由于我們的制造和加工設施的數字化，第四次工業革命正在改變我們創造產品的方式。幾十年來，我們已經看到了自動化的好處，現在正在通過增強的數據、機器學習和人工智能來推動這些系統。如今，自主系統正變得越來越互聯，并且正在通信、分析和解釋數據，以便在工廠的其他區域實現輔助智能決策和行動。智能工廠計劃通過提高產量、資產利用率和整體生產力來創造新的業務價值。他們正在利用新的數據流來實現靈活性和改進質量，同時減少能源消耗和殘余浪費。越來越多的邊緣到云連接的智能系統通過適應大規模定制，使制造環境變得更加高效。

工業4.0的好處在于利用更多的數據來做出更好的決策。在整個自動化系統中及時訪問數據以及交付數據取決于連接網絡。網絡技術必須不斷發展以處理增加的數據量，制造商的流程和方法也必須如此。智能、互聯的自動化環境需要數字連接的系統、機器、機器人等，創建和共享信息。這些機器的通信方式和它們使用的工廠通信網絡是企業的核心，也是我們工業4.0雄心壯志的推動者。

現有的基礎設施無法實現工廠車間中每個傳感器和執行器的無縫連接，即使是偏遠地區的傳感器和執行器。如果未來是數據及其在企業層面的組合以提供可操作的見解，那么挑戰就變成了找到一種方法，使這些前所未有的數據量流動，而不會削弱旨在傳輸數據的通信網絡。這就提出了一個問題，即如何構建、構建和部署一個工業通信網絡，以滿足當今自動化環境和未來虛擬工廠車間的需求。

為什么選擇工業以太網？

隨著連接成為工業4.0愿景的核心，必須三件事成為現實，才能實現真正的互聯企業。首先，更高級別的信息技術（IT）或企業基礎設施必須與工廠車間控制網絡融合。其次，工廠車間目前存在的各種網絡或制造單元必須全部共存和互操作。第三，我們需要跨流程環境的無縫、安全連接，從流程邊緣到企業云。

為了應對這些挑戰，我們需要采用一種基礎網絡技術，以支持互操作性、可擴展性和覆蓋范圍的目標。以太網成為理想的解決方案，是一種易于理解的技術，具有廣泛的部署。它提供高帶寬并實現快速調試，還廣泛部署在所有制造環境的 IT 基礎架構中。

然而，鑒于對實時操作的需求，標準以太網并不是工業控制基礎設施的可行解決方案。運營技術 （OT） 控制網絡需要確保所傳達的消息按時傳遞到需要的地方。這確保了手頭任務或流程的正確操作。用于路由流量的 TCP/IP 協議本身并不能保證此級別的確定性性能。與標準以太網支持文件共享或訪問打印機等網絡設備的方式相同，工業以太網允許控制器訪問數據并將指令命令從PLC發送到分散在工廠車間的傳感器、執行器和機器人。主要區別在于延遲或未傳遞郵件的影響。在非實時應用程序中，如果網頁更新緩慢，則影響很小，而在制造環境中，影響可能很大，從浪費材料到意外的人為傷害。為了使控制系統正常工作，消息必須每次都能可靠地、準時地到達目的地。

因此，工業以太網已成為操作技術控制層面的首選技術。其目標是不僅在IT和高級OT網絡之間實現無縫連接，而且通過工廠OT網絡的各個層到終端節點傳感器，如圖3所示。如今，需要復雜、耗電的網關來實現從 OT 網絡較低級別的連接到需要融合 IT/OT 網絡的較高層以太網的連接。擁有基于以太網的全廠可互操作自動化網絡將消除對這些網關的需求，從而簡化網絡本身。事實上，用于轉換和啟用與OT網絡上層連接的協議網關不能直接尋址，并導致網絡中的隔離。這種數據隔離限制了在整個工廠車間共享信息的能力。這與前面概述的工業4.0愿景背道而馳，制造商希望從OT端收集遙測數據，以推動IT端的分析和業務流程。

