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工业以太网实现可信工业自动化

2019年04月18日 09:17:25来源:电子说作者:电子设计关键词:工业以太网
  新技术的进步加上对更高效的制造工艺和工厂的需求,正在推动工业设施的前所未有的变革。这些变化正在提高自动化,精确度和可用数据量。
 
  这些进步带来了工业4.0的现实,为制造商提供了巨大的希望和机会,通过提高生产力在全球经济中竞争,安全性和可靠性,同时减少排放。据估计,在未来10年内,这些机会对自动化设备制造商来说意味着约6.5万美元。
 
  虽然机会很有吸引力,但还有很多障碍需要克服。例如,在传统上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系统和遗留系统的混合,系统间通信具有相关的复杂性。从网络边缘安全地捕获和传输数据仍然很难与现有基础设施无法实现。简而言之,工厂和加工厂不会在一夜之间变换。需要一段过渡期。
 
  为了实现并加速这种转变,自动化供应商正在转向ADI公司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
 
  工业以太网已广泛应用于控制应用领域,并随着组织和市场向工业4.0的转变而不断扩展,成为首选的通信媒介。
 
  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供企业网络的更高级别使用或在不同的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类问题,并承诺从专有解决方案转向支持基于标准的方法。
 
  以太网传统上是一种尽力而为的网络。要允许以太网部署在关键任务应用程序中,必须添加特定功能,包括时间同步,计划流量,入口策略,无缝冗余等。这些新兴IEEE TSN标准背后的目标是实现真正融合的网络,所有类型的流量都可以无缝共存。这将允许关键任务实时流量在与流量流量和尽力而为流量相同的网络上传输。这些功能使网络设计人员能够确保在整个网络拓扑中按时,按时交付某些类别的流量。与专有的第2层解决方案不同,这些功能可以扩展到千兆线路速率以及更高。
 
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  将边缘设备连接到由TSN支持的融合可信赖的工业4.0连接企业网络,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4mA至20mA电流回路)工作 - 并且它们可靠地工作。但是,从工厂车间到前台办公室的路径上的多层通信往往阻碍了将数据传输到云(本地或远程)。通常需要网关将一种格式或协议转换为另一种格式或协议,并且数据可以存储在多个服务器上,以实现分析的实际发生。将数据从简单传感器移动到云的总拥有成本不仅涉及数据交付所需的设备,还涉及确保数据完整性所需的软件,处理和人力。
 
  将以太网带到如此简单的设备(例如温度变送器)似乎是矛盾的,它不是关于设备的简单性或它产生或消耗的相对少量的数据。它是关于在融合网络上经济高效地从设备中提取数据的能力,然后使用该数据获得可操作的结果。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部分过程实时控制运行。但是,这个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来执行分析,以确保整个过程正在运行。可以进行调整,以便优化生产或提高能效。
 
  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发展的动力因素。一种关键的支持技术,我们称之为低复杂度以太网,是将简单工业设备(如温度变送器)直接引入以太网的驱动程序。
 
  低复杂性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,从而降低了将数据传输到云端的总体拥有成本。
 
  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限制为100米电缆长度,并且需要多条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许多现有安装基础都建立在单根双绞线上,可以以31.25 kbps的数据速率延伸超过1000米。为了解决这个问题,ADI正在IEEE的主持下与主要的工业合作伙伴合作开发新的以太网标准。该标准称为10SPE,可通过单根双绞线电缆工作,长度可达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一问题,ADI正在协助降低采用障碍,缩短实现融合的工厂范围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正在推动带宽和性能的极限。诸如机器人技术之类的应用需要越来越多的协调轴控制,其精度比以前更高。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。
 
  以太网的飞速成功往往使以太网技术用户难以解决与其应用相关的安全问题。预计的工业网络边缘数据和传感需求的增长可能会受到安全感知风险的阻碍。此外,工业控制应用中对低延迟和抖动的要求可能与安全要求直接冲突。这些技术的用户有责任尽快解决这些应用中的性能和安全问题。
 
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  工业领域的网络安全风险每天都在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,工业空间正在被广泛分布的设备,动态信息流和跨环境的连接定义,以提供新的功能。然而,毫不奇怪,除了创建新功能外,它还会产生以前未曾想到的新安全威胁,但比以往更加真实。
 
  如果想象必须安全连接到网络的设备数量很多,那么很明显,建立这些设备的身份是有问题的。物理上分布的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,无钥匙的身份建设至关重要。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设备。 ADI在资源受限设备的身份认证和安全解决方案以及轻量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公司工业自动化集团提供领先优势在工业网络边缘的传感,控制,监控和强大的实时通信系统领域的解决方案。 ADI在安全和认证,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,我们将实现并加速向信任的IIoT连接企业从传感器到云的过渡。
 
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