工程師說 | 工業(yè)4.0中的互聯(lián)挑戰(zhàn)

導(dǎo)讀

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)非常多樣化。瑞薩電子為高性能MCU、A&P產(chǎn)品組合、SW平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)工業(yè)4.0的工具提供全面的解決方案。

根本 佳代子

Senior Staff Marketing Specialist

在工業(yè)4.0的框架內(nèi)，由于工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)和增強(qiáng)的計(jì)算，利益相關(guān)者有能力優(yōu)化設(shè)施和提高效率。工業(yè)4.0的特點(diǎn)是互操作性（如IIoT）、信息透明（數(shù)字植物模型：物理世界的虛擬副本）、技術(shù)支持（網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)通過執(zhí)行各種任務(wù)支持操作人員的能力）、分散決策。IIoT允許連接設(shè)備，創(chuàng)建真實(shí)世界數(shù)據(jù)的虛擬副本，允許操作員可視化/分析流程并做出決策以自主完成任務(wù)。工業(yè)4.0集成了智能系統(tǒng)、機(jī)器和人員，并通過在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)來(lái)為工廠車間工人提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而轉(zhuǎn)變制造流程。然而，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的道路上，工廠車間互聯(lián)面臨各種挑戰(zhàn)。

無(wú)論您是在談?wù)撐锫?lián)網(wǎng)還是工業(yè)4.0，連通性都是兩者的重要組成部分。IIoT設(shè)備與網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用程序、服務(wù)器、路由器和其他IoT設(shè)備連接的能力高度依賴于網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只能做它們應(yīng)該做的事情，因?yàn)樗鼈兡軌蛳嗷?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。換句話說，IIoT支持機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信，并使制造設(shè)施智能化和數(shù)字化。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接解決方案。為互聯(lián)應(yīng)用尋找最佳解決方案的過程往往充滿挑戰(zhàn)。根據(jù)您的設(shè)備規(guī)格、部署設(shè)置和所需功能，可能還有其它變得更加重要的方面（參見圖1）

圖1 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接特性

圖2 TCP/IP和多層網(wǎng)絡(luò)模型與傳統(tǒng)開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型的比較（Martinezet al，2014年）

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6826469

工業(yè)自動(dòng)化或IIoT中互聯(lián)網(wǎng)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)正在縮短核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的生命周期。該行業(yè)在數(shù)據(jù)和控制方面取得了飛快的進(jìn)步以滿足流量需求。然而，要想更好地管理設(shè)備連接和通信，仍然存在許多挑戰(zhàn)。這源于管理多層基礎(chǔ)設(shè)施的細(xì)分能力。當(dāng)前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是多層的，具有IP路由器和其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中每一層都由來(lái)自不同供應(yīng)商的設(shè)備組成，這些設(shè)備具有自己的（專有）網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）。在實(shí)踐中，由于缺乏廣泛接受的互操作性機(jī)制，這些轉(zhuǎn)悠系統(tǒng)已經(jīng)被孤立。因此，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維任務(wù)變得越來(lái)越復(fù)雜，功能重復(fù)、OPEX更高、多層配置協(xié)調(diào)延遲。圖2顯示了OSI、TCP/IP和多層網(wǎng)絡(luò)之間的映射，其中運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的分層模型代表不同的部署場(chǎng)景（從左到右）。智能光傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN）是指具有高級(jí)控制平面的光子網(wǎng)絡(luò)。然而，對(duì)于復(fù)雜樓層的網(wǎng)絡(luò)管理落后于運(yùn)營(yíng)商的預(yù)期。網(wǎng)絡(luò)管理包括監(jiān)控、配置、解釋、測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)及其服務(wù)所需的操作、管理、維護(hù)和供應(yīng) （OAM&P）功能。長(zhǎng)期以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)管理一直是運(yùn)營(yíng)商的目標(biāo)，以此來(lái)改善服務(wù)監(jiān)控、資源管理、運(yùn)營(yíng)成本、網(wǎng)絡(luò)性能、故障恢復(fù)以及控制和安全性。適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)管理可以創(chuàng)建一個(gè)安全、可靠、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測(cè)影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵事件并做出反應(yīng)。

很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，融合和放松管制一直在重塑網(wǎng)絡(luò)行業(yè)。與預(yù)期相反，這些趨勢(shì)并沒有簡(jiǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施和場(chǎng)景，反而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)和應(yīng)用、運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商的爆炸式增長(zhǎng)。這種異構(gòu)性要求運(yùn)營(yíng)商之間的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序具有互操作性。網(wǎng)絡(luò)互操作性已成為運(yùn)營(yíng)商面臨的主要挑戰(zhàn)，以便為網(wǎng)絡(luò)連接的關(guān)鍵指揮、控制和智能提供基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)互操作性一般是指多供應(yīng)商、多運(yùn)營(yíng)商互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)按照適用標(biāo)準(zhǔn)和要求規(guī)范在壓力甚至正常條件下運(yùn)行的功能互操作性。要實(shí)現(xiàn)端到端的連接，網(wǎng)絡(luò)互操作性變得不可或缺。網(wǎng)絡(luò)越多樣化，就越需要確保它們可互操作以進(jìn)行端到端通信。除了安全和安保方面，還有以下與資源和成本相關(guān)的問題：

