工业 4.0 的下一步是什么？

作者：瑞萨电子美国公司工业自动化产品营销经理 Garrett Yamasaki

提高工厂车间互连设备的网络连接性、机器生产力和安全性的广泛推动迫使硬件公司适应工业物联网 (IIoT) 的日益发展，即工业 4.0。

从理论上讲，工业 4.0 的最终目标是使网络完全互操作、完全安全、云连接并能够实时通信。然而，这些目标在短期内对工业 4.0 提出了一些重大的技术挑战。

工业 4.0 设计人员将如何解决 IIoT 网关的互操作性、安全性和不断增长的趋势？

实时和确定性网络的互操作性

图 1：工厂车间的各个时域。

在工厂的运营技术 (OT) 层内，实时连接设备的数量正在迅速扩大，以满足不断变化的市场需求。EtherNET/IP、EtherCAT 和 PROFINET 等工业以太网协议为工业 4.0 中的自动化技术提供实时控制和确定性延迟，使工厂能够减少整体延迟延迟。但是，考虑到网络的两端都需要互操作，在不断变化的市场中，您选择哪种协议？

主要挑战是创建能够处理多种工业以太网协议的异构解决方案。使用多协议处理器有助于缓解此问题，但显然需要融合专有工业以太网协议以支持设备之间的互操作性。

时间敏感网络 (TSN) 是一种相对较新的 IEEE 802.1Q 标准化技术，可实现更高级别的连接和优化。TSN 采用标准化以太网并添加了包括独特时间同步和确定性网络通信等功能的功能。这允许工业自动化设备利用传统以太网来满足定时和控制需求。

由于 TSN 运行在 OSI 模型的数据链路层，所有其他工业协议，如 EtherNET/IP、EtherCAT 和 PROFINET，都可以在 TSN 之上的 OSI 模型的上层实现。这种不同协议在一个网络中共存是TSN的一大优势。最终，TSN 的目标是使客户能够在单个标准化网络上整合多种协议。TSN 的未来看起来很有希望。

硬件安全

图 2：安全硬件图片。

工业 4.0 的一个主要挑战是设备无法免受网络攻击。从硬件的角度来看，存在三个主要的安全威胁。首先，网络攻击的威胁可能会破坏整个网络系统。其次，由于未经授权的访问或对扩展的云连接的篡改，拒绝服务攻击可以通过使网络不可用来破坏网络。第三，供应链威胁来自损坏或伪造的部件，其中可能包含不同类型的恶意软件。

国际电工委员会 (IEC) 提供安全标准化来解决和缓解工业 4.0 的安全漏洞。工业自动化设备安全认证属于 IEC62443-4。

从硬件的角度来看，保护操作的起点是极其重要的：嵌入在 IIoT 端点中的微处理器。保护操作起点的硬件安全称为硬件信任根。硬件信任根有两个主要方面 - 保护特定区域并使用防篡改技术加强它。

创建安全区域涉及加密引擎和高度安全的密钥，而防篡改技术需要异常检测（电路电压、电流、频率等）和不同类型的安全电路技术。好处是信任根显着降低了攻击风险并验证了系统完整性。

硬件的最新安全趋势包括安全启动功能和安全生命周期管理功能的实施。安全启动通过预先检查程序是否被篡改来防止未经授权的程序执行。执行存储在内置闪存或外部存储器中的程序时，安全启动会在实际启动过程之前检查代码是否通过您信任的安全凭证进行身份验证。最终，这可以防止另一方将另一个操作系统或引导加载程序加载到设备上。

安全生命周期管理在工业自动化设备生命周期的所有阶段——设计、制造、工厂生产线运行和处置——实现稳健和先进的安全管理。安全生命周期管理的示例是每个阶段的调试器连接许可功能和处置时的程序删除和密钥撤销功能。这些显着有助于在生命周期的所有阶段防止假冒产品。

智能端点

图 3：IIoT 网关的工业 4.0 用例。

工业 4.0 的另一个增长趋势是使用实时 IIoT 网关创建智能端点节点。这些智能端点节点在芯片上嵌入了 IIoT 网关，因此公司可以将其数据从 OT 层聚合到信息技术 (IT) 层，以便通过云分析等应用程序处理数据。端点处的嵌入式物联网网关具有巨大的优势，例如访问实时数据、片上和云端分析、主动命令和控制以及创建安全端点。

由于工业工厂系统在工厂车间的每一层都有不同的时域，因此最好使用的微处理器是那些具有桥接 IT 层的应用网络和访问 OT 层的实时网络的微处理器。拥有应用程序核心可让您通过 OPC UA 或 MQTT 等较新的协议连接到云，而实时网络核心可让您处理确定性的工业以太网协议。Renesas RZ/N 就是这样一种具有这两种功能的微处理器。

图 4：使用实时网关解决方案构建 IIoT 用例。

随着工业自动化设备变得更加互联并需要实时数据，工业 4.0 带来了许多不同的技术挑战。未来的主要挑战将是设计可互操作的工业网络，如 TSN；提高硬件安全性以防止网络攻击；并创建可以充当 IIoT 网关的更智能的端点设备。

审核编辑 黄昊宇