工業4.0的de優you勢shi就jiu是shi能neng夠gou充chong分fen利li用yong不bu斷duan增zeng加jia的de數shu據ju做zuo出chu更geng好hao的de決jue策ce。在zai整zheng個ge自zi動dong化hua係xi統tong中zhong，能neng否fou及ji時shi獲huo取qu和he傳chuan輸shu數shu據ju取qu決jue於yu連lian接jie網wang絡luo。為wei應ying對dui日ri益yi增zeng長chang的de數shu據ju量liang，網wang絡luo技ji術shu以yi及ji製zhi造zao工gong藝yi流liu 程和方法都必須不斷改進。智能、互聯的自動化環境需要數字連接係統、機器、機器人等
，以創建和共享信息。這些機器采用的通信方式以及部署的工廠通信網絡是企業的核心，也是推動實現工業4.0的關鍵。

 

圖1. 雲基礎設施。

 

整個廠區的所有（甚至遠程位置）傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)驅(qu)動(dong)器(qi)都(dou)需(xu)要(yao)無(wu)縫(feng)連(lian)接(jie)，但(dan)使(shi)用(yong)現(xian)有(you)的(de)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)無(wu)法(fa)實(shi)現(xian)。如(ru)果(guo)未(wei)來(lai)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)企(qi)業(ye)層(ceng)級(ji)的(de)數(shu)據(ju)來(lai)提(ti)供(gong)可(ke)行(xing)的(de)見(jian)解(jie)
，我(wo)們(men)麵(mian)臨(lin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)就(jiu)是(shi)找(zhao)到(dao)一(yi) 種方法，使這些前所未有的海量數據能夠在不破壞通信網絡的情況下傳輸。這就提出了一個問題：如何設計
、構建和部署能夠滿足當今自動化環境和未來虛擬工廠需求的工業通信網絡。

 

為何選擇工業以太網？

 

由於互聯是實現工業4.0願景的核心
，因此企業要真正實現互聯
，必須滿足三個條件。第一
，更高水平的信息技術(IT)或企業基礎設施必須與廠區的控製網絡融合。第二，廠區中現有的各 種網絡或生產單位必須協同共存
，支持交互操作。第三，我們需要在整個工藝環境中實現無縫
、安全的連接

，從工藝終端一直到企業雲。

 

為了應對這些挑戰，我們需要采用支持實現互操作性、可擴展性和覆蓋範圍目標的基礎網絡技術。部署廣泛的以太網技術就是理想的解決方案。它提供高帶寬，支持快速調試
，還可以廣 泛部署在所有製造環境的IT基礎設施中。

 

圖2. 兩大領域的融合：信息技術(IT)和操作技術(OT)。

 

然而，考慮到實時操作的需要，標準以太網並不能作為工業控製基礎設施的可行解決方案。操作技術(OT)控製網絡需要確保將通信消息準時送達既定位置。以確保手頭的任務或流程操作 無誤。用於路由流量的TCP/IP協議並不能從本質上保證確定性性能達到這種水平。與標準以太網支持文件共享或訪問網絡設備（如打印機）的方式一樣，工業以太網允許控製器訪問數據，並將來自PLC的指令發送給廠區各處的傳感器、驅qu動dong器qi和he機ji器qi人ren。關guan鍵jian的de區qu別bie在zai於yu延yan遲chi或huo未wei送song達da消xiao息xi造zao成cheng的de影ying響xiang。在zai非fei實shi時shi應ying用yong中zhong
，網wang頁ye更geng新xin緩huan慢man帶dai來lai的de影ying響xiang很hen小xiao，但dan在zai製zhi造zao環huan境jing中zhong，則ze可ke能neng導dao致zhi從cong浪lang費fei材cai料liao到dao造zao成cheng意yi外wai人ren身shen傷shang害hai等deng很hen大da影ying響xiang。為wei了le使shi控kong製zhi係xi統tong正zheng常chang工gong作zuo

，消xiao息xi必bi須xu每mei次ci都dou可ke靠kao、準時地送達目標位置。

 

