新技術(shù)的進(jìn)步以及對更高效的制造工藝和工廠(chǎng)的渴望正在推動(dòng)工業(yè)設施發(fā)生前所未有的變化。這些變化提高了可用數據的自動(dòng)化程度、精度和數量。

　　這些進(jìn)步帶來(lái)了工業(yè)4.0的現實(shí)，并為制造商提供了巨大的希望和機會(huì )，通過(guò)提高生產(chǎn)力，安全性和可靠性，同時(shí)減少排放，在全球經(jīng)濟中競爭。據估計，在未來(lái)10年，這些機會(huì )對自動(dòng)化設備制造商來(lái)說(shuō)約為6.5萬(wàn)億美元。

　　雖然機會(huì )很有吸引力，但仍有重大障礙需要克服。例如，在這個(gè)傳統保守的行業(yè)中采用新技術(shù)可能會(huì )很慢。如今的自動(dòng)化工廠(chǎng)通常是新舊系統的混合體，在系統間通信中具有相關(guān)的復雜性。從網(wǎng)絡(luò )邊緣安全地捕獲和通信數據在很大程度上仍然無(wú)法與現有基礎設施合作。簡(jiǎn)而言之，工廠(chǎng)和加工廠(chǎng)不會(huì )在一夜之間轉型。需要一個(gè)過(guò)渡期。

　　為了實(shí)現和加速這一轉變，自動(dòng)化供應商正在轉向ADI等技術(shù)合作伙伴和供應商，以提供更多的系統領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識和解決方案。

　　互聯(lián)企業(yè)所需的過(guò)渡，特別是以太網(wǎng)和安全性

　　工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛用于控制應用，并且隨著(zhù)組織和市場(chǎng)向工業(yè)4.0過(guò)渡，作為首選通信媒介繼續擴展。

　　其中一個(gè)挑戰是解決以太網(wǎng)上的確定性問(wèn)題。許多協(xié)議使用專(zhuān)有的第 2 層解決方案。但是，當嘗試提取相關(guān)數據以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的更高級別使用或在不同制造節點(diǎn)之間進(jìn)行協(xié)調時(shí)，這些可能會(huì )導致嚴重的互操作性問(wèn)題。新的IEEE 802.1 TSN標準針對工業(yè)控制中遇到的同一類(lèi)問(wèn)題，并有望實(shí)現從專(zhuān)有解決方案向基于標準的方法的過(guò)渡。

　　以太網(wǎng)傳統上是盡力而為的網(wǎng)絡(luò )。為了允許在任務(wù)關(guān)鍵型應用中部署以太網(wǎng)，有必要添加特定功能，包括時(shí)間同步、計劃流量、入口監管、無(wú)縫冗余等。這些新興的IEEE TSN標準背后的目標是實(shí)現一個(gè)真正的融合網(wǎng)絡(luò )，其中所有類(lèi)別的流量都可以無(wú)縫共存。這將允許任務(wù)關(guān)鍵型實(shí)時(shí)流量與流流量和盡力而為流量在同一網(wǎng)絡(luò )上傳輸。這些功能使網(wǎng)絡(luò )設計人員能夠確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )拓撲中每次都能按時(shí)交付某些類(lèi)別的流量。與專(zhuān)有的第 2 層解決方案不同，這些功能旨在可擴展到千兆位線(xiàn)速及更高。

　　通過(guò)TSN將邊緣設備連接到融合的可信工業(yè)4.0互聯(lián)企業(yè)網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了許多挑戰。邊緣設備中的當前通信技術(shù)(例如，現場(chǎng)總線(xiàn)和 4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路)可以正常工作，并且它們工作可靠。然而，將數據傳輸到云端(本地或遠程)通常會(huì )受到從工廠(chǎng)車(chē)間到前臺的多層通信的阻礙。通常需要網(wǎng)關(guān)從一種格式或協(xié)議轉換為另一種格式或協(xié)議，并且數據可能存儲在多個(gè)服務(wù)器上，以到達實(shí)際進(jìn)行分析的地方。將數據從簡(jiǎn)單的傳感器移動(dòng)到云的總擁有成本不僅涉及數據傳輸所需的設備，還涉及確保數據完整性所需的軟件、處理和人力。

　　雖然將以太網(wǎng)引入如此簡(jiǎn)單的設備(例如溫度變送器)似乎自相矛盾，但這與設備的簡(jiǎn)單性或它產(chǎn)生或消耗的相對少量的數據無(wú)關(guān)。這是關(guān)于經(jīng)濟高效地從融合網(wǎng)絡(luò )上的設備中提取數據的能力，然后將這些數據用于可操作的結果。例如，分布式控制系統 (DCS) 可能使用來(lái)自溫度變送器的數據來(lái)確保其過(guò)程部分實(shí)時(shí)運行。但是，此特定溫度也可能對整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生影響。通過(guò)將溫度變送器無(wú)縫連接到云，可以近乎實(shí)時(shí)地考慮所有過(guò)程參數進(jìn)行分析，以確保整個(gè)過(guò)程正常運行?？梢赃M(jìn)行調整，以便優(yōu)化生產(chǎn)或提高能源效率。

