通过工业以太网连接加速向工业4.0的过渡

由于我们的制造和加工设施的数字化，第四次工业革命正在改变我们创造产品的方式。几十年来，我们已经看到了自动化的好处，现在正在通过增强的数据、机器学习和人工智能来推动这些系统。如今，自主系统正变得越来越互联，并且正在通信、分析和解释数据，以便在工厂的其他区域实现辅助智能决策和行动。智能工厂计划通过提高产量、资产利用率和整体生产力来创造新的业务价值。他们正在利用新的数据流来实现灵活性和改进质量，同时减少能源消耗和残余浪费。越来越多的边缘到云连接的智能系统通过适应大规模定制，使制造环境变得更加高效。

工业4.0的好处在于利用更多的数据来做出更好的决策。在整个自动化系统中及时访问数据以及交付数据取决于连接网络。网络技术必须不断发展以处理增加的数据量，制造商的流程和方法也必须如此。智能、互联的自动化环境需要数字连接的系统、机器、机器人等，创建和共享信息。这些机器的通信方式和它们使用的工厂通信网络是企业的核心，也是我们工业4.0雄心壮志的推动者。

现有的基础设施无法实现工厂车间中每个传感器和执行器的无缝连接，即使是偏远地区的传感器和执行器。如果未来是数据及其在企业层面的组合以提供可操作的见解，那么挑战就变成了找到一种方法，使这些前所未有的数据量流动，而不会削弱旨在传输数据的通信网络。这就提出了一个问题，即如何构建、构建和部署一个工业通信网络，以满足当今自动化环境和未来虚拟工厂车间的需求。

为什么选择工业以太网？

随着连接成为工业4.0愿景的核心，必须三件事成为现实，才能实现真正的互联企业。首先，更高级别的信息技术（IT）或企业基础设施必须与工厂车间控制网络融合。其次，工厂车间目前存在的各种网络或制造单元必须全部共存和互操作。第三，我们需要跨流程环境的无缝、安全连接，从流程边缘到企业云。

为了应对这些挑战，我们需要采用一种基础网络技术，以支持互操作性、可扩展性和覆盖范围的目标。以太网成为理想的解决方案，是一种易于理解的技术，具有广泛的部署。它提供高带宽并实现快速调试，还广泛部署在所有制造环境的 IT 基础架构中。

然而，鉴于对实时操作的需求，标准以太网并不是工业控制基础设施的可行解决方案。运营技术 （OT） 控制网络需要确保所传达的消息按时传递到需要的地方。这确保了手头任务或流程的正确操作。用于路由流量的 TCP/IP 协议本身并不能保证此级别的确定性性能。与标准以太网支持文件共享或访问打印机等网络设备的方式相同，工业以太网允许控制器访问数据并将指令命令从PLC发送到分散在工厂车间的传感器、执行器和机器人。主要区别在于延迟或未传递邮件的影响。在非实时应用程序中，如果网页更新缓慢，则影响很小，而在制造环境中，影响可能很大，从浪费材料到意外的人为伤害。为了使控制系统正常工作，消息必须每次都能可靠地、准时地到达目的地。

因此，工业以太网已成为操作技术控制层面的首选技术。其目标是不仅在IT和高级OT网络之间实现无缝连接，而且通过工厂OT网络的各个层到终端节点传感器，如图3所示。如今，需要复杂、耗电的网关来实现从 OT 网络较低级别的连接到需要融合 IT/OT 网络的较高层以太网的连接。拥有基于以太网的全厂可互操作自动化网络将消除对这些网关的需求，从而简化网络本身。事实上，用于转换和启用与OT网络上层连接的协议网关不能直接寻址，并导致网络中的隔离。这种数据隔离限制了在整个工厂车间共享信息的能力。这与前面概述的工业4.0愿景背道而驰，制造商希望从OT端收集遥测数据，以推动IT端的分析和业务流程。

由于数据包交付和定时方面的确定性保证了控制应用的强制性要求，许多供应商努力提供适用于OT网络的实时协议。这导致了解决方案虽然具有确定性，但特定于每个供应商的协议。这反过来又导致了许多不兼容的解决方案，不同类型的通信协议在不同的制造单元中运行，每个单元都无法互操作。这会使数据隔离或数据孤岛永久化。需要一种解决方案，使运行不同协议的不同制造单元能够共存并共享网络，以确保其控制流量不会受到损害。答案在于时间敏感网络（TSN），这是一种基于IEEE 802.1规范的供应商中立的实时以太网标准。顾名思义，TSN专注于时间。该标准将标准以太网通信转换为为任务关键型应用提供定时保证的通信。它旨在确保信息可以在固定且可预测的时间内从一个点移动到另一个点。通过这种方式，TSN提供了及时交付的保证。为了使通信可预测，网络上的设备必须具有共享的时间概念。该标准定义了按计划传输某些TSN以太网帧的方法，同时允许尽最大努力传输非TSN帧（见图4）。通过这种方式，TSN可以在同一网络上共存实时和非实时流量。由于所有设备共享同一时间，因此可以以高达千兆位的速度以低延迟和抖动传输重要数据。

目标是建立一个融合网络，其中每个协议都可以以确定性和可靠的方法共享线路。TSN是提供所需确定性的标准工具箱。它代表了向可靠和标准化连接架构的过渡，消除了通过专有现场总线进行的数据隔离。这种网络融合将反过来通过网络本身的可扩展性提高来推动更多数据的产生，带宽范围从10 Mbps到1 Gbps甚至更高。

可能的情况是，TSN将在整个新装置中采用，但在现有设施内的单元或分段中逐步采用。对于现场设备制造商来说，这意味着在可预见的未来，必须支持经典的工业以太网解决方案以及TSN。

