工程师说 | 工业4.0中的互联挑战

导读

物联网设备的工业网络非常多样化。瑞萨电子为高性能MCU、A&P产品组合、SW平台和驱动工业4.0的工具提供全面的解决方案。

根本 佳代子

Senior Staff Marketing Specialist

在工业4.0的框架内，由于工业设备的互联和增强的计算，利益相关者有能力优化设施和提高效率。工业4.0的特点是互操作性（如IIoT）、信息透明（数字植物模型：物理世界的虚拟副本）、技术支持（网络物理系统通过执行各种任务支持操作人员的能力）、分散决策。IIoT允许连接设备，创建真实世界数据的虚拟副本，允许操作员可视化/分析流程并做出决策以自主完成任务。工业4.0集成了智能系统、机器和人员，并通过在现场设备之间交换数据来为工厂车间工人提供实时数据，从而转变制造流程。然而，在实现工业4.0的道路上，工厂车间互联面临各种挑战。

无论您是在谈论物联网还是工业4.0，连通性都是两者的重要组成部分。IIoT设备与网关、应用程序、服务器、路由器和其他IoT设备连接的能力高度依赖于网络。物联网设备只能做它们应该做的事情，因为它们能够相互通信并发送和接收数据。换句话说，IIoT支持机器对机器（M2M）通信，并使制造设施智能化和数字化。

物联网设备有多种工业网络连接解决方案。为互联应用寻找最佳解决方案的过程往往充满挑战。根据您的设备规格、部署设置和所需功能，可能还有其它变得更加重要的方面（参见图1）

图1 工业网络连接特性

图2 TCP/IP和多层网络模型与传统开放系统互连（OSI）参考模型的比较（Martinezet al，2014年）

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6826469

工业自动化或IIoT中互联网流量的指数级增长正在缩短核心网络技术的生命周期。该行业在数据和控制方面取得了飞快的进步以满足流量需求。然而，要想更好地管理设备连接和通信，仍然存在许多挑战。这源于管理多层基础设施的细分能力。当前的工业网络是多层的，具有IP路由器和其他网络节点，其中每一层都由来自不同供应商的设备组成，这些设备具有自己的（专有）网络管理系统（NMS）。在实践中，由于缺乏广泛接受的互操作性机制，这些转悠系统已经被孤立。因此，网络运维任务变得越来越复杂，功能重复、OPEX更高、多层配置协调延迟。图2显示了OSI、TCP/IP和多层网络之间的映射，其中运营商网络的分层模型代表不同的部署场景（从左到右）。智能光传输网络（OTN）是指具有高级控制平面的光子网络。然而，对于复杂楼层的网络管理落后于运营商的预期。网络管理包括监控、配置、解释、测量和控制网络及其服务所需的操作、管理、维护和供应 （OAM&P）功能。长期以来，网络管理一直是运营商的目标，以此来改善服务监控、资源管理、运营成本、网络性能、故障恢复以及控制和安全性。适当的网络管理可以创建一个安全、可靠、动态的系统，该系统可以检测影响网络性能的关键事件并做出反应。

很长一段时间以来，融合和放松管制一直在重塑网络行业。与预期相反，这些趋势并没有简化基础设施和场景，反而导致网络、服务和应用、运营商和服务提供商的爆炸式增长。这种异构性要求运营商之间的网络和应用程序具有互操作性。网络互操作性已成为运营商面临的主要挑战，以便为网络连接的关键指挥、控制和智能提供基础。网络互操作性一般是指多供应商、多运营商互联网络服务按照适用标准和要求规范在压力甚至正常条件下运行的功能互操作性。要实现端到端的连接，网络互操作性变得不可或缺。网络越多样化，就越需要确保它们可互操作以进行端到端通信。除了安全和安保方面，还有以下与资源和成本相关的问题：

开发资源和时间：为网络兼容性添加功能需要更多的精力和资金。互操作性测试和验收也需要花费更多的精力和时间。

LTM（长期维护）：网络/应用模型增加了采购成本。此外，管理接口配置还增加了复杂性和成本。

网络安全有助于保护计算机网络上的数据。成功的网络安全策略使用各种安全解决方案来保护用户和组织免受恶意软件和网络攻击。网络由计算机、服务器和无线网络组成。攻击者可以破坏这些设备中的任何一个。网络安全将软件、硬件和软件作为一种服务使用。随着网络变得越来越复杂，企业越来越依赖网络，安全性变得越来越重要。结合使用硬件和软件工具来加强网络安全（见图4）。网络安全防止对网络和网络内部的未授权访问。安全负责人员或团队需确定策略和政策，以保证组织的网络安全且符合标准与法规。所有网络用户都必须遵守这些安全规则。授权用户可以访问数据的任何网络点都可能被恶意行为者或者用户的粗心和错误所破坏。

图3 与网络连接相关的风险

图4 网络安全要素

开放系统互连（OSI）模型描述了网络中的各个层级。当信息从一个设备传输到另一个设备时，它会经过这些层，每一层都容易受到一系列独特的网络攻击。因此，网络的安全性取决于堆栈中每一层的安全性。如图5所示，开放系统互连模型的每一层都对应于ISO/IEC 7498-2中描述的网络安全的一个特定方面。

图5 开放系统互连层的ISO/IEC 7498-2安全模型

瑞萨电子在连接领域提供范围广泛的设备和解决方案，包括凭借其先进的PCI Express和串行Rapid IO开关成为串行交换市场的领导者。此外，瑞萨的双协议收发器、电压电平转换器、I2C缓冲器和RS-232/RS-485/RS-422设备支持高速数据传输和可配置选项。瑞萨电子还提供专有无线连接产品，如低功耗蓝牙（LE）、基于LoRa的解决方案和Sub-GHz无线通信解决方案。此外，瑞萨还提供完整的定时/同步解决方案和模块，帮助客户构建连接设备和系统的网络，以实现互联世界。各种安全的有线/无线网络解决方案使连接所有类型工厂中的元素和功能变得更加容易。开发安全产品需要全面的安全解决方案，瑞萨电子多样化的安全物联网组合包括独特的MCU、有价值的认证和可定制的解决方案，可指导设计工程师设计和实施安全连接的应用程序，从基本的安全概念开始，逐步发展到高级主题，例如密钥处理与云的连接，最后是大规模生产和安全固件更新。瑞萨电子通过提供基于平台的安全方法帮助嵌入式开发人员应对安全设计的挑战，该方法利用硬件和软件的最新突破通过多层安全提供深入、全面的保护。对芯片上关键资产的设备提供安全支持、对通信通道传输的数据的机密性和完整性的网络安全支持——这些只是瑞萨电子帮助其客户确保对工厂自动化设备和工业网络连接的信任的几个例子。在产品的整个生命周期中，我们的解决方案保护知识产权并允许可扩展生产。

图6 瑞萨电子安全物联网概念

工业4.0和工业物联网（IIoT）的实施需要有一个核心前提，保证不间断的实时通信。在瑞萨，我们提供各种MCU和MPU设备以及所有必要的构建模块，以开发涵盖领先工业通信协议的广泛网络解决方案，包括PROFIBUS/PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus、CC-Link等。我们的设备解决方案，如基于RA、RX MCU或RZ MPU的解决方案，附带专用的软件支持套件，使设计和工程团队能够专注于应用开发，以加快上市时间。

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