因此，工業以太網已成為控製級操作技術的首選技術。不僅是IT和高層級OT網絡之間，工廠OT網絡的各層級和終端節點傳感器之間都要實現無縫連接
，如圖3所示。如今，在低層級OT網絡 中實現連接需要使用複雜的高功耗網關，在更高層級的以太網中，則需要使用融合IT/OT網絡。擁有覆蓋整個廠區
，基於以太網、可互操作的自動化網絡之後，則無需再使用這些網關
，因此可以簡化網絡本身。事實上，用於轉換和支持OT網wang絡luo上shang層ceng連lian接jie的de協xie議yi網wang關guan不bu能neng直zhi接jie尋xun址zhi，並bing且qie會hui在zai網wang絡luo中zhong造zao成cheng隔ge離li。這zhe種zhong數shu據ju隔ge離li會hui限xian製zhi整zheng個ge工gong廠chang共gong享xiang信xin息xi的de能neng力li。這zhe與yu之zhi前qian描miao述shu的de工gong業ye4.0願景背道而馳，製造商原本希望從OT端收集遙測數據來驅動IT端的分析和業務流程。

 

圖3. 自動化係統金字塔。

 

由於數據包交付和時序的確定性可確保控製應用滿足強製要求，所以許多供應商開始提供適合OT網(wang)絡(luo)的(de)實(shi)時(shi)協(xie)議(yi)。這(zhe)導(dao)致(zhi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)雖(sui)然(ran)是(shi)確(que)定(ding)性(xing)的(de)，但(dan)依(yi)賴(lai)於(yu)各(ge)供(gong)應(ying)商(shang)的(de)協(xie)議(yi)。因(yin)此(ci)出(chu)現(xian)了(le)大(da)量(liang)不(bu)兼(jian)容(rong)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，每(mei)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)通(tong)信(xin)協(xie)議(yi)在(zai)不(bu)同(tong)製(zhi)造(zao)單(dan)元(yuan)內(nei)運(yun)行(xing)，且(qie)彼(bi)此(ci)之(zhi)間(jian)不(bu)能(neng)互(hu)操(cao)作(zuo)。由(you)此(ci)導(dao)致(zhi)長(chang)期(qi)存(cun)在(zai)數(shu)據(ju)隔(ge)離(li)或(huo)數(shu)據(ju)孤(gu)島(dao)問(wen)題(ti)。所(suo)以(yi)需(xu)要(yao)一(yi)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，使(shi)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)協(xie)議(yi)的(de)不(bu)同(tong)製(zhi)造(zao)部(bu)門(men)能(neng)夠(gou)共(gong)存(cun)
，且(qie)能(neng)夠(gou)在(zai)不(bu)降(jiang)低(di)控(kong)製(zhi)流(liu)量(liang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)共(gong)享(xiang)網(wang)絡(luo)。這(zhe)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)就(jiu)是(shi)時(shi)間(jian)敏(min)感(gan)型(xing)網(wang)絡(luo)(TSN)——一種基於IEEE 802.1規範
、與供應商無關的實時以太 網標準。顧名思義，TSNguanzhushijian。tajiangbiaozhunyitaiwangtongxinzhuanhuanchengweirenwuguanjianxingyingyongtigongshixubaozhengdetongxin。gaibiaozhunzhizaiquebaoxinxikeyizaigudingdekeyuceshijianneicongyigedianyidongdaolingyigedian。TSN通過 這zhe種zhong方fang式shi保bao證zheng及ji時shi交jiao付fu。為wei了le使shi通tong信xin可ke預yu測ce

，網wang絡luo上shang的de設she備bei必bi須xu使shi用yong同tong一yi個ge時shi間jian概gai念nian。該gai標biao準zhun定ding義yi了le一yi種zhong方fang法fa，可ke以yi按an照zhao計ji劃hua傳chuan輸shu特te定ding的deTSN以太網幀
，同時允許盡最大努力傳輸非TSN幀（參見圖4）。通過這種方式，TSN支zhi持chi實shi時shi和he非fei實shi時shi流liu量liang在zai同tong一yi網wang絡luo上shang共gong存cun。因yin為wei所suo有you設she備bei采cai用yong相xiang同tong的de時shi間jian，所suo以yi能neng夠gou在zai高gao達da千qian兆zhao的de速su度du下xia以yi低di延yan遲chi和he低di抖dou動dong傳chuan輸shu重zhong要yao數shu據ju。

 

圖4. 時間敏感型網絡特性。

 