　　ADI將這些挑戰視為客戶(hù)成功的關(guān)鍵，也是我們投資尖端技術(shù)以推動(dòng)以太網(wǎng)走向邊緣的激勵因素。一項關(guān)鍵的使能技術(shù)，我們稱(chēng)之為低復雜度以太網(wǎng)，是將簡(jiǎn)單的工業(yè)設備(如溫度變送器)直接引入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的驅動(dòng)程序。

　　低復雜度以太網(wǎng)解決了當今標準第 2 層以太網(wǎng)實(shí)施的傳統尺寸、功耗和成本問(wèn)題，以降低將數據傳輸到云的總擁有成本。

　　向融合工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的過(guò)渡還需要在物理層進(jìn)行創(chuàng )新，以提供與現有系統的某些固有功能相匹配的解決方案。許多部署最廣泛的以太網(wǎng)物理層標準僅限于 100 米的電纜長(cháng)度，并且需要多根雙絞線(xiàn)電纜才能實(shí)現。相比之下，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )基礎設施的大部分現有安裝基礎都建立在單根雙絞線(xiàn)電纜上，該電纜的長(cháng)度可以以31.25 kbps的數據速率延伸超過(guò)1000米。為了幫助解決這個(gè)問(wèn)題，ADI正在IEEE的支持下與主要工業(yè)合作伙伴合作開(kāi)發(fā)新的以太網(wǎng)標準。該標準稱(chēng)為10SPE，將通過(guò)單根雙絞線(xiàn)電纜運行，最長(cháng)可達1000米，數據速率為10 Mbps。通過(guò)采用基于標準的協(xié)作方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，ADI正在幫助降低采用障礙，并縮短實(shí)現全廠(chǎng)融合網(wǎng)絡(luò )目標的時(shí)間框架。

　　除了開(kāi)發(fā)支持以太網(wǎng)融合的新功能外，其他已經(jīng)使用 100 Mbps 確定性以太網(wǎng)的應用也在突破帶寬和性能的極限。機器人等應用需要越來(lái)越多的協(xié)調軸，其控制精度比以前更高。將控制網(wǎng)絡(luò )轉換為千兆位速度有助于滿(mǎn)足這些要求，并代表了工業(yè)以太網(wǎng)市場(chǎng)的另一個(gè)主要趨勢。

　　以太網(wǎng)的迅速成功往往使以太網(wǎng)技術(shù)的用戶(hù)難以解決與其應用相關(guān)的安全問(wèn)題。工業(yè)網(wǎng)絡(luò )邊緣對數據和傳感需求的預期增長(cháng)可能會(huì )受到感知到的安全風(fēng)險的阻礙。此外，工業(yè)控制應用中對低延遲和抖動(dòng)的要求可能與安全性要求直接沖突。這些技術(shù)的用戶(hù)有責任盡早解決有關(guān)這些應用程序的性能和安全性的問(wèn)題。

　　工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險每天都受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的出現，工業(yè)空間正在由廣泛分布的設備、動(dòng)態(tài)信息流和跨環(huán)境連接來(lái)定義，以提供新功能。然而，毫不奇怪，在創(chuàng )造新功能的同時(shí)，它還創(chuàng )造了以前沒(méi)有想到的新安全威脅，但比以往任何時(shí)候都更加真實(shí)。

　　如果想象必須安全連接到網(wǎng)絡(luò )的設備數量之多，那么很明顯，建立這些設備的身份是有問(wèn)題的。物理分布式共享加密密鑰很快變得不切實(shí)際，證書(shū)交換的管理變成了物流的噩夢(mèng)。如果要實(shí)現值得信賴(lài)的工業(yè)4.0企業(yè)的愿景，無(wú)鑰匙身份的建立至關(guān)重要。同樣，需要具有低固定延遲和小硬件和/或軟件占用空間的輕量級加密技術(shù)來(lái)安全地連接網(wǎng)絡(luò )邊緣的高度受限的設備。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塊加密等技術(shù)上投入了大量資金，以解決這些重要問(wèn)題。

　　結論

　　ADI公司的工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)部在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )邊緣的檢測、控制、監控和魯棒實(shí)時(shí)通信系統領(lǐng)域提供領(lǐng)先的解決方案。ADI在安全性和身份驗證、功能和本質(zhì)安全以及多協(xié)議支持等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)并獲得了專(zhuān)業(yè)知識。通過(guò)強有力的合作，我們將實(shí)現并加速從傳感器到云向值得信賴(lài)的IIoT互聯(lián)企業(yè)的過(guò)渡。