通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接加速向工業(yè)4.0的過(guò)渡

由于我們的制造和加工設(shè)施的數(shù)字化，第四次工業(yè)革命正在改變我們創(chuàng)造產(chǎn)品的方式。幾十年來(lái)，我們已經(jīng)看到了自動(dòng)化的好處，現(xiàn)在正在通過(guò)增強(qiáng)的數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能來(lái)推動(dòng)這些系統(tǒng)。如今，自主系統(tǒng)正變得越來(lái)越互聯(lián)，并且正在通信、分析和解釋數(shù)據(jù)，以便在工廠的其他區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輔助智能決策和行動(dòng)。智能工廠計(jì)劃通過(guò)提高產(chǎn)量、資產(chǎn)利用率和整體生產(chǎn)力來(lái)創(chuàng)造新的業(yè)務(wù)價(jià)值。他們正在利用新的數(shù)據(jù)流來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活性和改進(jìn)質(zhì)量，同時(shí)減少能源消耗和殘余浪費(fèi)。越來(lái)越多的邊緣到云連接的智能系統(tǒng)通過(guò)適應(yīng)大規(guī)模定制，使制造環(huán)境變得更加高效。

工業(yè)4.0的好處在于利用更多的數(shù)據(jù)來(lái)做出更好的決策。在整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中及時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)以及交付數(shù)據(jù)取決于連接網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須不斷發(fā)展以處理增加的數(shù)據(jù)量，制造商的流程和方法也必須如此。智能、互聯(lián)的自動(dòng)化環(huán)境需要數(shù)字連接的系統(tǒng)、機(jī)器、機(jī)器人等，創(chuàng)建和共享信息。這些機(jī)器的通信方式和它們使用的工廠通信網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)的核心，也是我們工業(yè)4.0雄心壯志的推動(dòng)者。

現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)法實(shí)現(xiàn)工廠車間中每個(gè)傳感器和執(zhí)行器的無(wú)縫連接，即使是偏遠(yuǎn)地區(qū)的傳感器和執(zhí)行器。如果未來(lái)是數(shù)據(jù)及其在企業(yè)層面的組合以提供可操作的見(jiàn)解，那么挑戰(zhàn)就變成了找到一種方法，使這些前所未有的數(shù)據(jù)量流動(dòng)，而不會(huì)削弱旨在傳輸數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)。這就提出了一個(gè)問(wèn)題，即如何構(gòu)建、構(gòu)建和部署一個(gè)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足當(dāng)今自動(dòng)化環(huán)境和未來(lái)虛擬工廠車間的需求。

為什么選擇工業(yè)以太網(wǎng)？

隨著連接成為工業(yè)4.0愿景的核心，必須三件事成為現(xiàn)實(shí)，才能實(shí)現(xiàn)真正的互聯(lián)企業(yè)。首先，更高級(jí)別的信息技術(shù)（IT）或企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施必須與工廠車間控制網(wǎng)絡(luò)融合。其次，工廠車間目前存在的各種網(wǎng)絡(luò)或制造單元必須全部共存和互操作。第三，我們需要跨流程環(huán)境的無(wú)縫、安全連接，從流程邊緣到企業(yè)云。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們需要采用一種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以支持互操作性、可擴(kuò)展性和覆蓋范圍的目標(biāo)。以太網(wǎng)成為理想的解決方案，是一種易于理解的技術(shù)，具有廣泛的部署。它提供高帶寬并實(shí)現(xiàn)快速調(diào)試，還廣泛部署在所有制造環(huán)境的 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)中。

