利用工业以太网连接技术加速向工业4.0过渡（利用工业以太网连接技术加速向工业4.0过渡的原因）

由于制造和加工设备的数字化，第四次工业革命正在改变我们制造产品的方式。过去几十年我们已经看到了自动化技术的好处，现在数据处理、机器学习和人工智能的进步正在进一步推动自动化系统的发展。当今的自动化系统的互联程度越来越高，能够实现数据通信、分析和解释，并实现工厂区域的辅助智能决策和运营。智能工厂计划通过提高产量、资产利用率和整体生产力来创造新的商业价值。他们利用新的数据流来实现灵活性和优化质量，同时减少能源消耗和废物残留。此外，云连接的智能系统通过实现大规模定制使制造环境更加高效。

工业4.0的优势在于能够充分利用不断增加的数据量来做出更好的决策。纵观整个自动化系统，数据的及时采集和传输都依赖于连接网络。为了应对不断增长的数据量，网络技术以及制造工艺和方法必须不断改进。智能互联的自动化环境需要数字互联的系统、机器、机器人等来创建和共享信息。这些机器所使用的通信方式以及所部署的工厂通信网络是企业的核心，也是推动工业4.0的关键。

整个工厂的所有传感器和执行器，甚至在远程位置，都需要无缝连接，但使用现有基础设施是不可能实现的。如果未来需要企业范围的数据来提供可行的见解，那么面临的挑战将是找到一种在不中断通信网络的情况下移动这些大量数据的方法。这就提出了如何设计、构建和部署工业通信网络以满足当今自动化环境和未来虚拟工厂需求的问题。

为什么选择工业以太网？

由于互联网是实现工业4.0愿景的核心，企业要真正实现互联网，必须满足三个条件。首先，更高水平的信息技术（IT）或企业基础设施必须与工厂的控制网络集成。其次，工厂中的各种现有网络或生产单元必须共存并支持互操作性。第三，我们需要在整个流程环境中实现无缝、安全的连接，从流程端点一直到企业云。

为了应对这些挑战，我们需要采用支持互操作性、可扩展性和覆盖目标的底层网络技术。部署广泛应用的以太网技术是理想的解决方案。它提供高带宽，实现快速调试，可广泛部署在所有制造环境的IT基础设施中。

然而，考虑到实时操作的需要，标准以太网并不是工业控制基础设施的可行解决方案。运营技术(OT) 控制网络需要确保通信消息按时传送到预期位置。确保手头的任务或流程正确运行。用于路由流量的TCP/IP 协议本身并不能保证这种确定性性能水平。就像标准以太网支持文件共享或访问打印机等网络设备一样，工业以太网允许控制器访问数据并将指令从PLC 发送到整个工厂车间的传感器、驱动器和机器人。主要区别在于延迟或未送达消息的影响。在非实时应用中，网页更新缓慢的影响很小，但在制造环境中，影响范围可能从材料浪费到意外人身伤害。为了使控制系统正常工作，消息每次都必须可靠且准时地到达目的地。

因此，工业以太网已成为控制级操作的首选技术。不仅IT与高层OT网络之间需要实现无缝连接，工厂各级OT网络与终端节点传感器之间也需要实现无缝连接，如图3所示。如今，低层OT网络的连接需要使用复杂、耗电的网关，以及更高层以太网中，需要融合IT/OT 网络。拥有覆盖整个工厂的可互操作、基于以太网的自动化网络，就不再需要这些网关，从而简化了网络本身。事实上，用于转换和支持OT 网络中上层连接的协议网关不可直接寻址，并且会在网络中产生隔离。这种数据隔离限制了整个工厂共享信息的能力。这与之前描述的工业4.0 愿景背道而驰，制造商最初希望从OT 端收集遥测数据来驱动IT 端的分析和业务流程。

