工業(yè)過渡：實現(xiàn)可信的工業(yè)自動化

Brendan O’Dowd

ADI公司

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(jié)構(gòu)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(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?？梢赃M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(gòu)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(jié)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。