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guan键词:工ye以太网连接技术 工ye4.0

时间:2020-05-22 11:19:26       来yuan:网络

作者:ADI公司  Fiona Treacy 

第四次工ye革命zheng在改变我们制造产品de穓iao剑庖猤uigong于制造和加工she备de数字hua。过qu几十年,我们yi经见zheng了zi动hua技术带来de好处,现在随着数据处理、jiqixuexi和ren工智能de 进步,进一步促进了zi动hua系tongde发展。如今,zi动hua系tongde互联水平日益tigao,可以实现数据通信、分析和解译,bing在工chang区yu实现fu助智能决策和操作。智能工changji划ze通过tigao产量、zi产利用率和整体生产力来创造新deshangye价值。它们利用新数据流来实现灵huo性和优hua质量,同时降低能耗bing减少废物残留。此外,yun端连接智能系tong通过支持大规模ding制,使制造环境geng加gao效。

工ye4.0de优势就shi能gou充分利用bu秞ian黾觗e数据zuo出geng好de决策。在整个zi动hua系tongzhong,能否及时获取和chuanshu数据取决于连接网络。wei应dui日益增长de数据量,网络技术以及制造工艺流 程和方法du必xubu断改进。智能、互联dezi动hua环境需要数字连接系tong、jiqi、jiqiren等,襶uan唇ê蚲ongxiang信息。这些jiqi采用de通信穓iao揭约安渴餯e工chang通信网络shi企yede核心,也shi推动实现工ye4.0deguan键。



图1. yun基chushe施。

整个chang区de所you(甚至远程位zhi)chuan感qi和驱动qidu需要wufeng连接,但使用现youde基chushe施wu法实现。如果未来需要通过企yeceng级de数据来tigong可行de见解,我们mian临de挑战就shi誽e揭 种方法,使这些前所蝐ong衐e海量数据能gou在bu破坏通信网络de情况下chuanshu。这就ti出了一个wen题:如hesheji、构建和部署能gou满足当今zi动hua环境和未来虚ni工chang需求de工ye通信网络。

weihe选择工ye以太网?

you于互联shi实现工ye4.0愿景de核心,因此企ye要zhenzheng实现互联,必xu满足三个条件。第一,genggao水平de信息技术(IT)或企ye基chushe施必xu与chang区de控制网络融合。第二,chang区zhong现youde各 种网络或生产单位必xu协同gong存,支持絟uanゲ僮鳌5谌颐切枰谡龉ひ栈肪硓hong实现wufeng、安全de连接,cong工艺终端一直到企yeyun。

wei了应dui这些挑战,我们需要采用支持实现互操作性、可扩展性和覆盖范围目biaode基chu网络技术。部署广泛de以太网技术就shi理想de解决方案。它tigonggao带宽,支持快速调试,还可以广 泛部署在所you制造环境deIT基chushe施zhong。



图2. 两大领yude融合:信息技术(IT)和操作技术(OT)。

ran而,考虑礿iao凳辈僮鱠e需要,biao准以太网bingbu能作wei工ye控制基chushe施de可行解决方案。操作技术(OT)控制网络需要que保将通信消息准时送达既ding位zhi。以que保手头de任务或流程操作 wu误。用于路you流量deTCP/IP协yibingbu能cong本质上保zhengqueding性性能达到这种水平。与biao准以太网支持wen件gongxiang或访wen网络she备(如打印ji)de穓iao揭谎e以太网允许控制qi访wen数据,bing将来ziPLCde指令发送给chang区各处dechuan感qi、驱动qi和jiqiren。guan键de区别在于延迟或未送达消息造成deying响。在fei实时应用zhong,网页geng新缓慢带来deying响很小,但在制造环境zhong,ze可能导zhicong浪fei材料到造成意外ren身shang害等很大ying响。wei了使控制系tongzheng常工作,消息必xu胟an蝑u可kao、准时地送达目biao位zhi。

因此,工ye以太网yi成wei控制级操作技术de首选技术。bu仅shiIT和gaoceng级OT网络zhi间,工changOT网络de各ceng级和终端jie点chuan感qizhi间du要实现wufeng连接,如图3所示。如今,在低ceng级OT网络 zhong实现连統ou枰褂酶丛觗egaogong耗网guan,在genggaoceng级de以太网zhong,ze需要使用融合IT/OT网络。yongyou覆盖整个chang区,基于以太网、可互操作dezi动hua网络zhi后,zewu需再使用这些网guan,因此可以简hua网络本身。事实上,用于zhuanhuan和支持OT网络上ceng连接de协yi网guanbu能直接寻址,bing且会在网络zhong造成隔离。这种数据隔离会xian謕u龉hanggongxiang信息de能力。这与zhi前描述de工ye4.0愿景眂he蓝郏圃靤hang原本希wangcongOT端收集遥测数据来驱动IT端de分析和ye务流程。



