【導讀】過去幾年中，工業設施已著手提高其制造流程的效率。利用現有技術，工業的自動化程度、精度水平和處理數據量均有所提高。所有這些都在迅速地讓制造商更加接近實現工業 4.0 所能提供的好處，包括更高的安全性、可靠性和生產率，同時還能降低嚴苛工業制程給環境帶來的影響。
盡管最終目標非常令人向往，但仍然存在需要克服的重大障礙。舉例而言，工業設施傳統上比較保守，通常會延緩新技術的采用。如此一來，便導致制造商會將新系統與舊系統整合在一起，而這往往又會增加系統間通信的復雜度。通常，現有基礎設施在捕獲和傳輸邊緣網絡數據方面存在重大困難。結果是我們不能指望工廠在一夜之間完成轉型。必須有一個過渡期。Analog Devices Inc. (ADI) 的解決方案和系統性專業知識可以支持并加快完成這種過渡。
互聯的企業需要轉型，關鍵在于以太網和安全
隨著企業組織和市場向工業 4.0 過渡，首選通信手段是工業以太網。然而，解決以太網的確定性問題仍然是主要挑戰之一。
使用專有第 2 層解決方案是許多協議采用的一種方案。這樣做的缺點是，當提取數據供企業網絡的較高層級使用時，會出現嚴重的互配性問題或者需要協調不相關的制造節點。為了幫助緩解這個問題，業界開發了新的 IEEE 802.1 TSN（時間敏感型網絡）標準。這些標準旨在支持從專有解決方案過渡到標準解決方案。
以太網一直被認為是“盡力而為”型網絡，因此在關鍵任務型應用中，有必要增加一些特別的特性，其中包括無縫冗余、預定流量、時間同步、流量限制等。借助這些特性，網絡設計人員可以確保在整個網絡中傳輸特定類別的流量。此外，與專有第 2 層解決方案不同，整合這些特性的設計可擴展到千兆以上的線路速率。允許在“盡力而為”型網絡上傳輸這種關鍵任務型實時流量并實現流式流量傳輸，是新興 IEEE TSN 標準的目標。為幫助用戶熟悉 TSN 標準，ADI 提供了 RAPID-TSNEK-V0001 評估套件（圖 1）。該套件包含了對與開發中的 IEEE 802.1 TSN 標準相關的特性進行評估所需的一切。該套件目前支持以下 TSN 標準：
● 802.1AS、AS-REV
● 802.1Qbv
● 802.1Qci
● 802.1CB
● 802.1Qcc
● 802.1bu/802.3br
由于該標準尚在演進之中，ADI 計劃在適當時候允許免費下載新特性和更新。
圖 1：針對 802.1 TSN 標準的 ADI RAPID-TSNEK-V0001 評估套件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
當邊緣設備連接到支持 TSN 的融合式工業 4.0 網絡時，會產生許多挑戰。雖然現場總線和 4 mA 至 20 mA 電流環路等邊緣設備通信技術能夠可靠地工作，但將數據傳輸到云端常常會受到阻礙，因為數據要穿過從工廠車間到管理部門的許多通信層。從一種協議轉換到另一種協議常常需要網關，而且在數據傳輸到執行分析的位置期間，可能有多個服務器會存儲數據。還有一件事需要考慮，那就是將數據從傳感器傳輸到云端的總擁有成本不僅僅涉及數據傳輸所需的硬件，還包括保證數據在網絡中的完整性所需的軟件、處理和人力。
將以太網運用到簡單邊緣設備（如溫度變送器）看起來可能效率不高，但這里的關鍵不在于設備簡單或生產/使用的數據量較小，而在于經濟有效地從融合網絡提取設備數據，然后能夠利用這些數據得到可執行的結果。例如，分布式控制系統 (DCS) 可能使用溫度變送器數據來驗證它正在監控的流程是否受到實時控制。另外，此特定溫度可能會對整個流程產生不利影響。在這種情況下，溫度變送器和云端之間的無縫連接將能支持高性能分析近乎實時地考慮所有流程參數，確保整個流程按預期執行。此外，為確保生產流程得到優化或提高能效，可根據實時分析進行動態調整。
