通過工業(yè)以太網(wǎng)連接加速向工業(yè)4.0的過渡

由于我們的制造和加工設(shè)施的數(shù)字化，第四次工業(yè)革命正在改變我們創(chuàng)造產(chǎn)品的方式。幾十年來，我們已經(jīng)看到了自動化的好處，現(xiàn)在正在通過增強的數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)和人工智能來推動這些系統(tǒng)。如今，自主系統(tǒng)正變得越來越互聯(lián)，并且正在通信、分析和解釋數(shù)據(jù)，以便在工廠的其他區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輔助智能決策和行動。智能工廠計劃通過提高產(chǎn)量、資產(chǎn)利用率和整體生產(chǎn)力來創(chuàng)造新的業(yè)務(wù)價值。他們正在利用新的數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)靈活性和改進質(zhì)量，同時減少能源消耗和殘余浪費。越來越多的邊緣到云連接的智能系統(tǒng)通過適應(yīng)大規(guī)模定制，使制造環(huán)境變得更加高效。

工業(yè)4.0的好處在于利用更多的數(shù)據(jù)來做出更好的決策。在整個自動化系統(tǒng)中及時訪問數(shù)據(jù)以及交付數(shù)據(jù)取決于連接網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須不斷發(fā)展以處理增加的數(shù)據(jù)量，制造商的流程和方法也必須如此。智能、互聯(lián)的自動化環(huán)境需要數(shù)字連接的系統(tǒng)、機器、機器人等，創(chuàng)建和共享信息。這些機器的通信方式和它們使用的工廠通信網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)的核心，也是我們工業(yè)4.0雄心壯志的推動者。

現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施無法實現(xiàn)工廠車間中每個傳感器和執(zhí)行器的無縫連接，即使是偏遠地區(qū)的傳感器和執(zhí)行器。如果未來是數(shù)據(jù)及其在企業(yè)層面的組合以提供可操作的見解，那么挑戰(zhàn)就變成了找到一種方法，使這些前所未有的數(shù)據(jù)量流動，而不會削弱旨在傳輸數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)。這就提出了一個問題，即如何構(gòu)建、構(gòu)建和部署一個工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足當(dāng)今自動化環(huán)境和未來虛擬工廠車間的需求。

為什么選擇工業(yè)以太網(wǎng)？

隨著連接成為工業(yè)4.0愿景的核心，必須三件事成為現(xiàn)實，才能實現(xiàn)真正的互聯(lián)企業(yè)。首先，更高級別的信息技術(shù)（IT）或企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施必須與工廠車間控制網(wǎng)絡(luò)融合。其次，工廠車間目前存在的各種網(wǎng)絡(luò)或制造單元必須全部共存和互操作。第三，我們需要跨流程環(huán)境的無縫、安全連接，從流程邊緣到企業(yè)云。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們需要采用一種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以支持互操作性、可擴展性和覆蓋范圍的目標(biāo)。以太網(wǎng)成為理想的解決方案，是一種易于理解的技術(shù)，具有廣泛的部署。它提供高帶寬并實現(xiàn)快速調(diào)試，還廣泛部署在所有制造環(huán)境的 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)中。

然而，鑒于對實時操作的需求，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)并不是工業(yè)控制基礎(chǔ)設(shè)施的可行解決方案。運營技術(shù) （OT） 控制網(wǎng)絡(luò)需要確保所傳達的消息按時傳遞到需要的地方。這確保了手頭任務(wù)或流程的正確操作。用于路由流量的 TCP/IP 協(xié)議本身并不能保證此級別的確定性性能。與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)支持文件共享或訪問打印機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的方式相同，工業(yè)以太網(wǎng)允許控制器訪問數(shù)據(jù)并將指令命令從PLC發(fā)送到分散在工廠車間的傳感器、執(zhí)行器和機器人。主要區(qū)別在于延遲或未傳遞郵件的影響。在非實時應(yīng)用程序中，如果網(wǎng)頁更新緩慢，則影響很小，而在制造環(huán)境中，影響可能很大，從浪費材料到意外的人為傷害。為了使控制系統(tǒng)正常工作，消息必須每次都能可靠地、準(zhǔn)時地到達目的地。

因此，工業(yè)以太網(wǎng)已成為操作技術(shù)控制層面的首選技術(shù)。其目標(biāo)是不僅在IT和高級OT網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)無縫連接，而且通過工廠OT網(wǎng)絡(luò)的各個層到終端節(jié)點傳感器，如圖3所示。如今，需要復(fù)雜、耗電的網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)從 OT 網(wǎng)絡(luò)較低級別的連接到需要融合 IT/OT 網(wǎng)絡(luò)的較高層以太網(wǎng)的連接。擁有基于以太網(wǎng)的全廠可互操作自動化網(wǎng)絡(luò)將消除對這些網(wǎng)關(guān)的需求，從而簡化網(wǎng)絡(luò)本身。事實上，用于轉(zhuǎn)換和啟用與OT網(wǎng)絡(luò)上層連接的協(xié)議網(wǎng)關(guān)不能直接尋址，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的隔離。這種數(shù)據(jù)隔離限制了在整個工廠車間共享信息的能力。這與前面概述的工業(yè)4.0愿景背道而馳，制造商希望從OT端收集遙測數(shù)據(jù)，以推動IT端的分析和業(yè)務(wù)流程。