然而，鑒于對(duì)實(shí)時(shí)操作的需求，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)并不是工業(yè)控制基礎(chǔ)設(shè)施的可行解決方案。運(yùn)營(yíng)技術(shù) （OT） 控制網(wǎng)絡(luò)需要確保所傳達(dá)的消息按時(shí)傳遞到需要的地方。這確保了手頭任務(wù)或流程的正確操作。用于路由流量的 TCP/IP 協(xié)議本身并不能保證此級(jí)別的確定性性能。與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)支持文件共享或訪問(wèn)打印機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的方式相同，工業(yè)以太網(wǎng)允許控制器訪問(wèn)數(shù)據(jù)并將指令命令從PLC發(fā)送到分散在工廠車間的傳感器、執(zhí)行器和機(jī)器人。主要區(qū)別在于延遲或未傳遞郵件的影響。在非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序中，如果網(wǎng)頁(yè)更新緩慢，則影響很小，而在制造環(huán)境中，影響可能很大，從浪費(fèi)材料到意外的人為傷害。為了使控制系統(tǒng)正常工作，消息必須每次都能可靠地、準(zhǔn)時(shí)地到達(dá)目的地。

因此，工業(yè)以太網(wǎng)已成為操作技術(shù)控制層面的首選技術(shù)。其目標(biāo)是不僅在IT和高級(jí)OT網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，而且通過(guò)工廠OT網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層到終端節(jié)點(diǎn)傳感器，如圖3所示。如今，需要復(fù)雜、耗電的網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)從 OT 網(wǎng)絡(luò)較低級(jí)別的連接到需要融合 IT/OT 網(wǎng)絡(luò)的較高層以太網(wǎng)的連接。擁有基于以太網(wǎng)的全廠可互操作自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)將消除對(duì)這些網(wǎng)關(guān)的需求，從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)本身。事實(shí)上，用于轉(zhuǎn)換和啟用與OT網(wǎng)絡(luò)上層連接的協(xié)議網(wǎng)關(guān)不能直接尋址，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的隔離。這種數(shù)據(jù)隔離限制了在整個(gè)工廠車間共享信息的能力。這與前面概述的工業(yè)4.0愿景背道而馳，制造商希望從OT端收集遙測(cè)數(shù)據(jù)，以推動(dòng)IT端的分析和業(yè)務(wù)流程。

由于數(shù)據(jù)包交付和定時(shí)方面的確定性保證了控制應(yīng)用的強(qiáng)制性要求，許多供應(yīng)商努力提供適用于OT網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)協(xié)議。這導(dǎo)致了解決方案雖然具有確定性，但特定于每個(gè)供應(yīng)商的協(xié)議。這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致了許多不兼容的解決方案，不同類型的通信協(xié)議在不同的制造單元中運(yùn)行，每個(gè)單元都無(wú)法互操作。這會(huì)使數(shù)據(jù)隔離或數(shù)據(jù)孤島永久化。需要一種解決方案，使運(yùn)行不同協(xié)議的不同制造單元能夠共存并共享網(wǎng)絡(luò)，以確保其控制流量不會(huì)受到損害。答案在于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN），這是一種基于IEEE 802.1規(guī)范的供應(yīng)商中立的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。顧名思義，TSN專注于時(shí)間。該標(biāo)準(zhǔn)將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換為為任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用提供定時(shí)保證的通信。它旨在確保信息可以在固定且可預(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。通過(guò)這種方式，TSN提供了及時(shí)交付的保證。為了使通信可預(yù)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備必須具有共享的時(shí)間概念。該標(biāo)準(zhǔn)定義了按計(jì)劃傳輸某些TSN以太網(wǎng)幀的方法，同時(shí)允許盡最大努力傳輸非TSN幀（見(jiàn)圖4）。通過(guò)這種方式，TSN可以在同一網(wǎng)絡(luò)上共存實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)流量。由于所有設(shè)備共享同一時(shí)間，因此可以以高達(dá)千兆位的速度以低延遲和抖動(dòng)傳輸重要數(shù)據(jù)。

目標(biāo)是建立一個(gè)融合網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)協(xié)議都可以以確定性和可靠的方法共享線路。TSN是提供所需確定性的標(biāo)準(zhǔn)工具箱。它代表了向可靠和標(biāo)準(zhǔn)化連接架構(gòu)的過(guò)渡，消除了通過(guò)專有現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行的數(shù)據(jù)隔離。這種網(wǎng)絡(luò)融合將反過(guò)來(lái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)本身的可擴(kuò)展性提高來(lái)推動(dòng)更多數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，帶寬范圍從10 Mbps到1 Gbps甚至更高。

