通過工業(yè)以太網(wǎng)來加速向工業(yè)4.0的過渡

（文章來源：EEWORLD）

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(jī)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(jī)器、機(jī)器人等，以創(chuàng)建和共享信息。這些機(jī)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。

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)。

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。

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(jī)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。

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。

由于數(shù)據(jù)包交付和時序的確定性可確?？刂茟?yīng)用滿足強(qiáng)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)。

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。
（責(zé)任編輯：fqj）