開發(fā)資源和時(shí)間：為網(wǎng)絡(luò)兼容性添加功能需要更多的精力和資金?；ゲ僮餍詼y(cè)試和驗(yàn)收也需要花費(fèi)更多的精力和時(shí)間。

LTM（長(zhǎng)期維護(hù)）：網(wǎng)絡(luò)/應(yīng)用模型增加了采購(gòu)成本。此外，管理接口配置還增加了復(fù)雜性和成本。

網(wǎng)絡(luò)安全有助于保護(hù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。成功的網(wǎng)絡(luò)安全策略使用各種安全解決方案來(lái)保護(hù)用戶和組織免受惡意軟件和網(wǎng)絡(luò)攻擊。網(wǎng)絡(luò)由計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成。攻擊者可以破壞這些設(shè)備中的任何一個(gè)。網(wǎng)絡(luò)安全將軟件、硬件和軟件作為一種服務(wù)使用。隨著網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越復(fù)雜，企業(yè)越來(lái)越依賴網(wǎng)絡(luò)，安全性變得越來(lái)越重要。結(jié)合使用硬件和軟件工具來(lái)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全（見圖4）。網(wǎng)絡(luò)安全防止對(duì)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的未授權(quán)訪問。安全負(fù)責(zé)人員或團(tuán)隊(duì)需確定策略和政策，以保證組織的網(wǎng)絡(luò)安全且符合標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)。所有網(wǎng)絡(luò)用戶都必須遵守這些安全規(guī)則。授權(quán)用戶可以訪問數(shù)據(jù)的任何網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)都可能被惡意行為者或者用戶的粗心和錯(cuò)誤所破壞。

圖3 與網(wǎng)絡(luò)連接相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)

圖4 網(wǎng)絡(luò)安全要素

開放系統(tǒng)互連（OSI）模型描述了網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)層級(jí)。當(dāng)信息從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備時(shí)，它會(huì)經(jīng)過這些層，每一層都容易受到一系列獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)攻擊。因此，網(wǎng)絡(luò)的安全性取決于堆棧中每一層的安全性。如圖5所示，開放系統(tǒng)互連模型的每一層都對(duì)應(yīng)于ISO/IEC 7498-2中描述的網(wǎng)絡(luò)安全的一個(gè)特定方面。

圖5 開放系統(tǒng)互連層的ISO/IEC 7498-2安全模型

瑞薩電子在連接領(lǐng)域提供范圍廣泛的設(shè)備和解決方案，包括憑借其先進(jìn)的PCI Express和串行Rapid IO開關(guān)成為串行交換市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。此外，瑞薩的雙協(xié)議收發(fā)器、電壓電平轉(zhuǎn)換器、I2C緩沖器和RS-232/RS-485/RS-422設(shè)備支持高速數(shù)據(jù)傳輸和可配置選項(xiàng)。瑞薩電子還提供專有無(wú)線連接產(chǎn)品，如低功耗藍(lán)牙（LE）、基于LoRa的解決方案和Sub-GHz無(wú)線通信解決方案。此外，瑞薩還提供完整的定時(shí)/同步解決方案和模塊，幫助客戶構(gòu)建連接設(shè)備和系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)世界。各種安全的有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案使連接所有類型工廠中的元素和功能變得更加容易。開發(fā)安全產(chǎn)品需要全面的安全解決方案，瑞薩電子多樣化的安全物聯(lián)網(wǎng)組合包括獨(dú)特的MCU、有價(jià)值的認(rèn)證和可定制的解決方案，可指導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)和實(shí)施安全連接的應(yīng)用程序，從基本的安全概念開始，逐步發(fā)展到高級(jí)主題，例如密鑰處理與云的連接，最后是大規(guī)模生產(chǎn)和安全固件更新。瑞薩電子通過提供基于平臺(tái)的安全方法幫助嵌入式開發(fā)人員應(yīng)對(duì)安全設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，該方法利用硬件和軟件的最新突破通過多層安全提供深入、全面的保護(hù)。對(duì)芯片上關(guān)鍵資產(chǎn)的設(shè)備提供安全支持、對(duì)通信通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性的網(wǎng)絡(luò)安全支持——這些只是瑞薩電子幫助其客戶確保對(duì)工廠自動(dòng)化設(shè)備和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接的信任的幾個(gè)例子。在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，我們的解決方案保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)并允許可擴(kuò)展生產(chǎn)。

圖6 瑞薩電子安全物聯(lián)網(wǎng)概念

工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的實(shí)施需要有一個(gè)核心前提，保證不間斷的實(shí)時(shí)通信。在瑞薩，我們提供各種MCU和MPU設(shè)備以及所有必要的構(gòu)建模塊，以開發(fā)涵蓋領(lǐng)先工業(yè)通信協(xié)議的廣泛網(wǎng)絡(luò)解決方案，包括PROFIBUS/PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus、CC-Link等。我們的設(shè)備解決方案，如基于RA、RX MCU或RZ MPU的解決方案，附帶專用的軟件支持套件，使設(shè)計(jì)和工程團(tuán)隊(duì)能夠?qū)Ｗ⒂趹?yīng)用開發(fā)，以加快上市時(shí)間。

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