轉(zhuǎn)型中的行業(yè)：實(shí)現(xiàn)可信的工業(yè)自動化

新技術(shù)的進(jìn)步以及對更高效的制造工藝和工廠的渴望正在推動工業(yè)設(shè)施發(fā)生前所未有的變化。這些變化提高了可用數(shù)據(jù)的自動化程度、精度和數(shù)量。

這些進(jìn)步帶來了工業(yè)4.0的現(xiàn)實(shí)，并為制造商提供了巨大的希望和機(jī)會，通過提高生產(chǎn)力，安全性和可靠性，同時(shí)減少排放，在全球經(jīng)濟(jì)中競爭。據(jù)估計(jì)，在未來10年，這些機(jī)會對自動化設(shè)備制造商來說約為6.5萬億美元。

雖然機(jī)會很有吸引力，但仍有重大障礙需要克服。例如，在這個(gè)傳統(tǒng)保守的行業(yè)中采用新技術(shù)可能會很慢。如今的自動化工廠通常是新舊系統(tǒng)的混合體，在系統(tǒng)間通信中具有相關(guān)的復(fù)雜性。從網(wǎng)絡(luò)邊緣安全地捕獲和通信數(shù)據(jù)在很大程度上仍然無法與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施合作。簡而言之，工廠和加工廠不會在一夜之間轉(zhuǎn)型。需要一個(gè)過渡期。

為了實(shí)現(xiàn)和加速這一轉(zhuǎn)變，自動化供應(yīng)商正在轉(zhuǎn)向ADI等技術(shù)合作伙伴和供應(yīng)商，以提供更多的系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和解決方案。

互聯(lián)企業(yè)所需的過渡，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(yīng)用，并且隨著組織和市場向工業(yè)4.0過渡，作為首選通信媒介繼續(xù)擴(kuò)展。

其中一個(gè)挑戰(zhàn)是解決以太網(wǎng)上的確定性問題。許多協(xié)議使用專有的第 2 層解決方案。但是，當(dāng)嘗試提取相關(guān)數(shù)據(jù)以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的更高級別使用或在不同制造節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，這些可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的互操作性問題。新的IEEE 802.1 TSN標(biāo)準(zhǔn)針對工業(yè)控制中遇到的同一類問題，并有望實(shí)現(xiàn)從專有解決方案向基于標(biāo)準(zhǔn)的方法的過渡。

以太網(wǎng)傳統(tǒng)上是盡力而為的網(wǎng)絡(luò)。為了允許在任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)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(jì)劃流量、入口監(jiān)管、無縫冗余等。這些新興的IEEE TSN標(biāo)準(zhǔn)背后的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正的融合網(wǎng)絡(luò)，其中所有類別的流量都可以無縫共存。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(shè)計(jì)人員能夠確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲忻看味寄馨磿r(shí)交付某些類別的流量。與專有的第 2 層解決方案不同，這些功能旨在可擴(kuò)展到千兆位線速及更高。

通過TSN將邊緣設(shè)備連接到融合的可信工業(yè)4.0互聯(lián)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)帶來了許多挑戰(zhàn)。邊緣設(shè)備中的當(dāng)前通信技術(shù)（例如，現(xiàn)場總線和 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(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍ū镜鼗蜻h(yuǎn)程）通常會受到從工廠車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(zhuǎn)換為另一種格式或協(xié)議，并且數(shù)據(jù)可能存儲在多個(gè)服務(wù)器上，以到達(dá)實(shí)際進(jìn)行分析的地方。將數(shù)據(jù)從簡單的傳感器移動到云的總擁有成本不僅涉及數(shù)據(jù)傳輸所需的設(shè)備，還涉及確保數(shù)據(jù)完整性所需的軟件、處理和人力。

雖然將以太網(wǎng)引入如此簡單的設(shè)備（例如溫度變送器）似乎自相矛盾，但這與設(shè)備的簡單性或它產(chǎn)生或消耗的相對少量的數(shù)據(jù)無關(guān)。這是關(guān)于經(jīng)濟(jì)高效地從融合網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備中提取數(shù)據(jù)的能力，然后將這些數(shù)據(jù)用于可操作的結(jié)果。例如，分布式控制系統(tǒng) （DCS） 可能使用來自溫度變送器的數(shù)據(jù)來確保其過程部分實(shí)時(shí)運(yùn)行。但是，此特定溫度也可能對整個(gè)過程產(chǎn)生影響。通過將溫度變送器無縫連接到云，可以近乎實(shí)時(shí)地考慮所有過程參數(shù)進(jìn)行分析，以確保整個(gè)過程正常運(yùn)行?？梢赃M(jìn)行調(diào)整，以便優(yōu)化生產(chǎn)或提高能源效率。

