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工業過渡:實現可信的工業自動化
 

【作者: Brendan O’Dowd】   2019年08月16日 星期五

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新技術的進步以及對更高效生產工藝和生產廠的期盼,正推動工業設施發生前所未有的變革。這些變革提高了自動化程度、精確度和可用資料量。


這些進步使工業4.0成為現實,為製造商帶來更大的發展前景和商機,在減少排放的同時,透提高生產力、安全性和可靠性,得以在全球經濟環境中增強競爭優勢。據估計,未來10年將帶給自動化設備製造商價值約6.5萬億美元的商機。


雖然這一商機極具吸引力,但還有不少重大障礙需要克服。例如,在傳統保守的工業領域中,新技術的採用通常進展緩慢。自動化工廠目前通常是新舊系統的混合體,相應的系統間通訊較為複雜。現有的基礎設施基本上沒辦法實現在網路邊緣安全地捕獲和傳輸資料。簡而言之,製造工廠和加工廠不會一夜之間改變。這需要一段過渡期。


為了實現和加速這一過渡,自動化供應商開始向相關技術合作夥伴和供應商們,正積極尋求著更多的系統領域專業知識和解決方案。


聯網企業所需的過渡,特別是乙太網路和安全性

工業乙太網路已廣泛應用於控制應用領域,並且隨著企業和市場向工業4.0過渡,將繼續作為首選通訊介質不斷擴大。


其中一個挑戰,是解決乙太網路的確定性問題。許多協議採用專有的第2層解決方案。然而,在嘗試提取相關資料以供企業網路較高級別使用或在不同製造節點之間協調時,這些協議會導致大量的互通性問題。新的IEEE 802.1 TSN標準旨在解決工業控制中遇到的同類問題,並承諾支援從專有解決方案向基於標準的方式過渡。


乙太網路傳統上是一個「盡力而為」的網路。為了能將乙太網路部署到關鍵任務應用中,其需要增加一些特殊功能,包括時間同步、流量調度、流量控制、無縫冗餘等其它功能。這些新興的IEEE TSN標準背後的目的是實現真正的融合網路,使網路中各種類別的流量都能無縫共存。這將使關鍵任務的即時流量可以像資料流和「盡力而為」的流量一樣,在同一網路上傳輸。這些功能使網路設計人員可確保在整個網路拓撲結構中每次都能及時交付特定類別的流量。與專有的第二層解決方案不同,這些功能旨在可擴展至千兆或更高的線路速率。


將邊緣設備連接到TSN支援的融合可信工業4.0聯網企業網路帶來許多挑戰。當前邊緣設備中的通訊技術(如現場匯流排和4mA至20mA電流環路)可以正常且可靠地工作。但是,將其資料傳送至雲端(本地或遠端)時,從工廠廠房到前端辦公室的路徑中,通常會受多層通訊的阻礙。通常需要閘道將一種格式或協議轉換為另一種格式或協定,並且資料可能會儲存在實際分析端途中的多台伺服器上。將資料從簡單感測器傳送至雲端的擁有權總成本不僅涉及資料交付所需的設備,而且涉及整個過程中為確保資料完整性所需的軟體、處理技術和人力。


雖然將乙太網路連接到諸如溫度變送器這樣的簡單設備可能看起來有點相互矛盾,但這與設備簡單與否或其產生/消耗相對較少的資料無關。這關係到如何能夠有效地從融合網路上的設備中提取資料,然後將這些資料應用於可執行的結果。例如,分散式控制系統(DCS)可能會使用來自溫度感測器的資料,以確保其部分過程運行即時控制。然而,這個特定溫度也可能會影響整個過程。透過將溫度變送器無縫連接至雲端,可以近乎即時地考慮所有過程參數來執行分析,以確保整個過程的運行。可以進行調整,以優化生產或提高能效。


