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新技術的進步以及對更高效生產工藝和生產廠的期盼正推動工業設施發生前所未有的變革。這些變革提高了自動化程度、精確度和可用數據量。

這些進步使工業4.0成為現實，為制造商帶來更大的發展前景和商機，在減少排放的同時，通過提高生產力、安全性和可靠性在全球經濟環境中增強競爭優勢。據估計，未來10年將帶給自動化設備制造商價值約6.5萬億美元的商機。

雖然這一商機極具吸引力，但還有不少重大障礙需要克服。例如，在傳統保守的工業領域，新技術的采用通常進展緩慢。自動化工廠目前通常是新舊系統的混合體，相應的系統間通信較為復雜。現有的基礎設施基本上沒辦法實現在網絡邊緣安全地捕獲和傳輸數據。簡而言之，制造工廠和加工廠不會一夜之間改變。這需要一段過渡期。

為了實現和加速這一過渡，自動化供應商開始向ADI這類的技術合作伙伴和供應商尋求更多的系統領域專業知識和解決方案。

聯網企業所需的過渡，特別是以太網和安全性

工業以太網已廣泛應用于控制應用領域，并且隨著企業和市場向工業4.0過渡，將繼續作為首選通信介質不斷擴大。

其中一個挑戰是解決以太網的確定性問題。許多協議采用專有的第2層解決方案。然而，在嘗試提取相關數據以供企業網絡較高級別使用或在不同制造節點之間協調時，這些協議會導致大量的互操作性問題。新的IEEE 802.1 TSN標準旨在解決工業控制中遇到的同類問題，并承諾支持從專有解決方案向基于標準的方式過渡。

以太網傳統上是一個“盡力而為”的網絡。為了能將以太網部署到關鍵任務應用中，需要增加一些特殊功能，包括時間同步、流量調度、流量控制、無縫冗余等其它功能。這些新興的IEEE TSN標準背后的目的是實現真正的融合網絡，使網絡中各種類別的流量都能無縫共存。這將使關鍵任務的實時流量可以像流式傳輸和“盡力而為”的流量一樣，在同一網絡上傳輸。這些功能使網絡設計人員可確保在整個網絡拓撲結構中每次都能及時交付特定類別的流量。與專有的第2層解決方案不同，這些功能旨在可擴展至千兆或更高的線路速率。

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將邊緣設備連接到TSN支持的融合可信工業4.0聯網企業網絡帶來許多挑戰。當前邊緣設備中的通信技術（如現場總線和4mA至20mA電流環路）可以正常且可靠地工作。但是，將其數據傳送至云端（本地或遠程）時，從工廠廠房到前端辦公室的路徑中通常會受多層通信的阻礙。通常需要網關將一種格式或協議轉換為另一種格式或協議，并且數據可能會存儲在實際分析端途中的多臺服務器上。將數據從簡單傳感器傳送至云端的總擁有成本不僅涉及數據交付所需的設備，而且涉及整個過程中為確保數據完整性所需的軟件、處理技術和人力。

雖然將以太網連接到諸如溫度變送器這樣的簡單設備可能看起來有點相互矛盾，但這與設備簡單與否或其產生/消耗相對較少的數據無關。這關系到如何能夠有效地從融合網絡上的設備中提取數據，然后將這些數據應用于可執行的結果。例如，分布式控制系統(DCS)可能會使用來自溫度傳感器的數據，以確保其部分過程運行實時控制。然而，這個特定溫度也可能會影響整個過程。通過將溫度變送器無縫連接至云端，可以近乎實時地考慮所有過程參數來執行分析，以確保整個過程的運行。可以進行調整，以優化生產或提高能效。

ADI將解決這些挑戰視為客戶成功的關鍵，這也是促使我們投資尖端技術，將以太網推向邊緣的動力因素。我們稱之為低復雜度以太網的關鍵技術是一種將簡單工業設備（如溫度變送器）直接連接到以太網的驅動技術。

圖1.單芯片、多種以太網協議。1

低復雜度以太網解決了當今標準2層以太網實施方案中的傳統尺寸、功耗和成本問題，從而降低向云端傳送數據的總擁有成本。

向融合工業以太網網絡的過渡也需要物理層的創新，以提供與現有系統的一些固有功能相匹配的解決方案。許多廣泛部署的以太網物理層標準將電纜長度限制為100米，并且需要多根雙絞線電纜來實施。相比之下，工廠自動化網絡的大部分現有基礎設施安裝都采用單雙絞線布線構建，這種布線能夠支持數據速率為31.25 kbps下長達1000米的距離。為了解決這個問題，ADI正在與IEEE贊助支持的主要工業合作伙伴協作開發新的以太網標準。該標準稱為10SPE，它將運行于單雙絞線電纜之上，支持距離長達1000米，數據速率為10 Mbps。ADI采用基于標準的協作方法來解決這個問題，協助降低應用障礙，并縮短實現整個工廠范圍的融合網絡目標的時間。

除開發支持以太網融合的新功能以外，其他已經使用100 Mbps確定性以太網的應用正在尋求突破帶寬和性能極限。像機器人這樣的應用需要越來越多比過去控制精度更高的坐標軸。將控制網絡過渡至千兆網速有助于滿足這些要求，這也代表了工業以太網市場的另一個主要趨勢。

以太網的疾速成功經常讓以太網用戶苦于解決與其應用相關的安全問題。工業網絡邊緣的數據和檢測需求的預期增長可能會受阻于安全風險。此外，工業控制應用中對低延遲和抖動性能的要求可能會與安全要求直接沖突。采用這些技術的用戶必須盡快解決這些應用中的性能和安全問題。

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工業領域的網絡安全風險日益得到重視。由于工業4.0和工業物聯網(IIoT)的興起，工業空間被定義為廣泛的分布式設備、動態信息流和跨環境互聯以提供新功能。然而，令人并不感到驚訝的是，隨著新功能的創建，它也帶來了前所未有的新的安全威脅，而且比以往任何時候都更現實。

如果您想象一下必須安全連接至網絡的設備數量，就會了解，為這些設備建立身份有多困難。物理的分布式共享加密密鑰很快變得不切實際，證書交換式管理轉化為物流噩夢。若要實現可信的工業4.0企業的愿景，無密鑰建立身份至關重要。同樣，需要具有低固定延遲和小型化硬件和/或軟件占用空間的輕量級加密技術來安全連接在網絡邊緣高度受限的設備。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區塊加密等技術領域投入巨資，以解決這些重要問題。

圖2.我們的關鍵競爭力是實現可信的自動化。

結論

ADI公司工業自動化業務部門致力于為工業網絡的邊緣檢測、控制、監控和魯棒實時通信系統領域提供領先的解決方案。ADI公司已經開發并積累了多個領域的專長知識，包括安全和認證、功能和本質安全以及多協議支持等。我們將通過強有力的合作，實現并加快向傳感器到云的可信工業物聯網聯網企業的過渡。

參考文獻

Thomas Brand.“Fido5000：一顆芯片，支持多種以太網協議”ADI公司，2017年11月。

Meany, Tom.“功能安全和工業4.0”ADI公司，2017年3月。

Meany, Tom.“集成電路的功能安全”ADI公司，2017年2月。

作者簡介

Brendan O’Dowd擁有30多年的工業行業經驗，他曾就職于Tellabs、Apple和ADI公司。他目前擔任ADI公司工業自動化業務部門總經理。聯系方式：brendan.cronin@analog.com。