由于數據包交付和定時方面的確定性保證了控制應用的強制性要求，許多供應商努力提供適用于OT網絡的實時協議。這導致了解決方案雖然具有確定性，但特定于每個供應商的協議。這反過來又導致了許多不兼容的解決方案，不同類型的通信協議在不同的制造單元中運行，每個單元都無法互操作。這會使數據隔離或數據孤島永久化。需要一種解決方案，使運行不同協議的不同制造單元能夠共存并共享網絡，以確保其控制流量不會受到損害。答案在于時間敏感網絡（TSN），這是一種基于IEEE 802.1規范的供應商中立的實時以太網標準。顧名思義，TSN專注于時間。該標準將標準以太網通信轉換為為任務關鍵型應用提供定時保證的通信。它旨在確保信息可以在固定且可預測的時間內從一個點移動到另一個點。通過這種方式，TSN提供了及時交付的保證。為了使通信可預測，網絡上的設備必須具有共享的時間概念。該標準定義了按計劃傳輸某些TSN以太網幀的方法，同時允許盡最大努力傳輸非TSN幀（見圖4）。通過這種方式，TSN可以在同一網絡上共存實時和非實時流量。由于所有設備共享同一時間，因此可以以高達千兆位的速度以低延遲和抖動傳輸重要數據。

目標是建立一個融合網絡，其中每個協議都可以以確定性和可靠的方法共享線路。TSN是提供所需確定性的標準工具箱。它代表了向可靠和標準化連接架構的過渡，消除了通過專有現場總線進行的數據隔離。這種網絡融合將反過來通過網絡本身的可擴展性提高來推動更多數據的產生，帶寬范圍從10 Mbps到1 Gbps甚至更高。

可能的情況是，TSN將在整個新裝置中采用，但在現有設施內的單元或分段中逐步采用。對于現場設備制造商來說，這意味著在可預見的未來，必須支持經典的工業以太網解決方案以及TSN。

擴展到進程邊緣

我們最后也可能是最具影響力的變化是能夠在過程控制應用程序中實現從邊緣節點到企業云的無縫連接，如圖 5 所示。迄今為止，與邊緣的連接一直受到現有4 mA至20 mA或現場總線技術的限制。在許多實現中，這些是硬連線的點對點連接，限制了網絡隨時間發展和增長的靈活性。這些非基于以太網的現場通信遇到了一些挑戰。首先，帶寬非常有限（例如，4 mA至20 mA的HART?為1.2 kbps），限制了信息流的數量和速度。其次，向儀器本身輸送的功率有限，這限制了儀器的功能。最后，存在于控制和 IT 級別的網關是不可持續的開銷。還有一個挑戰是在 0 區的本質安全環境中運行，并試圖利用現有的布線網絡來支持更快、更便宜的調試。

這些挑戰要求為10BASE-T1L全雙工通信開發IEEE 802.3cg-2019?標準。該標準最近已獲得批準，并規定了 10 Mbps 全雙工通信，通過長達 1 km 的單根雙絞線電纜供電。現在，數據將以以太網數據包的形式在傳感器中開始運行，并以以太網數據包的形式遍歷OT和IT基礎設施。不需要轉換（這會造成延遲、消耗電力并產生成本開銷）。如圖5所示，隨著遠程I/O單元過渡到以太網現場交換機，現有的網絡架構將發生變化。以太網指令現在可以通過 10BASE-T1L 多端口現場交換機從控制器與現場儀表進行通信。在現場節點生成的洞察現在可以通過以太網數據包（具有更高的帶寬）通過現場交換機網絡傳輸到PLC/DCS控制器，并最終傳輸到云。