其目標是構建融合網絡，其中每個協議都能采用確定性的可靠方法共享線路。TSN是shi提ti供gong所suo需xu確que定ding性xing的de標biao準zhun工gong具ju箱xiang。它ta代dai表biao向xiang可ke靠kao的de標biao準zhun化hua連lian接jie體ti係xi架jia構gou的de過guo渡du，通tong過guo專zhuan用yong現xian場chang總zong線xian消xiao除chu數shu據ju隔ge離li。這zhe種zhong網wang絡luo融rong合he反fan過guo來lai又you通tong過guo提ti高gao網wang絡luo本ben身shen的de可ke擴kuo展zhan性xing，在zai10 Mbps至1 Gbps甚至更大的帶寬範圍內推動生成更多數據。

 

可能的情況是，新設施中會全麵采用TSN，但(dan)在(zai)現(xian)有(you)工(gong)廠(chang)部(bu)分(fen)單(dan)位(wei)中(zhong)則(ze)逐(zhu)步(bu)采(cai)用(yong)。對(dui)於(yu)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)的(de)製(zhi)造(zao)商(shang)來(lai)說(shuo)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)在(zai)不(bu)久(jiu)的(de)將(jiang)來(lai)，需(xu)要(yao)同(tong)時(shi)支(zhi)持(chi)傳(chuan)統(tong)的(de)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)以(yi)及(ji)TSN。

 

擴展到過程終端

 

我們最終（也許最具影響力）的變化是能夠在過程控製應用中支持從終端節點到企業雲的無縫連接，如圖5所示。迄今為止
，與終端的連接一直受到現有4 mA至20 mA或可用現場總線技術的 xianzhi。zaixuduoshishifanganzhong，zhexiedoushiyinglianxiandedianduidianlianjie，xianzhilewangluosuishijianfazhanhekuozengdelinghuoxing。zhexiebingfeijiyuyitaiwangdexianchangtongxinmianlinjigetiaozhan。shouxian，feichangyouxiandedaikuan（例如，HART®采用4 mA至20 mA的帶寬為1.2 kbps）限製了信息流的數量和速度。其次，儀器儀表本身的功率輸入有限，限製了儀器儀表的功能。最後
，控製和IT級別的網關開銷不可持續。另外，在0區的本質安全環境內運行

，並嚐試利用現有線纜網絡來支持更快速、更低廉的調試也是一項挑戰。

 

圖5. 終端到雲的無縫連接。

 

這些都推動10BASE-T1L全雙工通信的IEEE 802.3cg-2019™標準不斷發展。這項標準最近已獲得批準，定義了通過長達1 km的單對雙絞線供電實現10 Mbps全雙工通信的相關規範。現在，數據將作為以太網數據包在傳感器中使用，並通過以太網數據包的形式在OT和IT基礎設施中傳輸。無需進行轉換（會導致延遲，消耗功率和產生成本開銷）。現有的網絡架構將發生變化（如圖5所示），遠程I/O單元將轉換為以太網現場交換機。現在通過10BASE-T1L多端口現場交換機，可以在控製器與現場儀器儀表之間進行以太網指令傳輸。在現場節點獲得的見解信息則可以作為以太網數據包（具備更高帶寬）通過現場交換網絡傳輸給PLC/DCS
，最終傳輸到雲。

 

有幾大獨特優勢，可以推動從傳統現場總線向工業以太網轉變。首先，可重複利用現有的布線基礎設施（長達1 km），從而簡化部署並降低改造成本。其次，通過電纜傳輸到儀器儀表本 身的可用功率以前限製在36 mW（采用4 mA至20 mA部署時的最佳值），目前在0區（本質安全應用）中可以達到60 W（取決於電纜）或500 mW。額外的可用功率現在可支持具備終端智能和更 多功能的儀器儀表。配合目前可用的10 Mbit上行鏈路速度，預期可以提供更多的洞察信息，從而實現工業4.0的投資回報效率。

 

目前有哪些可用技術
？

 

需要將強大的低延遲、低功耗物理層新技術與可擴展交換機架構相結合，以支持自動化網絡的發展。ADIyizhichuzaigongyeyitaiwangfazhandeqianyan
，womenliyongfengfudezidonghualingyuzhuanyezhishihexianjinjishubuduankaifaguangfandejiejuefanganchanpinzuhe，zhizaiquebaozaigongyeyingyongzhongkekaojiaofushijianguanjianxingshuju
，shixianwufenglianjiehegaoxiaoyunxing。ADI的Chronous™可擴展以太網解決方案產品組合包括物理層設備(PHY)、嵌入式交換機
，以及采用多協議軟件的完整平台解決方案。這些都經過充分測試和驗證，可加快產品上市速度。