由于數(shù)據(jù)包交付和定時方面的確定性保證了控制應(yīng)用的強制性要求，許多供應(yīng)商努力提供適用于OT網(wǎng)絡(luò)的實時協(xié)議。這導(dǎo)致了解決方案雖然具有確定性，但特定于每個供應(yīng)商的協(xié)議。這反過來又導(dǎo)致了許多不兼容的解決方案，不同類型的通信協(xié)議在不同的制造單元中運行，每個單元都無法互操作。這會使數(shù)據(jù)隔離或數(shù)據(jù)孤島永久化。需要一種解決方案，使運行不同協(xié)議的不同制造單元能夠共存并共享網(wǎng)絡(luò)，以確保其控制流量不會受到損害。答案在于時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN），這是一種基于IEEE 802.1規(guī)范的供應(yīng)商中立的實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。顧名思義，TSN專注于時間。該標(biāo)準(zhǔn)將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換為為任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用提供定時保證的通信。它旨在確保信息可以在固定且可預(yù)測的時間內(nèi)從一個點移動到另一個點。通過這種方式，TSN提供了及時交付的保證。為了使通信可預(yù)測，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備必須具有共享的時間概念。該標(biāo)準(zhǔn)定義了按計劃傳輸某些TSN以太網(wǎng)幀的方法，同時允許盡最大努力傳輸非TSN幀（見圖4）。通過這種方式，TSN可以在同一網(wǎng)絡(luò)上共存實時和非實時流量。由于所有設(shè)備共享同一時間，因此可以以高達千兆位的速度以低延遲和抖動傳輸重要數(shù)據(jù)。

目標(biāo)是建立一個融合網(wǎng)絡(luò)，其中每個協(xié)議都可以以確定性和可靠的方法共享線路。TSN是提供所需確定性的標(biāo)準(zhǔn)工具箱。它代表了向可靠和標(biāo)準(zhǔn)化連接架構(gòu)的過渡，消除了通過專有現(xiàn)場總線進行的數(shù)據(jù)隔離。這種網(wǎng)絡(luò)融合將反過來通過網(wǎng)絡(luò)本身的可擴展性提高來推動更多數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，帶寬范圍從10 Mbps到1 Gbps甚至更高。

可能的情況是，TSN將在整個新裝置中采用，但在現(xiàn)有設(shè)施內(nèi)的單元或分段中逐步采用。對于現(xiàn)場設(shè)備制造商來說，這意味著在可預(yù)見的未來，必須支持經(jīng)典的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN。

擴展到進程邊緣

我們最后也可能是最具影響力的變化是能夠在過程控制應(yīng)用程序中實現(xiàn)從邊緣節(jié)點到企業(yè)云的無縫連接，如圖 5 所示。迄今為止，與邊緣的連接一直受到現(xiàn)有4 mA至20 mA或現(xiàn)場總線技術(shù)的限制。在許多實現(xiàn)中，這些是硬連線的點對點連接，限制了網(wǎng)絡(luò)隨時間發(fā)展和增長的靈活性。這些非基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場通信遇到了一些挑戰(zhàn)。首先，帶寬非常有限（例如，4 mA至20 mA的HART?為1.2 kbps），限制了信息流的數(shù)量和速度。其次，向儀器本身輸送的功率有限，這限制了儀器的功能。最后，存在于控制和 IT 級別的網(wǎng)關(guān)是不可持續(xù)的開銷。還有一個挑戰(zhàn)是在 0 區(qū)的本質(zhì)安全環(huán)境中運行，并試圖利用現(xiàn)有的布線網(wǎng)絡(luò)來支持更快、更便宜的調(diào)試。

這些挑戰(zhàn)要求為10BASE-T1L全雙工通信開發(fā)IEEE 802.3cg-2019?標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)最近已獲得批準(zhǔn)，并規(guī)定了 10 Mbps 全雙工通信，通過長達 1 km 的單根雙絞線電纜供電?，F(xiàn)在，數(shù)據(jù)將以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的形式在傳感器中開始運行，并以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的形式遍歷OT和IT基礎(chǔ)設(shè)施。不需要轉(zhuǎn)換（這會造成延遲、消耗電力并產(chǎn)生成本開銷）。如圖5所示，隨著遠程I/O單元過渡到以太網(wǎng)現(xiàn)場交換機，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將發(fā)生變化。以太網(wǎng)指令現(xiàn)在可以通過 10BASE-T1L 多端口現(xiàn)場交換機從控制器與現(xiàn)場儀表進行通信。在現(xiàn)場節(jié)點生成的洞察現(xiàn)在可以通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包（具有更高的帶寬）通過現(xiàn)場交換機網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC/DCS控制器，并最終傳輸?shù)皆啤?/p>