由于数据包传输和定时的确定性可确保控制应用程序满足强制要求，因此许多供应商开始提供适合OT 网络的实时协议。这产生了一个解决方案，虽然是确定性的，但依赖于每个供应商的协议。其结果是产生大量不兼容的解决方案，每个解决方案都使用不同类型的通信协议在不同的制造单元中运行，并且彼此之间无法互操作。这会导致长期的数据隔离或数据孤岛问题。需要一种解决方案，允许使用不同协议的不同制造部门共存并共享网络，而不减少控制流量。该解决方案是时间敏感网络(TSN) ——，这是一种基于IEEE 802.1 规范的供应商中立实时以太网标准。顾名思义，TSN 关注时间。它将标准以太网通信转换为关键任务应用的时序保证通信。该标准旨在确保信息可以在固定的、可预测的时间内从一个点移动到另一个点。 TSN 通过这种方式保证了及时交付。为了使通信可预测，网络上的设备必须使用相同的时间概念。该标准定义了一种按计划传输特定TSN 以太网帧的方法，同时允许尽力传输非TSN 帧（见图4）。这样，TSN就支持实时和非实时流量在同一网络上共存。由于所有设备都使用相同的时序，因此可以以高达千兆位的速度以低延迟和低抖动传输重要数据。

目标是构建融合网络，其中每个协议都可以以确定性和可靠的方式共享线路。 TSN 是一个提供所需确定性的标准工具箱。它代表了向可靠、标准化连接架构的过渡，通过专用现场总线消除了数据隔离。这种网络融合反过来又使网络本身更具可扩展性，从而在10 Mbps 至1 Gbps 甚至更高的带宽范围内推动更多数据的生成。

TSN 很可能会在新工厂中全面实施，但会在现有工厂的选定单元中分阶段实施。对于现场设备制造商来说，这意味着在不久的将来，传统工业以太网解决方案和TSN 都需要得到支持。

扩展到流程终端

我们最后的（也许也是最有影响力的）改变是能够支持过程控制应用中从终端节点到企业云的无缝连接，如图5 所示。到目前为止，与终端的连接仅限于现有的4 mA 至20 mA或可用的现场总线技术。在许多实现中，这些都是硬连线的点对点连接，限制了网络随着时间的推移而增长和扩展的灵活性。这些不基于以太网的现场通信面临着一些挑战。首先，非常有限的带宽（例如，HART 的带宽为1.2 kbps，4 mA 至20 mA）限制了信息流的数量和速度。其次，仪器本身的功率输入是有限的，这就限制了仪器的功能。最后，控制层和IT 层的网关开销是不可持续的。在0 区本质安全的环境中运行并尝试利用现有布线网络来支持更快、更便宜的调试也面临着挑战。

这些都推动了10BASE-T1L全双工通信的IEEE 802.3cg-2019标准的不断发展。这项最近批准的标准定义了由单根长达1 公里的双绞线供电的10 Mbps 全双工通信规范。数据现在将在传感器中使用，并作为以太网数据包在OT 和IT 基础设施中传输。无需转换（导致延迟、功耗和成本开销）。现有的网络架构将发生变化（如图5所示），远程I/O单元将转换为以太网现场交换机。现在通过10BASE-T1L多端口现场交换机，可以在控制器和现场仪表之间进行以太网命令传输。然后，在现场节点获得的见解可以作为以太网数据包（具有更高的带宽）通过现场交换网络传输到PLC/DCS，并最终传输到云端。

有几个独特的优势可以推动从传统现场总线向工业以太网的转变。首先，现有的布线基础设施（长达1 公里）可以重复使用，从而简化部署并降低改造成本。其次，通过电缆连接到仪器本身的可用功率以前被限制为36 mW（4 mA 至20 mA 部署时最佳），现在在0 区（本质安全应用）中可以达到60 W（取决于电缆） ) ) 或500 毫瓦。额外的可用电源现在支持具有端点智能等功能的仪器。结合当前可用的10 Mbit 上行链路速度，预计将提供更多见解，以实现工业4.0 的投资回报率效率。

