Analog Devices 实现了工业自动化转型

过去几年中，工业设施已着手提高其制造流程的效率。利用现有技术，工业的自动化程度、精度水平和处理数据量均有所提高。所有这些都在迅速地让制造商更加接近实现工业 4.0 所能提供的好处，包括更高的安全性、可靠性和生产率，同时还能降低严苛工业制程给环境带来的影响。

尽管最终目标非常令人向往，但仍然存在需要克服的重大障碍。举例而言，工业设施传统上比较保守，通常会延缓新技术的采用。如此一来，便导致制造商会将新系统与旧系统整合在一起，而这往往又会增加系统间通信的复杂度。通常，现有基础设施在捕获和传输边缘网络数据方面存在重大困难。结果是我们不能指望工厂在一夜之间完成转型。必须有一个过渡期。Analog Devices Inc. (ADI) 的解决方案和系统性专业知识可以支持并加快完成这种过渡。

互联的企业需要转型，关键在于以太网和安全

随着企业组织和市场向工业 4.0 过渡，首选通信手段是工业以太网。然而，解决以太网的确定性问题仍然是主要挑战之一。

使用专有第 2 层解决方案是许多协议采用的一种方案。这样做的缺点是，当提取数据供企业网络的较高层级使用时，会出现严重的互配性问题或者需要协调不相关的制造节点。为了帮助缓解这个问题，业界开发了新的 IEEE 802.1 TSN（时间敏感型网络）标准。这些标准旨在支持从专有解决方案过渡到标准解决方案。

以太网一直被认为是“尽力而为”型网络，因此在关键任务型应用中，有必要增加一些特别的特性，其中包括无缝冗余、预定流量、时间同步、流量限制等。借助这些特性，网络设计人员可以确保在整个网络中传输特定类别的流量。此外，与专有第 2 层解决方案不同，整合这些特性的设计可扩展到千兆以上的线路速率。允许在“尽力而为”型网络上传输这种关键任务型实时流量并实现流式流量传输，是新兴 IEEE TSN 标准的目标。为帮助用户熟悉 TSN 标准，ADI 提供了 RAPID-TSNEK-V0001 评估套件（图 1）。该套件包含了对与开发中的 IEEE 802.1 TSN 标准相关的特性进行评估所需的一切。该套件目前支持以下 TSN 标准：

• 802.1AS、AS-REV
• 802.1Qbv
• 802.1Qci
• 802.1CB
• 802.1Qcc
• 802.1bu/802.3br

由于该标准尚在演进之中，ADI 计划在适当时候允许免费下载新特性和更新。

图 1：针对 802.1 TSN 标准的 ADI RAPID-TSNEK-V0001 评估套件。（图片来源：DigiKey）

当边缘设备连接到支持 TSN 的融合式工业 4.0 网络时，会产生许多挑战。虽然现场总线和 4 mA 至 20 mA 电流环路等边缘设备通信技术能够可靠地工作，但将数据传输到云端常常会受到阻碍，因为数据要穿过从工厂车间到管理部门的许多通信层。从一种协议转换到另一种协议常常需要网关，而且在数据传输到执行分析的位置期间，可能有多个服务器会存储数据。还有一件事需要考虑，那就是将数据从传感器传输到云端的总拥有成本不仅仅涉及数据传输所需的硬件，还包括保证数据在网络中的完整性所需的软件、处理和人力。

将以太网运用到简单边缘设备（如温度变送器）看起来可能效率不高，但这里的关键不在于设备简单或生产/使用的数据量较小，而在于经济有效地从融合网络提取设备数据，然后能够利用这些数据得到可执行的结果。例如，分布式控制系统 (DCS) 可能使用温度变送器数据来验证它正在监控的流程是否受到实时控制。另外，此特定温度可能会对整个流程产生不利影响。在这种情况下，温度变送器和云端之间的无缝连接将能支持高性能分析近乎实时地考虑所有流程参数，确保整个流程按预期执行。此外，为确保生产流程得到优化或提高能效，可根据实时分析进行动态调整。

ADI 将这些挑战视为驱使其投资新以太网技术的动力因素。为此，ADI 提供了低复杂度的以太网技术，它是将简单工业设备（例如上例中使用的温度变送器）直连到以太网的关键促成要素（图 2）。

图 2：说明 ADI 的 fido5100/fido5200 如何能与许多不同协议对接的框图。（图片来源：Analog Devices）

与当前标准第 2 层以太网方案相比，低复杂度以太网通过减小尺寸、功耗和成本来降低向云端传输数据的总拥有成本。

为了促进向融合式工业以太网网络的过渡，还需要物理层创新，以使解决方案与现有系统的一些固有功能相匹配。在许多已部署的以太网网络中，物理层标准将电缆长度限制为 100 米，需要多根双绞线电缆才能完全实现。与此相反，目前工厂安装的大多数自动化网络基础设施均采用单根双绞线电缆，其中一些可能长达 1000 米以上，且数据速率为 31.25 kbps。

为解决这个问题，ADI 和一些主要工业合作伙伴正在与 IEEE 合作开发新的以太网标准。该标准 (10SPE) 定义的以太网网络可以 10 Mbps 的数据速率在长达 1000 米的单根双绞线电缆上运行。通过这一基于标准的协作方式，ADI 正在努力支持减少适应障碍，并缩短可实现融合型厂域网络目标所需的时间。

此外，其他使用 100 Mbps 确定性以太网（Fido5100 和 5200）的应用已经在突破带宽和性能的限制。例如，随着坐标轴数量的不断增加，机器人应用需要比以往更高的控制精度。为了帮助满足这一要求，控制网络转变到千兆速度至关重要。更高的通信速度是工业以太网的另一个主要趋势。

工业网络安全

工业以太网需要解决的另一个问题是安全。随着工业网络边缘对数据和检测的预期需求上升，安全风险也将加大。此外，工业控制的低延迟和抖动要求可能与安全要求直接冲突。因此，使用这些技术的设计人员需要解决这些应用中的性能和安全问题。此类安全风险已逐渐引起越来越多的关注。

随着工业物联网 (IIoT) 和工业 4.0 的出现，工业空间被重新定义为动态信息流、广泛分布的设备和跨平台连接，从而提供新功能。然而，随着这些新功能的产生，必然也会出现新的安全威胁，这一点并不足为奇。

当人们考虑如此多的设备需要安全连接到网络时，仅仅确立边缘设备身份似乎就很成问题。使用传统方法（例如物理分布式共享加密密钥）和管理证书交换将变得不切实际，在逻辑上简直是噩梦。因此，要使可信的工业 4.0 企业成为现实，建立无密钥身份识别技术至关重要。另外，边缘设备本质上是高度受限的设备，要求硬件和软件占用空间均很小，因此需要低固定延迟的轻型加密方法。为了解决这些问题，ADI 大力投资于资源约束型设备安全技术，如轻型区块加密和身份验证。事实上，Linear Technology（现为隶属于 ADI）的 SmartMesh IP™ 技术解决了本文讨论的许多挑战。

图 3：Linear Technology/Analog Devices 的 SmartMesh IP 入门套件。（图片来源：DigiKey）

总结

作为对工业自动化市场需求的回应，Analog Devices 的工业自动化部门设计并推出了检测、监控、控制和强大实时通信系统领域的工业网络边缘设备解决方案。此外，ADI 还为边缘设备提供了其他领域的解决方案，如多协议支持、安全和身份验证、功能安全和本质安全。借助这一切，ADI 推动并加快了制造业向可信 IIoT 互联企业的转型。

参考

1. Analog Devices 的文章，“转型中的工业：实现可信的工业自动化”