有幾個明顯的優(yōu)勢將有助于推動從傳統(tǒng)現(xiàn)場總線到工業(yè)以太網(wǎng)的過渡。首先，重復(fù)使用現(xiàn)有布線基礎(chǔ)設(shè)施（長達 1 公里）的潛力簡化了部署并降低了改造成本。其次，通過電纜輸送到儀器本身的可用功率以前限制在 36 mW（最佳情況，部署為 4 mA 至 20 mA），現(xiàn)在高達 60 W（取決于電纜）或在 0 區(qū)本質(zhì)安全應(yīng)用中為 500 mW。額外的可用功率現(xiàn)在將使具有終端節(jié)點智能的更高功能儀器成為可能。這與現(xiàn)在可用的10 Mbit上行鏈路速度相結(jié)合，將提供預(yù)期的更多見解，以利用工業(yè)4.0承諾的效率。

今天有什么可用？

需要新的穩(wěn)健、低延遲、低功耗物理層技術(shù)與可擴展的交換機結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以支持我們自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。作為工業(yè)以太網(wǎng)的最前沿，ADI利用其豐富的自動化領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和先進技術(shù)開發(fā)了深入的解決方案組合，旨在確保在整個工業(yè)應(yīng)用中可靠地傳輸時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)，確保無縫連接和運營效率。ADI Chronous?可擴展以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品組合包括物理層器件（PHY）、嵌入式交換機和采用多協(xié)議軟件的完整平臺解決方案。這些產(chǎn)品經(jīng)過全面測試和驗證，可快速上市。

該產(chǎn)品組合中值得注意的解決方案包括：

ADIN1200是業(yè)界領(lǐng)先的10 Mbps/100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)PHY，具有增強的功能集和經(jīng)過驗證的魯棒性。

ADIN1300是業(yè)界延遲最低、功耗最低的千兆PHY，為惡劣環(huán)境提供經(jīng)過驗證的魯棒性。

fido5200/fido5100是一款實時嵌入式雙端口多協(xié)議交換機，支持許多可用的TSN功能。新的TSN功能可以通過固件更新來實現(xiàn)。多協(xié)議軟件更新也受支持，可通過ADI Chronous開發(fā)人員門戶獲得。

ADI Chronous解決方案專為我們的客戶而設(shè)計，具有經(jīng)過驗證的穩(wěn)健、可擴展且完整的以太網(wǎng)解決方案，可簡化系統(tǒng)設(shè)計并縮短開發(fā)時間。它是可擴展的以太網(wǎng)，時間完美。

為了支持過渡并為傳統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)橋接，ADI開發(fā)了一種稱為軟件可配置I/O（AD74413R）的新技術(shù)。這將支持開發(fā)現(xiàn)場可配置的遠程I/O單元，以彌合傳統(tǒng)儀器和更高級別的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間的差距。

安全性如何？

以太網(wǎng)存在漏洞，安全性是影響工業(yè)4.0采用率的最關(guān)鍵問題之一。通過在整個企業(yè)中在OT和IT之間以及從邊緣到云之間創(chuàng)建開放的信息流，安全漏洞的潛在影響可能是毀滅性的。

在規(guī)劃工業(yè)4.0戰(zhàn)略時，安全性應(yīng)該是基本的風(fēng)險管理考慮因素。在當(dāng)今日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建安全性絕非易事;它需要一種多層方法，使其固有于整個系統(tǒng)——在邊緣設(shè)備、控制器、網(wǎng)關(guān)以及堆棧的上游。ADI的Chronous產(chǎn)品組合可在系統(tǒng)中的每個節(jié)點提供安全性，同時最大限度地減少功耗、性能和延遲方面的權(quán)衡。

部署路線圖

雖然工業(yè)以太網(wǎng)近年來有了可觀的增長，但現(xiàn)場總線和其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍在部署中。我們都同意基于工業(yè)以太網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)帶來的優(yōu)勢。其中包括簡化的網(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、改進系統(tǒng)優(yōu)化、增加正常運行時間等。新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)及其即將獲得批準(zhǔn)是加速這一期待已久的過渡所需的催化劑。這是一個轉(zhuǎn)變，由對更高性能連接網(wǎng)絡(luò)的需求以及OT和IT系統(tǒng)之間的集成度增強而堅定地推動。TSN是提供融合網(wǎng)絡(luò)的工具，當(dāng)與10BASE-T1L結(jié)合使用時，將實現(xiàn)無縫的邊緣到云連接。遷移不會在一夜之間發(fā)生，但潛在的好處是如此引人注目，以至于采用速度可能會超過標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè) 4.0 愿景的核心是能夠使用具有收集、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正在解鎖以前無法從許多邊緣節(jié)點設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)和見解，從而喚醒數(shù)據(jù)分析和操作洞察的新領(lǐng)域。工業(yè)以太網(wǎng)連接將通過將當(dāng)前和未來的數(shù)據(jù)流通過自動化網(wǎng)絡(luò)無縫傳輸?shù)皆苼韱拘堰@一現(xiàn)實。

審核編輯：郭婷