工业过渡：实现可信的工业自动化

Brendan O’Dowd

ADI公司

新技术的进步以及对更高效生产工艺和生产厂的期盼正推动工业设施发生前所未有的变革。这些变革提高了自动化程度、精确度和可用数据量。

这些进步使工业4.0成为现实，为制造商带来更大的发展前景和商机，在减少排放的同时，通过提高生产力、安全性和可靠性在全球经济环境中增强竞争优势。据估计，未来10年将带给自动化设备制造商价值约6.5万亿美元的商机。

虽然这一商机极具吸引力，但还有不少重大障碍需要克服。例如，在传统保守的工业领域，新技术的采用通常进展缓慢。自动化工厂目前通常是新旧系统的混合体，相应的系统间通信较为复杂。现有的基础设施基本上没办法实现在网络边缘安全地捕获和传输数据。简而言之，制造工厂和加工厂不会一夜之间改变。这需要一段过渡期。

为了实现和加速这一过渡，自动化供应商开始向ADI这类的技术合作伙伴和供应商寻求更多的系统领域专业知识和解决方案。

联网企业所需的过渡，特别是以太网和安全性

工业以太网已广泛应用于控制应用领域，并且随着企业和市场向工业4.0过渡，将继续作为首选通信介质不断扩大。

其中一个挑战是解决以太网的确定性问题。许多协议采用专有的第2层解决方案。然而，在尝试提取相关数据以供企业网络较高级别使用或在不同制造节点之间协调时，这些协议会导致大量的互操作性问题。新的IEEE 802.1 TSN标准旨在解决工业控制中遇到的同类问题，并承诺支持从专有解决方案向基于标准的方式过渡。

以太网传统上是一个“尽力而为”的网络。为了能将以太网部署到关键任务应用中，需要增加一些特殊功能，包括时间同步、流量调度、流量控制、无缝冗余等其它功能。这些新兴的IEEE TSN标准背后的目的是实现真正的融合网络，使网络中各种类别的流量都能无缝共存。这将使关键任务的实时流量可以像流式传输和“尽力而为”的流量一样，在同一网络上传输。这些功能使网络设计人员可确保在整个网络拓扑结构中每次都能及时交付特定类别的流量。与专有的第2层解决方案不同，这些功能旨在可扩展至千兆或更高的线路速率。

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将边缘设备连接到TSN支持的融合可信工业4.0联网企业网络带来许多挑战。当前边缘设备中的通信技术（如现场总线和4mA至20mA电流环路）可以正常且可靠地工作。但是，将其数据传送至云端（本地或远程）时，从工厂厂房到前端办公室的路径中通常会受多层通信的阻碍。通常需要网关将一种格式或协议转换为另一种格式或协议，并且数据可能会存储在实际分析端途中的多台服务器上。将数据从简单传感器传送至云端的总拥有成本不仅涉及数据交付所需的设备，而且涉及整个过程中为确保数据完整性所需的软件、处理技术和人力。

虽然将以太网连接到诸如温度变送器这样的简单设备可能看起来有点相互矛盾，但这与设备简单与否或其产生/消耗相对较少的数据无关。这关系到如何能够有效地从融合网络上的设备中提取数据，然后将这些数据应用于可执行的结果。例如，分布式控制系统（DCS）可能会使用来自温度传感器的数据，以确保其部分过程运行实时控制。然而，这个特定温度也可能会影响整个过程。通过将温度变送器无缝连接至云端，可以近乎实时地考虑所有过程参数来执行分析，以确保整个过程的运行。可以进行调整，以优化生产或提高能效。

ADI将解决这些挑战视为客户成功的关键，这也是促使我们投资尖端技术，将以太网推向边缘的动力因素。我们称之为低复杂度以太网的关键技术是一种将简单工业设备（如温度变送器）直接连接到以太网的驱动技术。

图1.单芯片、多种以太网协议。1

低复杂度以太网解决了当今标准2层以太网实施方案中的传统尺寸、功耗和成本问题，从而降低向云端传送数据的总拥有成本。

向融合工业以太网网络的过渡也需要物理层的创新，以提供与现有系统的一些固有功能相匹配的解决方案。许多广泛部署的以太网物理层标准将电缆长度限制为100米，并且需要多根双绞线电缆来实施。相比之下，工厂自动化网络的大部分现有基础设施安装都采用单双绞线布线构建，这种布线能够支持数据速率为31.25 kbps下长达1000米的距离。为了解决这个问题，ADI正在与IEEE赞助支持的主要工业合作伙伴协作开发新的以太网标准。该标准称为10SPE，它将运行于单双绞线电缆之上，支持距离长达1000米，数据速率为10 Mbps。ADI采用基于标准的协作方法来解决这个问题，协助降低应用障碍，并缩短实现整个工厂范围的融合网络目标的时间。

除开发支持以太网融合的新功能以外，其他已经使用100 Mbps确定性以太网的应用正在寻求突破带宽和性能极限。像机器人这样的应用需要越来越多比过去控制精度更高的坐标轴。将控制网络过渡至千兆网速有助于满足这些要求，这也代表了工业以太网市场的另一个主要趋势。

以太网的疾速成功经常让以太网用户苦于解决与其应用相关的安全问题。工业网络边缘的数据和检测需求的预期增长可能会受阻于安全风险。此外，工业控制应用中对低延迟和抖动性能的要求可能会与安全要求直接冲突。采用这些技术的用户必须尽快解决这些应用中的性能和安全问题。

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工业领域的网络安全风险日益得到重视。由于工业4.0和工业物联网（IIoT）的兴起，工业空间被定义为广泛的分布式设备、动态信息流和跨环境互联以提供新功能。然而，令人并不感到惊讶的是，随着新功能的创建，它也带来了前所未有的新的安全威胁，而且比以往任何时候都更现实。

如果您想象一下必须安全连接至网络的设备数量，就会了解，为这些设备建立身份有多困难。物理的分布式共享加密密钥很快变得不切实际，证书交换式管理转化为物流噩梦。若要实现可信的工业4.0企业的愿景，无密钥建立身份至关重要。同样，需要具有低固定延迟和小型化硬件和/或软件占用空间的轻量级加密技术来安全连接在网络边缘高度受限的设备。ADI在资源受限设备的身份验证和安全解决方案以及轻量级区块加密等技术领域投入巨资，以解决这些重要问题。

图2.我们的关键竞争力是实现可信的自动化。

结论

ADI公司工业自动化业务部门致力于为工业网络的边缘检测、控制、监控和鲁棒实时通信系统领域提供领先的解决方案。ADI公司已经开发并积累了多个领域的专长知识，包括安全和认证、功能和本质安全以及多协议支持等。我们将通过强有力的合作，实现并加快向传感器到云的可信工业物联网联网企业的过渡。

参考文献

Thomas Brand.“Fido5000：一颗芯片，支持多种以太网协议”ADI公司，2017年11月。

Meany， Tom.“功能安全和工业4.0”ADI公司，2017年3月。

Meany， Tom.“集成电路的功能安全”ADI公司，2017年2月。

作者简介

Brendan O’Dowd拥有30多年的工业行业经验，他曾就职于Tellabs、Apple和ADI公司。他目前担任ADI公司工业自动化业务部门总经理。