图3. zi动hua系tong金字塔。

you于数据包交付和时xudequeding性可que保控制应用满足强制要求,所以许多gong应shang开shitigong适合OT网络de实时协yi。这导zhi解决方案虽ranshiqueding性de,但依lai于各gong应shangde协yi。因此出现了大量bu兼容de解决方案,每种解决方案采用bu同类型de通信协yi在bu同制造单元内运行,且彼此zhi间bu能互操作。you此导謑uて诖嬖谑莞衾牖蚴莨碌he侍狻K孕枰恢纸饩龇桨福gong捎胋u同协yidebu同制造部门能gougong存,且能gou在bu降低控制流量de情况下gongxiang网络。这种解决方案就shi时间敏感型网络(TSN)——一种基于IEEE 802.1规范、与gong应shangwuguande实时以太 网biao准。顾mingsiyi,TSNguan注时间。它将biao准以太网通信zhuanhuan成wei任务guan键型应用tigong时xu保zhengde通信。该biao准zhi在que保信息可以在固dingde可预测时间内cong一个点移动到另一个点。TSN通过 这种穓iao奖heng及时交付。wei了使通信可预测,网络上deshe备必xu使用同一个时间概念。该biao准dingyi了一种方法,可以an照ji划chuanshutedingdeTSN以太网帧,同时允许尽最大努力chuanshufeiTSN帧(参见图4)。通过这种穓iao剑琓SN支持实时和fei实时流量在同一网络上gong存。因wei所youshe备采用相同de时间,所以能gou在gao达千兆de速秗en乱缘脱映俸偷投抖痗huanshu重要数据。



图4. 时间敏感型网络te性。

qi目biaoshi构建融合网络,qizhong每个协yidu能采用queding性de可kao方法gongxiangxian路。TSNshitigong所需queding性debiao准工juxiang。它代表向可kaodebiao准hua连接体系架构de过渡,通过专用现场总xian消除数据隔离。这种网络融合fan过纁ong滞ü齮igao网络本身de可扩展性,在10 Mbps至1 Gbps甚至geng大de带宽范围内推动生成geng多数据。

可能de情况shi,新she施zhong会全mian采用TSN,但在现you工chang部分单位zhongze逐步采用。dui于现场she备de制造shang来薲an庖馕蹲旁赽u久de将来,需要同时支持chuantongde工ye以太网解决方案以及TSN。

扩展到过硉ao斩

我们最终(也许最juying响力)de变huashi能gou在过程控制应用zhong支持cong终端jie点到企yeyundewufeng连接,如图5所示。迄今wei止,与终端de连接一直受到现you4 mA至20 mA或可用现场总xian技术de xian制。在许多实施方案zhong,这些dushi硬连xiande点dui点连接,xian制了网络随时间发展和扩增de灵huo性。这些bingfei基于以太网de现场通信mian临几个挑战。首xian,fei常youxiande带宽(例如,HART®采用4 mA至20 mAde带宽wei1.2 kbps)xian制了信息流de数量和速度。qi次,yiqiyi表本身degong率shu入youxian,xian制了yiqiyi表degong能。最后,控制和IT级别de网guan开销bu可硓hongA硗猓0区de本质安全环境内运行,bing尝试利用现youxian缆网络来支持geng快速、geng低liande调试也shi一xiang挑战。



图5. 终端到yundewufeng连接。

这些du推动10BASE-T1L全shuang工通信deIEEE 802.3cg-2019biao准bu断发展。这xiangbiao准最近yi获得批准,dingyi了通过长达1 kmde单duishuangjiaoxiangong电实现10 Mbps全shuang工通信de相guan规范。现在,数据将作wei以太网数据包在chuan感qizhong使用,bing通过以太网数据包de衱en皆贠T和IT基chushe施zhongchuanshu。wu需进行zhuanhuan(会导zhi延迟,消耗gong率和产生成本开销)。现youde网络架构将发生变hua(如图5所示),远程I/O单元将zhuanhuanwei以太网现场絟uan籮i。现在通过10BASE-T1L多端口现场絟uan籮i,可以在控制qi与现场yiqiyi表zhi间进行以太网指令chuanshu。在现场jie点获得de见解信息ze可以作wei以太网数据包(ju备genggao带宽)通过现场絟uan煌鏲huanshu给PLC/DCS,最终chuanshu到yun。

you几大dute优势,可以推动congchuantong现场总xian向工ye以太网zhuan变。首xian,可重复利用现youde布xian基chushe施(长达1 km),cong而简hua部署bing降低竛ao斐杀尽i次,通过电缆chuanshu到yiqiyi表本 身de可用gong率以前xian制在36 mW(采用4 mA至20 mA部署时de最佳謉an壳霸0区(本质安全应用)zhong可襶uan锏60 W(取决于电缆)或500 mW。额外de可用gong率现在可支持ju备终端智能和geng 多gong能deyiqiyi表。配合目前可用de10 Mbit上行链路速度,预期可以tigonggeng多de洞察信息,cong而实现工ye4.0de投zihui报效率。

目前you哪些可用技术?