 

圖6. ADI Chronous——行業領先的工業以太網解決方案。

 

圖7. 提供可信數據，確保網絡安全。

 

主要解決方案包括：

 

●  ADIN1200, 行業領先的10 Mbps/100 Mbps工業以太網物理層設備
，具備增強型功能集，可靠性通過驗證。

●  ADIN1300, 行業領先的低延遲、低功耗千兆物理層設備
，可 靠性通過驗證，適合嚴苛的應用環境。

●  fido5200/fido5100,

，實時嵌入式雙端口多協議交換芯片
，支持多種可用的TSN功能。新TSN功能可以通過可用的固件更新來實現。還支持多協議軟件更新，可通過ADI Chronous開發人員門戶獲取。

 

可靠性通過驗證、可擴展且完整的以太網解決方案可以簡化係統設計並縮短開發時間，ADI Chronous就是針對客戶需求專門設計的這樣一款解決方案。它是日臻完善的可擴展以太網方案。

 

為了支持這種過渡，為傳統的現場設備提供網絡連接
，ADI開發了一種稱為軟件可配置I/O的新技術(AD74413R)。這將有助於開發現場可配置遠程I/O單元，以實現傳統儀器儀表與高層級以太網網絡的融合。

 

安全性如何？

 

以太網存在安全漏洞，而安全性是影響工業4.0技術普及的關鍵問題之一。如果在OT和IT之間以及從終端到雲的整個企業範圍內創建開放的信息流，安全漏洞可能造成毀滅性影響。

 

在規劃工業4.0戰略時，安全性應該是一個基本風險管理考慮因素。但是
，在當今日益複雜的網絡中構建安全性並不容易；需要采用多層方法確保係統本身是安全的——無論是終端設備、 控製器還是網關和堆棧。ADI Chronous產品係列能夠在係統的每個節點都提供安全性
，同時最大限度地減少功耗、性能和延遲方麵的權衡。

 

部署規劃

 

雖sui然ran工gong業ye以yi太tai網wang在zai近jin些xie年nian取qu得de了le長chang足zu發fa展zhan，但dan人ren們men仍reng在zai使shi用yong現xian場chang總zong線xian和he其qi他ta傳chuan統tong網wang絡luo技ji術shu。我wo們men都dou認ren可ke基ji於yu工gong業ye以yi太tai網wang的de融rong合he網wang絡luo帶dai來lai了le諸zhu多duo好hao處chu。包bao括kuo：簡化網絡架構、通過移除網關 降低成本、消除硬連線連接、係統改進優化、增加正常運行時間等。新標準的批準實施將加速實現這種期待已久的過渡。對於更高性能連接網絡的需求，以及OT和IT係統之間更高程度的集成都在推動這一進程。TSN是加速實施融合網絡的基礎

，與10BASE-T1L結合使用可實現無縫終端-雲連接。這種遷移一蹴而就
，但其潛在的好處非常誘人
，因此其普及速度可能會超過標準行業規範。

 

工業4.0願景的核心是使用具有收集
、發送和接收信息能力的連接設備實現流程自動化。ADI Chronous為我們帶來了以前通過許多終端節點設備無法獲得的數據和洞察力，從而開辟了新 的數據分析和操作洞察領域。工業以太網連接通過將現有和未來的數據流從自動化網絡無縫傳輸至雲
，開拓出這一全新的應用領域。

 

如今
，我們無法訪問的信息和洞察數據孤島還仍然存在，但隨著工業以太網部署日益普及，工業4.0麵臨的挑戰將轉向安全性，以及如何利用這些數據來充分提升商業價值。與擁有數十 年經驗積累
、值得信賴的工業市場產品夥伴合作將是明智的選擇。ADI公司擁有深厚的領域專業知識
、技術經驗和廣泛的解決方案，可以幫助您加速向未來的智能工廠過渡。

 

作者：Fiona Treacy

 

Fiona Treacy是過程控製和自動化的戰略營銷經理
，在ADI公司專注於工業連接。在此之前，Fiona負責MeasureWare和其他精密儀器計劃的市場推廣工作。她還擔任過應用工程和測試開發方麵的職務。Fiona擁有利默裏克大學的應用物理學士學位和工商管理碩士學位。

 

 

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