转型中的行业：实现可信的工业自动化

新技术的进步以及对更高效的制造工艺和工厂的渴望正在推动工业设施发生前所未有的变化。这些变化提高了可用数据的自动化程度、精度和数量。

这些进步带来了工业4.0的现实，并为制造商提供了巨大的希望和机会，通过提高生产力，安全性和可靠性，同时减少排放，在全球经济中竞争。据估计，在未来10年，这些机会对自动化设备制造商来说约为6.5万亿美元。

虽然机会很有吸引力，但仍有重大障碍需要克服。例如，在这个传统保守的行业中采用新技术可能会很慢。如今的自动化工厂通常是新旧系统的混合体，在系统间通信中具有相关的复杂性。从网络边缘安全地捕获和通信数据在很大程度上仍然无法与现有基础设施合作。简而言之，工厂和加工厂不会在一夜之间转型。需要一个过渡期。

为了实现和加速这一转变，自动化供应商正在转向ADI等技术合作伙伴和供应商，以提供更多的系统领域专业知识和解决方案。

互联企业所需的过渡，特别是以太网和安全性

工业以太网已经广泛用于控制应用，并且随着组织和市场向工业4.0过渡，作为首选通信媒介继续扩展。

其中一个挑战是解决以太网上的确定性问题。许多协议使用专有的第 2 层解决方案。但是，当尝试提取相关数据以在企业网络的更高级别使用或在不同制造节点之间进行协调时，这些可能会导致严重的互操作性问题。新的IEEE 802.1 TSN标准针对工业控制中遇到的同一类问题，并有望实现从专有解决方案向基于标准的方法的过渡。

以太网传统上是尽力而为的网络。为了允许在任务关键型应用中部署以太网，有必要添加特定功能，包括时间同步、计划流量、入口监管、无缝冗余等。这些新兴的IEEE TSN标准背后的目标是实现一个真正的融合网络，其中所有类别的流量都可以无缝共存。这将允许任务关键型实时流量与流流量和尽力而为流量在同一网络上传输。这些功能使网络设计人员能够确保在整个网络拓扑中每次都能按时交付某些类别的流量。与专有的第 2 层解决方案不同，这些功能旨在可扩展到千兆位线速及更高。

通过TSN将边缘设备连接到融合的可信工业4.0互联企业网络带来了许多挑战。边缘设备中的当前通信技术（例如，现场总线和 4 mA 至 20 mA 电流环路）可以正常工作，并且它们工作可靠。然而，将数据传输到云端（本地或远程）通常会受到从工厂车间到前台的多层通信的阻碍。通常需要网关从一种格式或协议转换为另一种格式或协议，并且数据可能存储在多个服务器上，以到达实际进行分析的地方。将数据从简单的传感器移动到云的总拥有成本不仅涉及数据传输所需的设备，还涉及确保数据完整性所需的软件、处理和人力。

虽然将以太网引入如此简单的设备（例如温度变送器）似乎自相矛盾，但这与设备的简单性或它产生或消耗的相对少量的数据无关。这是关于经济高效地从融合网络上的设备中提取数据的能力，然后将这些数据用于可操作的结果。例如，分布式控制系统 （DCS） 可能使用来自温度变送器的数据来确保其过程部分实时运行。但是，此特定温度也可能对整个过程产生影响。通过将温度变送器无缝连接到云，可以近乎实时地考虑所有过程参数进行分析，以确保整个过程正常运行。可以进行调整，以便优化生产或提高能源效率。

ADI将这些挑战视为客户成功的关键，也是我们投资尖端技术以推动以太网走向边缘的激励因素。一项关键的使能技术，我们称之为低复杂度以太网，是将简单的工业设备（如温度变送器）直接引入以太网网络的驱动程序。

低复杂度以太网解决了当今标准第 2 层以太网实施的传统尺寸、功耗和成本问题，以降低将数据传输到云的总拥有成本。

向融合工业以太网网络的过渡还需要在物理层进行创新，以提供与现有系统的某些固有功能相匹配的解决方案。许多部署最广泛的以太网物理层标准仅限于 100 米的电缆长度，并且需要多根双绞线电缆才能实现。相比之下，工厂自动化网络基础设施的大部分现有安装基础都建立在单根双绞线电缆上，该电缆的长度可以以31.25 kbps的数据速率延伸超过1000米。为了帮助解决这个问题，ADI正在IEEE的支持下与主要工业合作伙伴合作开发新的以太网标准。该标准称为10SPE，将通过单根双绞线电缆运行，最长可达1000米，数据速率为10 Mbps。通过采用基于标准的协作方法来解决这个问题，ADI正在帮助降低采用障碍，并缩短实现全厂融合网络目标的时间框架。

除了开发支持以太网融合的新功能外，其他已经使用 100 Mbps 确定性以太网的应用也在突破带宽和性能的极限。机器人等应用需要越来越多的协调轴，其控制精度比以前更高。将控制网络转换为千兆位速度有助于满足这些要求，并代表了工业以太网市场的另一个主要趋势。

以太网的迅速成功往往使以太网技术的用户难以解决与其应用相关的安全问题。工业网络边缘对数据和传感需求的预期增长可能会受到感知到的安全风险的阻碍。此外，工业控制应用中对低延迟和抖动的要求可能与安全性要求直接冲突。这些技术的用户有责任尽早解决有关这些应用程序的性能和安全性的问题。

工业领域的网络安全风险每天都受到越来越多的关注。由于工业 4.0 和工业物联网 （IIoT） 的出现，工业空间正在由广泛分布的设备、动态信息流和跨环境连接来定义，以提供新功能。然而，毫不奇怪，在创造新功能的同时，它还创造了以前没有想到的新安全威胁，但比以往任何时候都更加真实。

如果想象必须安全连接到网络的设备数量之多，那么很明显，建立这些设备的身份是有问题的。物理分布式共享加密密钥很快变得不切实际，证书交换的管理变成了物流的噩梦。如果要实现值得信赖的工业4.0企业的愿景，无钥匙身份的建立至关重要。同样，需要具有低固定延迟和小硬件和/或软件占用空间的轻量级加密技术来安全地连接网络边缘的高度受限的设备。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块加密等技术上投入了大量资金，以解决这些重要问题。

结论

ADI公司的工业自动化事业部在工业网络边缘的检测、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在安全性和身份验证、功能和本质安全以及多协议支持等领域开发并获得了专业知识。通过强有力的合作，我们将实现并加速从传感器到云向值得信赖的IIoT互联企业的过渡。

审核编辑：郭婷