可能的情況是，TSN將在整個(gè)新裝置中采用，但在現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)的單元或分段中逐步采用。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，這意味著在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，必須支持經(jīng)典的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN。

擴(kuò)展到進(jìn)程邊緣

我們最后也可能是最具影響力的變化是能夠在過(guò)程控制應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)從邊緣節(jié)點(diǎn)到企業(yè)云的無(wú)縫連接，如圖 5 所示。迄今為止，與邊緣的連接一直受到現(xiàn)有4 mA至20 mA或現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的限制。在許多實(shí)現(xiàn)中，這些是硬連線的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，限制了網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間發(fā)展和增長(zhǎng)的靈活性。這些非基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)通信遇到了一些挑戰(zhàn)。首先，帶寬非常有限（例如，4 mA至20 mA的HART?為1.2 kbps），限制了信息流的數(shù)量和速度。其次，向儀器本身輸送的功率有限，這限制了儀器的功能。最后，存在于控制和 IT 級(jí)別的網(wǎng)關(guān)是不可持續(xù)的開(kāi)銷。還有一個(gè)挑戰(zhàn)是在 0 區(qū)的本質(zhì)安全環(huán)境中運(yùn)行，并試圖利用現(xiàn)有的布線網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持更快、更便宜的調(diào)試。

這些挑戰(zhàn)要求為10BASE-T1L全雙工通信開(kāi)發(fā)IEEE 802.3cg-2019?標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)最近已獲得批準(zhǔn)，并規(guī)定了 10 Mbps 全雙工通信，通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 1 km 的單根雙絞線電纜供電。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)將以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的形式在傳感器中開(kāi)始運(yùn)行，并以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的形式遍歷OT和IT基礎(chǔ)設(shè)施。不需要轉(zhuǎn)換（這會(huì)造成延遲、消耗電力并產(chǎn)生成本開(kāi)銷）。如圖5所示，隨著遠(yuǎn)程I/O單元過(guò)渡到以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將發(fā)生變化。以太網(wǎng)指令現(xiàn)在可以通過(guò) 10BASE-T1L 多端口現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)從控制器與現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行通信。在現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)生成的洞察現(xiàn)在可以通過(guò)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包（具有更高的帶寬）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC/DCS控制器，并最終傳輸?shù)皆啤?/p>

有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)將有助于推動(dòng)從傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線到工業(yè)以太網(wǎng)的過(guò)渡。首先，重復(fù)使用現(xiàn)有布線基礎(chǔ)設(shè)施（長(zhǎng)達(dá) 1 公里）的潛力簡(jiǎn)化了部署并降低了改造成本。其次，通過(guò)電纜輸送到儀器本身的可用功率以前限制在 36 mW（最佳情況，部署為 4 mA 至 20 mA），現(xiàn)在高達(dá) 60 W（取決于電纜）或在 0 區(qū)本質(zhì)安全應(yīng)用中為 500 mW。額外的可用功率現(xiàn)在將使具有終端節(jié)點(diǎn)智能的更高功能儀器成為可能。這與現(xiàn)在可用的10 Mbit上行鏈路速度相結(jié)合，將提供預(yù)期的更多見(jiàn)解，以利用工業(yè)4.0承諾的效率。

今天有什么可用？

需要新的穩(wěn)健、低延遲、低功耗物理層技術(shù)與可擴(kuò)展的交換機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以支持我們自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。作為工業(yè)以太網(wǎng)的最前沿，ADI利用其豐富的自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)和先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)了深入的解決方案組合，旨在確保在整個(gè)工業(yè)應(yīng)用中可靠地傳輸時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)，確保無(wú)縫連接和運(yùn)營(yíng)效率。ADI Chronous?可擴(kuò)展以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品組合包括物理層器件（PHY）、嵌入式交換機(jī)和采用多協(xié)議軟件的完整平臺(tái)解決方案。這些產(chǎn)品經(jīng)過(guò)全面測(cè)試和驗(yàn)證，可快速上市。