需要将莐an骴e低延迟、低gong耗物理ceng衛u际跤肟衫┱菇huan籮i架构相结合,以支持zi动hua网络de发展。ADI一直处在工ye以太网发展de前yan,我们利用丰富dezi动hua领yu专ye知识和xian进技术bu断开发广泛de解决方案产品组合,zhi在que保在工ye应用zhong可kao交付时间guan键型数据,实现wufeng连接和gao效运行。ADIdeChronous™可扩展以太网解决方案产品组簒i黭uo物理cengshe备(PHY)、嵌入式絟uan籮i,以及采用多协yi软件de完整苆iaoń饩龇桨浮U庑ヾu经过充分测试和验zheng,可加快产品上市速度。



图6. ADI Chronous——行ye领xiande工ye以太网解决方案。



图7. tigong可信数据,que保网络安全。

zhu要解决方案包kuo:

ADIN1200, 行ye领xiande10 Mbps/100 Mbps工ye以太网物理cengshe备,ju备增强型gong能集,可kao性通过验zheng。

ADIN1300, 行ye领xiande低延迟、低gong耗千兆物理cengshe备,可 kao性通过验zheng,适合严苛de应用环境。

fido5200/fido5100,,实时嵌入式shuang端口多协yi絟uan恍酒С侄嘀挚捎胐eTSNgong能。新TSNgong能可以通过可用de固件geng新来实现。还支持多协yi软件geng新,可通过ADI Chronous开发ren员门户获取。

可kao性通过验zheng、可扩展且完整de以太网解决方案可以简hua系tongshejibing缩短开发时间,ADI Chronous就shi针dui客户需求专门shejide这样一款解决方案。它shi日臻完善de可扩展以太网方案。

wei了支持这种过渡,weichuantongde现场she备tigong网络连接,ADI开发了一种称wei软件可配zhiI/Ode衛u际(AD74413R)。这将you助于开发现场可配zhi远程I/O单元,以实现chuantongyiqiyi表与gaoceng级以太网网络de融合。

安全性如he?

以太网存在安全漏洞,而安全性shiying响工ye4.0技术pu及deguan键wen题zhi一。如果在OT和ITzhi间以糰n又斩说統unde整个企ye范围内创建开放de信息流,安全漏洞可能造成hui灭性ying响。

在规划工ye4.0战略时,安全性应该shi一个基本风险管理考虑因素。但shi,在当今日益复杂de网络zhong构建安全性bingbu容易;需要采用多ceng方法que保系tong本身shi安全de——wulunshi终端she备、 控制qi还shi网guan和堆栈。ADI Chronous产品系列能gou在系tongde每个jie点dutigong安全性,同时最大xian度地减少gong耗、性能和延迟方miande权衡。

部署规划

虽ran工ye以太网在近些年取得了长足发展,但ren们仍在使用现场总xian和qi他chuantong网络技术。我们duren可基于工ye以太网de融合网络带来了zhu多好处。包kuo:简hua网络架构、通过移除网guan 降祎ong杀尽⑾擦瑇ian连接、系tong改进优hua、增紋ouT诵惺奔涞取P耣iao准de批准实施将加速实现这种期待yi久de过渡。dui于genggao性能连接网络de需求,以及OT和IT系tongzhi间genggao程度de集成du在推动这一进程。TSNshi加速实施融合网络de基chu,与10BASE-T1L结合使用可实现wufeng终端-yun连接。这种迁移一蹴而就,但qi潜在de好处fei常youren,因此qipu及速度可能会超过biao准行ye规范。

工ye4.0愿景de核心shi使用juyou收集、发送和接收信息能力de连統ou璞甘迪至鞒蘻i动hua。ADI Chronouswei我们带来了以前通过许多终端jie点she备wu法获得de数据和洞察力,cong而开辟了新 de数据分析和操作洞察领yu。工ye以太网连接通过将现you和未来de数据流congzi动hua网络wufengchuanshu至yun,开拓出这一全新de应用领yu。

如今,我们wu法访wende信息和洞察数据孤dao还仍ran存在,但随着工ye以太网部署日益pu及,工ye4.0mian临de挑战将zhuan向安全性,以及如he利用这些数据来充分ti升shangye价值。与yongyou数十 年经验积累、值得信laide工ye市场产品伙伴合作将shiming智de选择。ADI公司yongyoushen厚de领yu专ye知识、技术经验和广泛de解决方案,可以帮助您加速向未来de智能工chang过渡。

作者



Fiona Treacy

Fiona Treacyshi过程控制和zi动huade战略营销经理,在ADI公司专注于工ye连接。在此zhi前,Fionafu责MeasureWare和qi他精密yiqiji划de市场推广工作。ta还dan任过应用工程和测试开发方miande职务。Fionayongyou利mo里克大xuede应用物理xue士xue位和工shang管理硕士xue位。

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