ADI 將這些挑戰視為驅使其投資新以太網技術的動力因素。為此，ADI 提供了低復雜度的以太網技術，它是將簡單工業設備（例如上例中使用的溫度變送器）直連到以太網的關鍵促成要素（圖 2）。
圖 2：說明 ADI 的 fido5100/fido5200 如何能與許多不同協議對接的框圖。（圖片來源：Analog Devices）
與當前標準第 2 層以太網方案相比，低復雜度以太網通過減小尺寸、功耗和成本來降低向云端傳輸數據的總擁有成本。
為了促進向融合式工業以太網網絡的過渡，還需要物理層創新，以使解決方案與現有系統的一些固有功能相匹配。在許多已部署的以太網網絡中，物理層標準將電纜長度限制為 100 米，需要多根雙絞線電纜才能完全實現。與此相反，目前工廠安裝的大多數自動化網絡基礎設施均采用單根雙絞線電纜，其中一些可能長達 1000 米以上，且數據速率為 31.25 kbps。
為解決這個問題，ADI 和一些主要工業合作伙伴正在與 IEEE 合作開發新的以太網標準。該標準 (10SPE) 定義的以太網網絡可以 10 Mbps 的數據速率在長達 1000 米的單根雙絞線電纜上運行。通過這一基于標準的協作方式，ADI 正在努力支持減少適應障礙，并縮短可實現融合型廠域網絡目標所需的時間。
此外，其他使用 100 Mbps 確定性以太網（Fido5100 和 5200）的應用已經在突破帶寬和性能的限制。例如，隨著坐標軸數量的不斷增加，機器人應用需要比以往更高的控制精度。為了幫助滿足這一要求，控制網絡轉變到千兆速度至關重要。更高的通信速度是工業以太網的另一個主要趨勢。
工業網絡安全
工業以太網需要解決的另一個問題是安全。隨著工業網絡邊緣對數據和檢測的預期需求上升，安全風險也將加大。此外，工業控制的低延遲和抖動要求可能與安全要求直接沖突。因此，使用這些技術的設計人員需要解決這些應用中的性能和安全問題。此類安全風險已逐漸引起越來越多的關注。
隨著工業物聯網 (IIoT) 和工業 4.0 的出現，工業空間被重新定義為動態信息流、廣泛分布的設備和跨平臺連接，從而提供新功能。然而，隨著這些新功能的產生，必然也會出現新的安全威脅，這一點并不足為奇。
當人們考慮如此多的設備需要安全連接到網絡時，僅僅確立邊緣設備身份似乎就很成問題。使用傳統方法（例如物理分布式共享加密密鑰）和管理證書交換將變得不切實際，在邏輯上簡直是噩夢。因此，要使可信的工業 4.0 企業成為現實，建立無密鑰身份識別技術至關重要。另外，邊緣設備本質上是高度受限的設備，要求硬件和軟件占用空間均很小，因此需要低固定延遲的輕型加密方法。為了解決這些問題，ADI 大力投資于資源約束型設備安全技術，如輕型區塊加密和身份驗證。事實上，Linear Technology（現為隸屬于 ADI）的 SmartMesh IP™ 技術解決了本文討論的許多挑戰。
圖 3：Linear Technology/Analog Devices 的 SmartMesh IP 入門套件。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
總結
作為對工業自動化市場需求的回應，Analog Devices 的工業自動化部門設計并推出了檢測、監控、控制和強大實時通信系統領域的工業網絡邊緣設備解決方案。此外，ADI 還為邊緣設備提供了其他領域的解決方案，如多協議支持、安全和身份驗證、功能安全和本質安全。借助這一切，ADI 推動并加快了制造業向可信 IIoT 互聯企業的轉型。
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