过度工业化（过渡时期工业化）

布伦丹奥多德

模拟器件公司

新技术的进步以及对更高效生产流程和生产工厂的渴望正在推动工业设施发生前所未有的变化。这些变化提高了自动化程度、精度和可用数据量。

这些进步使工业4.0成为现实，为制造商带来更大的发展前景和商机，同时减少排放，同时通过提高生产率、安全性和可靠性来增强在全球经济环境中的竞争优势。预计未来10年将为自动化设备制造商带来价值约6.5万亿美元的商机。

虽然机会很有吸引力，但仍有重大障碍需要克服。例如，在传统上保守的工业部门，新技术的采用往往很缓慢。目前的自动化工厂通常是新旧系统的混合体，系统间通信也相应复杂。现有基础设施很大程度上无法在网络边缘安全地捕获和传输数据。简而言之，制造工厂和加工厂不会在一夜之间发生变化。这需要一个过渡期。

为了实现并加速这一转变，自动化供应商正在向ADI 等技术合作伙伴和供应商寻求更多系统领域专业知识和解决方案。

联网企业所需的过渡，特别是以太网和安全性

工业以太网已广泛应用于控制应用，并将随着企业和市场向工业4.0 过渡而继续扩展为首选通信介质。

挑战之一是解决以太网的确定性问题。许多协议采用专有的第2 层解决方案。然而，当尝试提取相关数据以供企业网络内更高级别使用或用于不同制造节点之间的协调时，这些协议可能会导致许多互操作性问题。新的IEEE 802.1 TSN 标准旨在解决工业控制中遇到的类似问题，并承诺支持从专有解决方案向基于标准的方法的过渡。

以太网传统上是一种“尽力而为”的网络。为了将以太网部署到关键任务应用中，需要添加一些特殊功能，包括时间同步、流量调度、流量控制、无缝冗余等功能。这些新兴IEEE TSN 标准背后的目的是实现真正的融合网络，使网络中的各种流量可以无缝共存。这将允许关键任务实时流量与流媒体和“尽力而为”流量在同一网络上传输。这些功能使网络设计人员能够确保每次都能在整个网络拓扑中及时交付特定类别的流量。与专有的第2 层解决方案不同，这些功能旨在可扩展到千兆位或更高的线路速率。

Analog Devices 最近收购了工业互联网联盟的主要成员和贡献者Innovasic，为TSN 提供支持。

将边缘设备连接到TSN 驱动的融合可信工业4.0 连接企业网络带来了许多挑战。当前边缘设备中的通信技术，例如现场总线和4mA至20mA电流环路，工作正常且可靠。但是，当将数据传输到云端（本地或远程）时，从工厂车间到前台的路径上往往会受到多层通信的阻碍。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，并且数据可能在到达实际分析端的途中存储在多个服务器上。将数据从简单传感器转移到云端的总拥有成本不仅涉及数据传输所需的设备，还涉及确保整个过程中数据完整性所需的软件、处理技术和劳动力。

虽然将以太网连接到温度变送器等简单设备可能看起来有点矛盾，但它与设备是否简单或者是否产生/消耗相对较少的数据无关。它涉及如何有效地从融合网络上的设备中提取数据，然后将该数据应用于可操作的结果。例如，分布式控制系统(DCS) 可能使用来自温度传感器的数据来确保对其部分过程操作的实时控制。然而，这个特定的温度也可能会影响整个过程。通过将温度变送器无缝连接到云端，可以近乎实时地考虑所有过程参数进行分析，以确保整个过程的运行。可以进行调整以优化生产或提高能源效率。

ADI 认为解决这些挑战是客户成功的关键，这也是我们投资尖端技术以将以太网推向边缘的动力。我们称之为低复杂度以太网的关键技术是一种将简单工业设备（例如温度变送器）直接连接到以太网的驱动技术。

图1. 单芯片、多个以太网协议。 1

低复杂度以太网解决了当今标准第2 层以太网实施中的传统尺寸、功耗和成本问题，从而降低了向云传输数据的总拥有成本。

向融合工业以太网的过渡还需要物理层的创新，以提供与现有系统的一些固有功能相匹配的解决方案。许多广泛部署的以太网物理层标准将电缆长度限制为100 米，并且需要多条双绞线电缆来实施。相比之下，大多数现有的工厂自动化网络基础设施都是采用单双绞线布线构建的，能够以31.25 kbps 的数据速率支持长达1,000 米的距离。为了解决这个问题，ADI 正在与IEEE 赞助的主要行业合作伙伴合作开发新的以太网标准。该标准称为10SPE，将在单根双绞线电缆上运行，支持长达1,000 米的距离，数据速率为10 Mbps。 ADI 使用基于标准的协作方法来解决此问题，有助于降低采用障碍并缩短实现工厂范围融合网络目标的时间。

除了开发支持以太网融合的新功能外，已经使用100 Mbps 确定性以太网的其他应用程序正在寻求突破带宽和性能的极限。机器人等应用需要比过去更高精度地控制越来越多的坐标轴。将控制网络过渡到千兆位速度可以帮助满足这些要求，并且代表了工业以太网市场的另一个主要趋势。

以太网的快速成功常常使以太网用户面临与其应用相关的安全问题。工业网络边缘的数据和检测需求的预期增长可能会受到安全风险的阻碍。此外，工业控制应用中对低延迟和抖动性能的要求可能与安全要求直接冲突。这些技术的用户必须尽快解决这些应用程序中的性能和安全问题。

ADI公司最近收购了Sypris Electronics的安全业务部门（SCIOMetrics）

工业领域的网络安全风险日益受到关注。由于工业4.0和工业物联网（IIoT）的兴起，工业空间被定义为广泛的分布式设备、动态信息流和跨环境互连，以提供新的能力。然而，毫不奇怪的是，随着新功能的产生，它也带来了前所未有的、比以往更加现实的新安全威胁。

如果您想象一下必须安全连接到网络的设备数量，您就会明白为这些设备建立身份是多么困难。物理分布的共享加密密钥很快就变得不切实际，证书交换管理变成了一场后勤噩梦。为了实现值得信赖的工业4.0 企业的愿景，无钥匙身份建立至关重要。同样，需要具有低固定延迟和小型化硬件和/或软件占用空间的轻量级加密技术，以安全地连接网络边缘高度受限的设备。 ADI 正在大力投资资源受限设备的身份验证和安全解决方案以及轻量级块加密等技术，以解决这些重要问题。

图2.我们的关键能力是实现可信的自动化。

结论

Analog Devices 的工业自动化业务部门致力于为工业网络中的边缘检测、控制、监控和强大的实时通信系统提供领先的解决方案。 Analog Devices 在多个领域开发并积累了专业知识，包括安全和身份验证、功能和本质安全以及多协议支持。通过强有力的合作，我们将实现并加速向传感器到云可信工业物联网互联企业的转变。

参考

托马斯布兰德。 “Fido5000：一颗芯片，多种以太网协议。” Analog Devices，2017 年11 月。

米尼，汤姆。 “功能安全和工业4.0。” Analog Devices，2017 年3 月。

米尼，汤姆。 “集成电路的功能安全。” Analog Devices，2017 年2 月。

关于作者

Brendan O’Dowd 拥有30 多年的工业行业经验，包括在Tellabs、Apple 和Analog Devices 工作。他目前担任Analog Devices 工业自动化业务部总经理。