該產(chǎn)品組合中值得注意的解決方案包括：

ADIN1200是業(yè)界領(lǐng)先的10 Mbps/100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)PHY，具有增強(qiáng)的功能集和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的魯棒性。

ADIN1300是業(yè)界延遲最低、功耗最低的千兆PHY，為惡劣環(huán)境提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的魯棒性。

fido5200/fido5100是一款實(shí)時(shí)嵌入式雙端口多協(xié)議交換機(jī)，支持許多可用的TSN功能。新的TSN功能可以通過(guò)固件更新來(lái)實(shí)現(xiàn)。多協(xié)議軟件更新也受支持，可通過(guò)ADI Chronous開(kāi)發(fā)人員門戶獲得。

ADI Chronous解決方案專為我們的客戶而設(shè)計(jì)，具有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的穩(wěn)健、可擴(kuò)展且完整的以太網(wǎng)解決方案，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。它是可擴(kuò)展的以太網(wǎng)，時(shí)間完美。

為了支持過(guò)渡并為傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)橋接，ADI開(kāi)發(fā)了一種稱為軟件可配置I/O（AD74413R）的新技術(shù)。這將支持開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)可配置的遠(yuǎn)程I/O單元，以彌合傳統(tǒng)儀器和更高級(jí)別的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間的差距。

安全性如何？

以太網(wǎng)存在漏洞，安全性是影響工業(yè)4.0采用率的最關(guān)鍵問(wèn)題之一。通過(guò)在整個(gè)企業(yè)中在OT和IT之間以及從邊緣到云之間創(chuàng)建開(kāi)放的信息流，安全漏洞的潛在影響可能是毀滅性的。

在規(guī)劃工業(yè)4.0戰(zhàn)略時(shí)，安全性應(yīng)該是基本的風(fēng)險(xiǎn)管理考慮因素。在當(dāng)今日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建安全性絕非易事;它需要一種多層方法，使其固有于整個(gè)系統(tǒng)——在邊緣設(shè)備、控制器、網(wǎng)關(guān)以及堆棧的上游。ADI的Chronous產(chǎn)品組合可在系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供安全性，同時(shí)最大限度地減少功耗、性能和延遲方面的權(quán)衡。

部署路線圖

雖然工業(yè)以太網(wǎng)近年來(lái)有了可觀的增長(zhǎng)，但現(xiàn)場(chǎng)總線和其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍在部署中。我們都同意基于工業(yè)以太網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。其中包括簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通過(guò)移除網(wǎng)關(guān)降低成本、消除硬連線連接、改進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化、增加正常運(yùn)行時(shí)間等。新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)及其即將獲得批準(zhǔn)是加速這一期待已久的過(guò)渡所需的催化劑。這是一個(gè)轉(zhuǎn)變，由對(duì)更高性能連接網(wǎng)絡(luò)的需求以及OT和IT系統(tǒng)之間的集成度增強(qiáng)而堅(jiān)定地推動(dòng)。TSN是提供融合網(wǎng)絡(luò)的工具，當(dāng)與10BASE-T1L結(jié)合使用時(shí)，將實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的邊緣到云連接。遷移不會(huì)在一夜之間發(fā)生，但潛在的好處是如此引人注目，以至于采用速度可能會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè) 4.0 愿景的核心是能夠使用具有收集、發(fā)送和接收信息能力的連接設(shè)備實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化。ADI Chronous正在解鎖以前無(wú)法從許多邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)和見(jiàn)解，從而喚醒數(shù)據(jù)分析和操作洞察的新領(lǐng)域。工業(yè)以太網(wǎng)連接將通過(guò)將當(dāng)前和未來(lái)的數(shù)據(jù)流通過(guò)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫傳輸?shù)皆苼?lái)喚醒這一現(xiàn)實(shí)。

審核編輯：郭婷