有幾個明顯的優勢將有助于推動從傳統現場總線到工業以太網的過渡。首先，重復使用現有布線基礎設施（長達 1 公里）的潛力簡化了部署并降低了改造成本。其次，通過電纜輸送到儀器本身的可用功率以前限制在 36 mW（最佳情況，部署為 4 mA 至 20 mA），現在高達 60 W（取決于電纜）或在 0 區本質安全應用中為 500 mW。額外的可用功率現在將使具有終端節點智能的更高功能儀器成為可能。這與現在可用的10 Mbit上行鏈路速度相結合，將提供預期的更多見解，以利用工業4.0承諾的效率。

今天有什么可用？

需要新的穩健、低延遲、低功耗物理層技術與可擴展的交換機結構相結合，以支持我們自動化網絡的發展。作為工業以太網的最前沿，ADI利用其豐富的自動化領域專業知識和先進技術開發了深入的解決方案組合，旨在確保在整個工業應用中可靠地傳輸時間關鍵型數據，確保無縫連接和運營效率。ADI Chronous?可擴展以太網解決方案產品組合包括物理層器件（PHY）、嵌入式交換機和采用多協議軟件的完整平臺解決方案。這些產品經過全面測試和驗證，可快速上市。

該產品組合中值得注意的解決方案包括：

ADIN1200是業界領先的10 Mbps/100 Mbps工業以太網PHY，具有增強的功能集和經過驗證的魯棒性。

ADIN1300是業界延遲最低、功耗最低的千兆PHY，為惡劣環境提供經過驗證的魯棒性。

fido5200/fido5100是一款實時嵌入式雙端口多協議交換機，支持許多可用的TSN功能。新的TSN功能可以通過固件更新來實現。多協議軟件更新也受支持，可通過ADI Chronous開發人員門戶獲得。

ADI Chronous解決方案專為我們的客戶而設計，具有經過驗證的穩健、可擴展且完整的以太網解決方案，可簡化系統設計并縮短開發時間。它是可擴展的以太網，時間完美。

為了支持過渡并為傳統現場設備提供網絡橋接，ADI開發了一種稱為軟件可配置I/O（AD74413R）的新技術。這將支持開發現場可配置的遠程I/O單元，以彌合傳統儀器和更高級別的以太網網絡之間的差距。

安全性如何？

以太網存在漏洞，安全性是影響工業4.0采用率的最關鍵問題之一。通過在整個企業中在OT和IT之間以及從邊緣到云之間創建開放的信息流，安全漏洞的潛在影響可能是毀滅性的。

在規劃工業4.0戰略時，安全性應該是基本的風險管理考慮因素。在當今日益復雜的網絡中構建安全性絕非易事;它需要一種多層方法，使其固有于整個系統——在邊緣設備、控制器、網關以及堆棧的上游。ADI的Chronous產品組合可在系統中的每個節點提供安全性，同時最大限度地減少功耗、性能和延遲方面的權衡。

部署路線圖

雖然工業以太網近年來有了可觀的增長，但現場總線和其他傳統網絡技術仍在部署中。我們都同意基于工業以太網的融合網絡帶來的優勢。其中包括簡化的網絡架構、通過移除網關降低成本、消除硬連線連接、改進系統優化、增加正常運行時間等。新標準的出現及其即將獲得批準是加速這一期待已久的過渡所需的催化劑。這是一個轉變，由對更高性能連接網絡的需求以及OT和IT系統之間的集成度增強而堅定地推動。TSN是提供融合網絡的工具，當與10BASE-T1L結合使用時，將實現無縫的邊緣到云連接。遷移不會在一夜之間發生，但潛在的好處是如此引人注目，以至于采用速度可能會超過標準的行業標準。

工業 4.0 愿景的核心是能夠使用具有收集、發送和接收信息能力的連接設備實現流程自動化。ADI Chronous正在解鎖以前無法從許多邊緣節點設備獲得的數據和見解，從而喚醒數據分析和操作洞察的新領域。工業以太網連接將通過將當前和未來的數據流通過自動化網絡無縫傳輸到云來喚醒這一現實。

審核編輯：郭婷