目前有哪些技术可用？

需要强大的新型低延迟、低功耗物理层技术与可扩展的交换机架构相结合来支持自动化网络的发展。 Analog Devices 一直走在工业以太网发展的最前沿。我们利用丰富的自动化领域专业知识和先进技术，不断开发广泛的解决方案组合，旨在确保工业应用中时间关键型数据的可靠交付，实现无缝连接和高效运行。 ADI 的Chronous 可扩展以太网解决方案组合包括物理层设备(PHY)、嵌入式交换机以及使用多协议软件的完整平台解决方案。这些经过充分测试并证明可以加快上市时间。

主要解决方案包括：

ADIN1200 是业界领先的10 Mbps/100 Mbps 工业以太网物理层设备，具有增强的功能集和经过验证的可靠性。

ADIN1300是业界领先的低延迟、低功耗千兆物理层设备，可靠性经过验证，适用于恶劣的应用环境。

fido5200/fido5100，实时嵌入式双口多协议交换芯片，支持多种可用的TSN功能。新的TSN 功能可通过可用的固件更新获得。还支持多协议软件更新，并可通过ADI Chronous 开发人员门户获取。

可靠、可扩展且完整的以太网解决方案简化了系统设计并缩短了开发时间，ADI Chronous 是专门针对客户需求而设计的解决方案。它是一个日益完善的可扩展以太网解决方案。

为了支持这种转变并为传统现场设备提供网络连接，ADI 公司开发了一种称为软件可配置I/O (AD74413R) 的新技术。这将促进现场可配置远程I/O 单元的开发，以将传统仪器与高级以太网网络集成。

安全性如何？

以太网存在安全漏洞，安全是影响工业4.0技术普及的关键问题之一。如果在OT 和IT 之间以及整个企业（从端点到云端）创建开放信息流，则安全漏洞可能会产生毁灭性影响。

在规划工业4.0 战略时，安全应成为基本的风险管理考虑因素。然而，在当今日益复杂的网络中构建安全性并不容易。需要采用多层方法来确保系统本身的安全，无论是终端设备、控制器还是网关和堆栈。 ADI Chronous 产品系列为系统的每个节点提供安全性，同时最大限度地减少功耗、性能和延迟的权衡。

部署规划

尽管工业以太网近年来取得了长足的进步，但现场总线和其他传统网络技术仍在使用。我们都同意，基于工业以太网的融合网络带来了很多好处。其中包括：简化网络架构、通过移除网关来降低成本、消除硬连线连接、系统改进和优化以及增加正常运行时间。新标准的批准实施将加速这一期待已久的过渡。这是由于对更高性能的连接网络以及OT 和IT 系统之间更大程度的集成的需求所推动的。 TSN是加速融合网络实施的基础，可以与10BASE-T1L结合使用，实现设备到云的无缝连接。这种迁移在一夜之间发生，但潜在的好处非常诱人，采用速度可能会超过标准行业规范。

工业4.0 愿景的核心是使用能够收集、发送和接收信息的互联设备实现流程自动化。 ADI Chronous 为我们带来了以前通过许多终端节点设备无法获得的数据和见解，开辟了数据分析和运营见解的新领域。工业以太网连接通过将现有和未来的数据流从自动化网络无缝传输到云端，开辟了这一新的应用领域。

如今，我们无法访问的信息和见解的数据孤岛仍然存在，但随着工业以太网部署变得更加普遍，工业4.0 的挑战将转向安全性以及如何使用这些数据来充分提升业务价值。与在工业市场拥有数十年经验的值得信赖的合作伙伴合作是有意义的。 Analog Devices 拥有深厚的领域专业知识、技术经验和广泛的解决方案，可帮助您加速向未来智能工厂的过渡。

审稿编辑：郭婷