利用工業(yè)以太網(wǎng)連接技術(shù)加速向工業(yè)4.0過渡

作者：ADI公司 Fiona Treacy

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(shè)備的數(shù)字化。過去幾十年，我們已經(jīng)見證了自動化技術(shù)帶來的好處，現(xiàn)在隨著數(shù)據(jù)處理、機器學(xué)習(xí)和人工智能的 進(jìn)步，進(jìn)一步促進(jìn)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?qū)崿F(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(zhì)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(luò)。為應(yīng)對日益增長的數(shù)據(jù)量，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及制造工藝流 程和方法都必須不斷改進(jìn)。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(luò)是企業(yè)的核心，也是推動實現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵。

圖1. 云基礎(chǔ)設(shè)施。

整個廠區(qū)的所有（甚至遠(yuǎn)程位置）傳感器和驅(qū)動器都需要無縫連接，但使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)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(luò)的情況下傳輸。這就提出了一個問題：如何設(shè)計、構(gòu)建和部署能夠滿足當(dāng)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(luò)。

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(shù)（IT）或企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施必須與廠區(qū)的控制網(wǎng)絡(luò)融合。第二，廠區(qū)中現(xiàn)有的各 種網(wǎng)絡(luò)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(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們需要采用支持實現(xiàn)互操作性、可擴(kuò)展性和覆蓋范圍目標(biāo)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。部署廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)就是理想的解決方案。它提供高帶寬，支持快速調(diào)試，還可以廣 泛部署在所有制造環(huán)境的IT基礎(chǔ)設(shè)施中。

圖2. 兩大領(lǐng)域的融合：信息技術(shù)（IT）和操作技術(shù)（OT）。

然而，考慮到實時操作的需要，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)并不能作為工業(yè)控制基礎(chǔ)設(shè)施的可行解決方案。操作技術(shù)（OT）控制網(wǎng)絡(luò)需要確保將通信消息準(zhǔn)時送達(dá)既定位置。以確保手頭的任務(wù)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(zhì)上保證確定性性能達(dá)到這種水平。與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)支持文件共享或訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(qū)動器和機器人。關(guān)鍵的區(qū)別在于延遲或未送達(dá)消息造成的影響。在非實時應(yīng)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(dǎo)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(zhǔn)時地送達(dá)目標(biāo)位置。

因此，工業(yè)以太網(wǎng)已成為控制級操作技術(shù)的首選技術(shù)。不僅是IT和高層級OT網(wǎng)絡(luò)之間，工廠OT網(wǎng)絡(luò)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(luò) 中實現(xiàn)連接需要使用復(fù)雜的高功耗網(wǎng)關(guān)，在更高層級的以太網(wǎng)中，則需要使用融合IT/OT網(wǎng)絡(luò)。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(luò)之后，則無需再使用這些網(wǎng)關(guān)，因此可以簡化網(wǎng)絡(luò)本身。事實上，用于轉(zhuǎn)換和支持OT網(wǎng)絡(luò)上層連接的協(xié)議網(wǎng)關(guān)不能直接尋址，并且會在網(wǎng)絡(luò)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(qū)動IT端的分析和業(yè)務(wù)流程。

圖3. 自動化系統(tǒng)金字塔。

由于數(shù)據(jù)包交付和時序的確定性可確保控制應(yīng)用滿足強制要求，所以許多供應(yīng)商開始提供適合OT網(wǎng)絡(luò)的實時協(xié)議。這導(dǎo)致解決方案雖然是確定性的，但依賴于各供應(yīng)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(nèi)運行，且彼此之間不能互操作。由此導(dǎo)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(luò)。這種解決方案就是時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）——一種基于IEEE 802.1規(guī)范、與供應(yīng)商無關(guān)的實時以太 網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。顧名思義，TSN關(guān)注時間。它將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換成為任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用提供時序保證的通信。該標(biāo)準(zhǔn)旨在確保信息可以在固定的可預(yù)測時間內(nèi)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(yù)測，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備必須使用同一個時間概念。該標(biāo)準(zhǔn)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(luò)上共存。因為所有設(shè)備采用相同的時間，所以能夠在高達(dá)千兆的速度下以低延遲和低抖動傳輸重要數(shù)據(jù)。

