工程師說 | 工業(yè)4.0中的互聯挑戰(zhàn)

導讀

物聯網設備的工業(yè)網絡非常多樣化。瑞薩電子為高性能MCU、A&P產品組合、SW平臺和驅動工業(yè)4.0的工具提供全面的解決方案。

根本 佳代子

Senior Staff Marketing Specialist

在工業(yè)4.0的框架內，由于工業(yè)設備的互聯和增強的計算，利益相關者有能力優(yōu)化設施和提高效率。工業(yè)4.0的特點是互操作性（如IIoT）、信息透明（數字植物模型：物理世界的虛擬副本）、技術支持（網絡物理系統通過執(zhí)行各種任務支持操作人員的能力）、分散決策。IIoT允許連接設備，創(chuàng)建真實世界數據的虛擬副本，允許操作員可視化/分析流程并做出決策以自主完成任務。工業(yè)4.0集成了智能系統、機器和人員，并通過在現場設備之間交換數據來為工廠車間工人提供實時數據，從而轉變制造流程。然而，在實現工業(yè)4.0的道路上，工廠車間互聯面臨各種挑戰(zhàn)。

無論您是在談論物聯網還是工業(yè)4.0，連通性都是兩者的重要組成部分。IIoT設備與網關、應用程序、服務器、路由器和其他IoT設備連接的能力高度依賴于網絡。物聯網設備只能做它們應該做的事情，因為它們能夠相互通信并發(fā)送和接收數據。換句話說，IIoT支持機器對機器（M2M）通信，并使制造設施智能化和數字化。

物聯網設備有多種工業(yè)網絡連接解決方案。為互聯應用尋找最佳解決方案的過程往往充滿挑戰(zhàn)。根據您的設備規(guī)格、部署設置和所需功能，可能還有其它變得更加重要的方面（參見圖1）

圖1 工業(yè)網絡連接特性

圖2 TCP/IP和多層網絡模型與傳統開放系統互連（OSI）參考模型的比較（Martinezet al，2014年）

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6826469

工業(yè)自動化或IIoT中互聯網流量的指數級增長正在縮短核心網絡技術的生命周期。該行業(yè)在數據和控制方面取得了飛快的進步以滿足流量需求。然而，要想更好地管理設備連接和通信，仍然存在許多挑戰(zhàn)。這源于管理多層基礎設施的細分能力。當前的工業(yè)網絡是多層的，具有IP路由器和其他網絡節(jié)點，其中每一層都由來自不同供應商的設備組成，這些設備具有自己的（專有）網絡管理系統（NMS）。在實踐中，由于缺乏廣泛接受的互操作性機制，這些轉悠系統已經被孤立。因此，網絡運維任務變得越來越復雜，功能重復、OPEX更高、多層配置協調延遲。圖2顯示了OSI、TCP/IP和多層網絡之間的映射，其中運營商網絡的分層模型代表不同的部署場景（從左到右）。智能光傳輸網絡（OTN）是指具有高級控制平面的光子網絡。然而，對于復雜樓層的網絡管理落后于運營商的預期。網絡管理包括監(jiān)控、配置、解釋、測量和控制網絡及其服務所需的操作、管理、維護和供應 （OAM&P）功能。長期以來，網絡管理一直是運營商的目標，以此來改善服務監(jiān)控、資源管理、運營成本、網絡性能、故障恢復以及控制和安全性。適當的網絡管理可以創(chuàng)建一個安全、可靠、動態(tài)的系統，該系統可以檢測影響網絡性能的關鍵事件并做出反應。

很長一段時間以來，融合和放松管制一直在重塑網絡行業(yè)。與預期相反，這些趨勢并沒有簡化基礎設施和場景，反而導致網絡、服務和應用、運營商和服務提供商的爆炸式增長。這種異構性要求運營商之間的網絡和應用程序具有互操作性。網絡互操作性已成為運營商面臨的主要挑戰(zhàn)，以便為網絡連接的關鍵指揮、控制和智能提供基礎。網絡互操作性一般是指多供應商、多運營商互聯網絡服務按照適用標準和要求規(guī)范在壓力甚至正常條件下運行的功能互操作性。要實現端到端的連接，網絡互操作性變得不可或缺。網絡越多樣化，就越需要確保它們可互操作以進行端到端通信。除了安全和安保方面，還有以下與資源和成本相關的問題：