ADI將解決這些挑戰視為客戶成功的關鍵,這也是促使我們投資尖端技術,將乙太網路推向邊緣的動力因素。我們稱之為低複雜度乙太網路,關鍵技術是一種將簡單工業設備(如溫度變送器)直接連接到乙太網路的驅動技術。



圖1 : 單晶片、多種乙太網路協定。
圖1 : 單晶片、多種乙太網路協定。

低複雜度乙太網路解決了當今標準2層乙太網路實施方案中的傳統尺寸、功耗和成本問題,從而降低向雲端傳送資料的擁有權總成本。


向融合工業乙太網路的過渡也需要實體層的創新,以提供與現有系統的一些固有功能相匹配的解決方案。許多廣泛部署的乙太網路實體層標準將電纜長度限制為100米,並且需要多根雙絞線電纜來實施。相比之下,工廠自動化網路的大部分現有基礎設施安裝都採用單雙絞線佈線構建,這種佈線能夠支援資料速率為31.25 kbps下長達1000米的距離。為了解決這個問題,ADI正在與IEEE贊助支援的主要工業合作夥伴協作開發新的乙太網路標準。該標準稱為10SPE,它將運行於單雙絞線電纜之上,支援距離長達1000米,資料速率為10 Mbps。採用基於標準的協作方法來解決這個問題將能協助降低應用障礙,並縮短實現整個工廠範圍的融合網路目標的時間。


除開發支援乙太網路融合的新功能以外,其他已經使用100 Mbps確定性乙太網路的應用正在尋求突破頻寬和性能極限。像機器人這樣的應用需要越來越多比過去控制精度更高的座標軸。將控制網路過渡至千兆網速有助於滿足這些要求,這也代表了工業乙太網路市場的另一個主要趨勢。


乙太網路的疾速成功經常讓乙太網路使用者苦於解決與其應用相關的安全問題。工業網路邊緣的資料和檢測需求的預期增長可能會受阻於安全風險。此外,工業控制應用中對低延遲和抖動性能的要求可能會與安全要求直接衝突。採用這些技術的用戶必須儘快解決這些應用中的性能和安全問題。


工業領域的網路安全風險日益得到重視。由於工業4.0和工業物聯網(IIoT)的興起,工業空間被定義為廣泛的分散式設備、動態資訊流和跨環境互聯以提供新功能。然而,令人並不感到驚訝的是,隨著新功能的創建,它也帶來了前所未有的新的安全威脅,而且比以往任何時候都更現實。


如果您想像一下必須安全連接至網路的設備數量,就會瞭解,為這些設備建立身份有多困難。物理的分散式共用加密金鑰很快變得不切實際,證書交換式管理轉化為物流噩夢。若要實現可信的工業4.0企業的願景,無金鑰建立身份至關重要。同樣,需要具有低固定延遲和小型化硬體和/或軟體佔用空間的羽量級加密技術來安全連接在網路邊緣高度受限的設備。有鑑於此,ADI於資源受限設備的身份驗證和安全解決方案以及羽量級區塊加密等技術領域投入鉅資,致力於解決這些重要問題。



圖2 : 我們的關鍵競爭力是實現可信的自動化。
圖2 : 我們的關鍵競爭力是實現可信的自動化。

結論

ADI 致力於為工業網路的邊緣檢測、控制、監控和強固即時通訊系統領域提供領先的解決方案。公司已經開發並積累了多個領域的專長知識,包括安全和認證、功能和本質安全以及多協定支援等,將透過強有力的合作,實現並加快向感測器到雲端的可信工業物聯網聯網企業的過渡。


(本文作者Brendan O’Dowd 為ADI公司工業自動化業務部門總經理)


參考文獻

[1] Thomas Brand.“Fido5000:一顆晶片,支援多種乙太網路協定”ADI公司,2017年11月。


[2] Meany, Tom.“功能安全和工業4.0”ADI公司,2017年3月。


[3] Meany, Tom.“積體電路的功能安全”ADI公司,2017年2月。


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