圖4. 時間敏感型網(wǎng)絡(luò)特性。

其目標(biāo)是構(gòu)建融合網(wǎng)絡(luò)，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(biāo)準(zhǔn)工具箱。它代表向可靠的標(biāo)準(zhǔn)化連接體系架構(gòu)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(luò)融合反過來又通過提高網(wǎng)絡(luò)本身的可擴(kuò)展性，在10 Mbps至1 Gbps甚至更大的帶寬范圍內(nèi)推動生成更多數(shù)據(jù)。

可能的情況是，新設(shè)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(shè)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。

擴(kuò)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(yīng)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(shù)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(luò)隨時間發(fā)展和擴(kuò)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(guān)開銷不可持續(xù)。另外，在0區(qū)的本質(zhì)安全環(huán)境內(nèi)運行，并嘗試?yán)矛F(xiàn)有線纜網(wǎng)絡(luò)來支持更快速、更低廉的調(diào)試也是一項挑戰(zhàn)。

圖5. 終端到云的無縫連接。

這些都推動10BASE-T1L全雙工通信的IEEE 802.3cg-2019?標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展。這項標(biāo)準(zhǔn)最近已獲得批準(zhǔn)，定義了通過長達(dá)1 km的單對雙絞線供電實現(xiàn)10 Mbps全雙工通信的相關(guān)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(chǔ)設(shè)施中傳輸。無需進(jìn)行轉(zhuǎn)換（會導(dǎo)致延遲，消耗功率和產(chǎn)生成本開銷）。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將發(fā)生變化（如圖5所示），遠(yuǎn)程I/O單元將轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)現(xiàn)場交換機。現(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(jìn)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(luò)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(zhuǎn)變。首先，可重復(fù)利用現(xiàn)有的布線基礎(chǔ)設(shè)施（長達(dá)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(zhì)安全應(yīng)用）中可以達(dá)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(yù)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。

目前有哪些可用技術(shù)？

需要將強大的低延遲、低功耗物理層新技術(shù)與可擴(kuò)展交換機架構(gòu)相結(jié)合，以支持自動化網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域?qū)I(yè)知識和先進(jìn)技術(shù)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(yīng)用中可靠交付時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無縫連接和高效運行。ADI的Chronous?可擴(kuò)展以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品組合包括物理層設(shè)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6. ADI Chronous——行業(yè)領(lǐng)先的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。

圖7. 提供可信數(shù)據(jù)，確保網(wǎng)絡(luò)安全。

主要解決方案包括：

• ADIN1200， 行業(yè)領(lǐng)先的10 Mbps/100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)物理層設(shè)備，具備增強型功能集，可靠性通過驗證。
• ADIN1300， 行業(yè)領(lǐng)先的低延遲、低功耗千兆物理層設(shè)備，可 靠性通過驗證，適合嚴(yán)苛的應(yīng)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(kuò)展且完整的以太網(wǎng)解決方案可以簡化系統(tǒng)設(shè)計并縮短開發(fā)時間，ADI Chronous就是針對客戶需求專門設(shè)計的這樣一款解決方案。它是日臻完善的可擴(kuò)展以太網(wǎng)方案。

為了支持這種過渡，為傳統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)連接，ADI開發(fā)了一種稱為軟件可配置I/O的新技術(shù)（AD74413R）。這將有助于開發(fā)現(xiàn)場可配置遠(yuǎn)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(luò)的融合。

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(shù)普及的關(guān)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(nèi)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(yīng)該是一個基本風(fēng)險管理考慮因素。但是，在當(dāng)今日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)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(shè)備、 控制器還是網(wǎng)關(guān)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(quán)衡。

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?nèi)栽谑褂矛F(xiàn)場總線和其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。我們都認(rèn)可基于工業(yè)以太網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)帶來了諸多好處。包括：簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通過移除網(wǎng)關(guān) 降低成本、消除硬連線連接、系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化、增加正常運行時間等。新標(biāo)準(zhǔn)的批準(zhǔn)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(luò)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(jìn)程。TSN是加速實施融合網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，與10BASE-T1L結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(lǐng)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(luò)無縫傳輸至云，開拓出這一全新的應(yīng)用領(lǐng)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(zhuǎn)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(lǐng)域?qū)I(yè)知識、技術(shù)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。

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(fù)責(zé)MeasureWare和其他精密儀器計劃的市場推廣工作。她還擔(dān)任過應(yīng)用工程和測試開發(fā)方面的職務(wù)。Fiona擁有利默里克大學(xué)的應(yīng)用物理學(xué)士學(xué)位和工商管理碩士學(xué)位。