開發(fā)資源和時間：為網絡兼容性添加功能需要更多的精力和資金?；ゲ僮餍詼y試和驗收也需要花費更多的精力和時間。

LTM（長期維護）：網絡/應用模型增加了采購成本。此外，管理接口配置還增加了復雜性和成本。

網絡安全有助于保護計算機網絡上的數據。成功的網絡安全策略使用各種安全解決方案來保護用戶和組織免受惡意軟件和網絡攻擊。網絡由計算機、服務器和無線網絡組成。攻擊者可以破壞這些設備中的任何一個。網絡安全將軟件、硬件和軟件作為一種服務使用。隨著網絡變得越來越復雜，企業(yè)越來越依賴網絡，安全性變得越來越重要。結合使用硬件和軟件工具來加強網絡安全（見圖4）。網絡安全防止對網絡和網絡內部的未授權訪問。安全負責人員或團隊需確定策略和政策，以保證組織的網絡安全且符合標準與法規(guī)。所有網絡用戶都必須遵守這些安全規(guī)則。授權用戶可以訪問數據的任何網絡點都可能被惡意行為者或者用戶的粗心和錯誤所破壞。

圖3 與網絡連接相關的風險

圖4 網絡安全要素

開放系統互連（OSI）模型描述了網絡中的各個層級。當信息從一個設備傳輸到另一個設備時，它會經過這些層，每一層都容易受到一系列獨特的網絡攻擊。因此，網絡的安全性取決于堆棧中每一層的安全性。如圖5所示，開放系統互連模型的每一層都對應于ISO/IEC 7498-2中描述的網絡安全的一個特定方面。

圖5 開放系統互連層的ISO/IEC 7498-2安全模型

瑞薩電子在連接領域提供范圍廣泛的設備和解決方案，包括憑借其先進的PCI Express和串行Rapid IO開關成為串行交換市場的領導者。此外，瑞薩的雙協議收發(fā)器、電壓電平轉換器、I2C緩沖器和RS-232/RS-485/RS-422設備支持高速數據傳輸和可配置選項。瑞薩電子還提供專有無線連接產品，如低功耗藍牙（LE）、基于LoRa的解決方案和Sub-GHz無線通信解決方案。此外，瑞薩還提供完整的定時/同步解決方案和模塊，幫助客戶構建連接設備和系統的網絡，以實現互聯世界。各種安全的有線/無線網絡解決方案使連接所有類型工廠中的元素和功能變得更加容易。開發(fā)安全產品需要全面的安全解決方案，瑞薩電子多樣化的安全物聯網組合包括獨特的MCU、有價值的認證和可定制的解決方案，可指導設計工程師設計和實施安全連接的應用程序，從基本的安全概念開始，逐步發(fā)展到高級主題，例如密鑰處理與云的連接，最后是大規(guī)模生產和安全固件更新。瑞薩電子通過提供基于平臺的安全方法幫助嵌入式開發(fā)人員應對安全設計的挑戰(zhàn)，該方法利用硬件和軟件的最新突破通過多層安全提供深入、全面的保護。對芯片上關鍵資產的設備提供安全支持、對通信通道傳輸的數據的機密性和完整性的網絡安全支持——這些只是瑞薩電子幫助其客戶確保對工廠自動化設備和工業(yè)網絡連接的信任的幾個例子。在產品的整個生命周期中，我們的解決方案保護知識產權并允許可擴展生產。

圖6 瑞薩電子安全物聯網概念

工業(yè)4.0和工業(yè)物聯網（IIoT）的實施需要有一個核心前提，保證不間斷的實時通信。在瑞薩，我們提供各種MCU和MPU設備以及所有必要的構建模塊，以開發(fā)涵蓋領先工業(yè)通信協議的廣泛網絡解決方案，包括PROFIBUS/PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus、CC-Link等。我們的設備解決方案，如基于RA、RX MCU或RZ MPU的解決方案，附帶專用的軟件支持套件，使設計和工程團隊能夠專注于應用開發(fā)，以加快上市時間。

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