新技術(shù)的進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。

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

雖然機會很有吸引力，但仍有重大障礙需要克服。例如，在這個傳統(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)的復雜性。從網(wǎng)絡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)有基礎設施合作。簡而言之，工廠和加工廠不會在一夜之間轉(zhuǎn)型。需要一個過渡期。

為了實現(xiàn)和加速這一轉(zhuǎn)變，自動化供應商正在轉(zhuǎn)向ADI等技術(shù)合作伙伴和供應商，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)擴展。

其中一個挑戰(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，當嘗試提取相關(guān)數(shù)據(jù)以在企業(yè)網(wǎng)絡的更高級別使用或在不同制造節(jié)點之間進行協(xié)調(diào)時，這些可能會導致嚴重的互操作性問題。新的IEEE 802.1 TSN標準針對工業(yè)控制中遇到的同一類問題，并有望實現(xiàn)從專有解決方案向基于標準的方法的過渡。

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

通過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)絡帶來了許多挑戰(zhàn)。邊緣設備中的當前通信技術(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)可能存儲在多個服務器上，以到達實際進行分析的地方。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)引入如此簡單的設備（例如溫度變送器）似乎自相矛盾，但這與設備的簡單性或它產(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)濟高效地從融合網(wǎng)絡上的設備中提取數(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時運行。但是，此特定溫度也可能對整個過程產(chǎn)生影響。通過將溫度變送器無縫連接到云，可以近乎實時地考慮所有過程參數(shù)進行分析，以確保整個過程正常運行。可以進行調(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)走向邊緣的激勵因素。一項關(guān)鍵的使能技術(shù)，我們稱之為低復雜度以太網(wǎng)，是將簡單的工業(yè)設備（如溫度變送器）直接引入以太網(wǎng)網(wǎng)絡的驅(qū)動程序。

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)絡的過渡還需要在物理層進行創(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)物理層標準僅限于 100 米的電纜長度，并且需要多根雙絞線電纜才能實現(xiàn)。相比之下，工廠自動化網(wǎng)絡基礎設施的大部分現(xiàn)有安裝基礎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)標準。該標準稱為10SPE，將通過單根雙絞線電纜運行，最長可達1000米，數(shù)據(jù)速率為10 Mbps。通過采用基于標準的協(xié)作方法來解決這個問題，ADI正在幫助降低采用障礙，并縮短實現(xiàn)全廠融合網(wǎng)絡目標的時間框架。

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)的應用也在突破帶寬和性能的極限。機器人等應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用相關(guān)的安全問題。工業(yè)網(wǎng)絡邊緣對數(shù)據(jù)和傳感需求的預期增長可能會受到感知到的安全風險的阻礙。此外，工業(yè)控制應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)的用戶有責任盡早解決有關(guān)這些應用程序的性能和安全性的問題。

工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡安全風險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，它還創(chuàng)造了以前沒有想到的新安全威脅，但比以往任何時候都更加真實。

如果想象必須安全連接到網(wǎng)絡的設備數(shù)量之多，那么很明顯，建立這些設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際，證書交換的管理變成了物流的噩夢。如果要實現(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)絡邊緣的檢測、控制、監(jiān)控和魯棒實時通信系統(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。通過強有力的合作，我們將實現(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