎng)關 降低成本、消除硬連線連接、系統(tǒng)改進優(yōu)化、增加正常運行時間等。新標準的批準實施將加速實現(xiàn)這種期待已久的過渡。對于更高性能連接網(wǎng)絡的需求，以及OT和IT系統(tǒng)之間更高程度的集成都在推動這一進程。TSN是加速實施融合網(wǎng)絡的基礎，與10BASE-T1L結合使用可實現(xiàn)無縫終端-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超過標準行業(yè)規(guī)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現(xiàn)流程自動化。ADI Chronous為我們帶來了以前通過許多終端節(jié)點設備無法獲得的數(shù)據(jù)和洞察力，從而開辟了新 的數(shù)據(jù)分析和操作洞察領域。工業(yè)以太網(wǎng)連接通過將現(xiàn)有和未來的數(shù)據(jù)流從自動化網(wǎng)絡無縫傳輸至云，開拓出這一全新的應用領域。

如今，我們無法訪問的信息和洞察數(shù)據(jù)孤島還仍然存在，但隨著工業(yè)以太網(wǎng)部署日益普及，工業(yè)4.0面臨的挑戰(zhàn)將轉向安全性，以及如何利用這些數(shù)據(jù)來充分提升商業(yè)價值。與擁有數(shù)十 年經(jīng)驗積累、值得信賴的工業(yè)市場產(chǎn)品伙伴合作將是明智的選擇。ADI公司擁有深厚的領域專業(yè)知識、技術經(jīng)驗和廣泛的解決方案，可以幫助您加速向未來的智能工廠過渡。

圖7. 提供可信數(shù)據(jù)，確保網(wǎng)絡安全。

作者：Fiona Treacy

Fiona Treacy是過程控制和自動化的戰(zhàn)略營銷經(jīng)理，在ADI公司專注于工業(yè)連接。在此之前，F(xiàn)iona負責MeasureWare和其他精密儀器計劃的市場推廣工作。她還擔任過應用工程和測試開發(fā)方面的職務。Fiona擁有利默里克大學的應用物理學士學位和工商管理碩士學位。