扩展到进程边缘

我们最后也可能是最具影响力的变化是能够在过程控制应用程序中实现从边缘节点到企业云的无缝连接，如图 5 所示。迄今为止，与边缘的连接一直受到现有4 mA至20 mA或现场总线技术的限制。在许多实现中，这些是硬连线的点对点连接，限制了网络随时间发展和增长的灵活性。这些非基于以太网的现场通信遇到了一些挑战。首先，带宽非常有限（例如，4 mA至20 mA的HART®为1.2 kbps），限制了信息流的数量和速度。其次，向仪器本身输送的功率有限，这限制了仪器的功能。最后，存在于控制和 IT 级别的网关是不可持续的开销。还有一个挑战是在 0 区的本质安全环境中运行，并试图利用现有的布线网络来支持更快、更便宜的调试。

这些挑战要求为10BASE-T1L全双工通信开发IEEE 802.3cg-2019™标准。该标准最近已获得批准，并规定了 10 Mbps 全双工通信，通过长达 1 km 的单根双绞线电缆供电。现在，数据将以以太网数据包的形式在传感器中开始运行，并以以太网数据包的形式遍历OT和IT基础设施。不需要转换（这会造成延迟、消耗电力并产生成本开销）。如图5所示，随着远程I/O单元过渡到以太网现场交换机，现有的网络架构将发生变化。以太网指令现在可以通过 10BASE-T1L 多端口现场交换机从控制器与现场仪表进行通信。在现场节点生成的洞察现在可以通过以太网数据包（具有更高的带宽）通过现场交换机网络传输到PLC/DCS控制器，并最终传输到云。

有几个明显的优势将有助于推动从传统现场总线到工业以太网的过渡。首先，重复使用现有布线基础设施（长达 1 公里）的潜力简化了部署并降低了改造成本。其次，通过电缆输送到仪器本身的可用功率以前限制在 36 mW（最佳情况，部署为 4 mA 至 20 mA），现在高达 60 W（取决于电缆）或在 0 区本质安全应用中为 500 mW。额外的可用功率现在将使具有终端节点智能的更高功能仪器成为可能。这与现在可用的10 Mbit上行链路速度相结合，将提供预期的更多见解，以利用工业4.0承诺的效率。

今天有什么可用？

需要新的稳健、低延迟、低功耗物理层技术与可扩展的交换机结构相结合，以支持我们自动化网络的发展。作为工业以太网的最前沿，ADI利用其丰富的自动化领域专业知识和先进技术开发了深入的解决方案组合，旨在确保在整个工业应用中可靠地传输时间关键型数据，确保无缝连接和运营效率。ADI Chronous™可扩展以太网解决方案产品组合包括物理层器件（PHY）、嵌入式交换机和采用多协议软件的完整平台解决方案。这些产品经过全面测试和验证，可快速上市。

该产品组合中值得注意的解决方案包括：

ADIN1200是业界领先的10 Mbps/100 Mbps工业以太网PHY，具有增强的功能集和经过验证的鲁棒性。

ADIN1300是业界延迟最低、功耗最低的千兆PHY，为恶劣环境提供经过验证的鲁棒性。

fido5200/fido5100是一款实时嵌入式双端口多协议交换机，支持许多可用的TSN功能。新的TSN功能可以通过固件更新来实现。多协议软件更新也受支持，可通过ADI Chronous开发人员门户获得。

ADI Chronous解决方案专为我们的客户而设计，具有经过验证的稳健、可扩展且完整的以太网解决方案，可简化系统设计并缩短开发时间。它是可扩展的以太网，时间完美。

为了支持过渡并为传统现场设备提供网络桥接，ADI开发了一种称为软件可配置I/O（AD74413R）的新技术。这将支持开发现场可配置的远程I/O单元，以弥合传统仪器和更高级别的以太网网络之间的差距。

安全性如何？

以太网存在漏洞，安全性是影响工业4.0采用率的最关键问题之一。通过在整个企业中在OT和IT之间以及从边缘到云之间创建开放的信息流，安全漏洞的潜在影响可能是毁灭性的。

在规划工业4.0战略时，安全性应该是基本的风险管理考虑因素。在当今日益复杂的网络中构建安全性绝非易事;它需要一种多层方法，使其固有于整个系统——在边缘设备、控制器、网关以及堆栈的上游。ADI的Chronous产品组合可在系统中的每个节点提供安全性，同时最大限度地减少功耗、性能和延迟方面的权衡。

部署路线图

虽然工业以太网近年来有了可观的增长，但现场总线和其他传统网络技术仍在部署中。我们都同意基于工业以太网的融合网络带来的优势。其中包括简化的网络架构、通过移除网关降低成本、消除硬连线连接、改进系统优化、增加正常运行时间等。新标准的出现及其即将获得批准是加速这一期待已久的过渡所需的催化剂。这是一个转变，由对更高性能连接网络的需求以及OT和IT系统之间的集成度增强而坚定地推动。TSN是提供融合网络的工具，当与10BASE-T1L结合使用时，将实现无缝的边缘到云连接。迁移不会在一夜之间发生，但潜在的好处是如此引人注目，以至于采用速度可能会超过标准的行业标准。

工业 4.0 愿景的核心是能够使用具有收集、发送和接收信息能力的连接设备实现流程自动化。ADI Chronous正在解锁以前无法从许多边缘节点设备获得的数据和见解，从而唤醒数据分析和操作洞察的新领域。工业以太网连接将通过将当前和未来的数据流通过自动化网络无缝传输到云来唤醒这一现实。

审核编辑：郭婷