ADI將這些挑戰(zhàn)視為客戶成功的關(guān)鍵，也是我們投資尖端技術(shù)以推動以太網(wǎng)走向邊緣的激勵(lì)因素。一項(xiàng)關(guān)鍵的使能技術(shù)，我們稱之為低復(fù)雜度以太網(wǎng)，是將簡單的工業(yè)設(shè)備（如溫度變送器）直接引入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動程序。

低復(fù)雜度以太網(wǎng)解決了當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)第 2 層以太網(wǎng)實(shí)施的傳統(tǒng)尺寸、功耗和成本問題，以降低將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆频目倱碛谐杀尽?/p>

向融合工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的過渡還需要在物理層進(jìn)行創(chuàng)新，以提供與現(xiàn)有系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)僅限于 100 米的電纜長度，并且需要多根雙絞線電纜才能實(shí)現(xiàn)。相比之下，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的大部分現(xiàn)有安裝基礎(chǔ)都建立在單根雙絞線電纜上，該電纜的長度可以以31.25 kbps的數(shù)據(jù)速率延伸超過1000米。為了幫助解決這個(gè)問題，ADI正在IEEE的支持下與主要工業(yè)合作伙伴合作開發(fā)新的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)稱為10SPE，將通過單根雙絞線電纜運(yùn)行，最長可達(dá)1000米，數(shù)據(jù)速率為10 Mbps。通過采用基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作方法來解決這個(gè)問題，ADI正在幫助降低采用障礙，并縮短實(shí)現(xiàn)全廠融合網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)的時(shí)間框架。

除了開發(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(yīng)用也在突破帶寬和性能的極限。機(jī)器人等應(yīng)用需要越來越多的協(xié)調(diào)軸，其控制精度比以前更高。將控制網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為千兆位速度有助于滿足這些要求，并代表了工業(yè)以太網(wǎng)市場的另一個(gè)主要趨勢。

以太網(wǎng)的迅速成功往往使以太網(wǎng)技術(shù)的用戶難以解決與其應(yīng)用相關(guān)的安全問題。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣對數(shù)據(jù)和傳感需求的預(yù)期增長可能會受到感知到的安全風(fēng)險(xiǎn)的阻礙。此外，工業(yè)控制應(yīng)用中對低延遲和抖動的要求可能與安全性要求直接沖突。這些技術(shù)的用戶有責(zé)任盡早解決有關(guān)這些應(yīng)用程序的性能和安全性的問題。

工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)每天都受到越來越多的關(guān)注。由于工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 的出現(xiàn)，工業(yè)空間正在由廣泛分布的設(shè)備、動態(tài)信息流和跨環(huán)境連接來定義，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(shè)備數(shù)量之多，那么很明顯，建立這些設(shè)備的身份是有問題的。物理分布式共享加密密鑰很快變得不切實(shí)際，證書交換的管理變成了物流的噩夢。如果要實(shí)現(xiàn)值得信賴的工業(yè)4.0企業(yè)的愿景，無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)來安全地連接網(wǎng)絡(luò)邊緣的高度受限的設(shè)備。ADI在資源受限設(shè)備的身份驗(yàn)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，以解決這些重要問題。

結(jié)論

ADI公司的工業(yè)自動化事業(yè)部在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣的檢測、控制、監(jiān)控和魯棒實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)領(lǐng)域提供領(lǐng)先的解決方案。ADI在安全性和身份驗(yàn)證、功能和本質(zhì)安全以及多協(xié)議支持等領(lǐng)域開發(fā)并獲得了專業(yè)知識。通過強(qiáng)有力的合作，我們將實(shí)現(xiàn)并加速從傳感器到云向值得信賴的IIoT互聯(lián)企業(yè)的過渡。

審核編輯：郭婷