工業(yè)4.0的優(yōu)勢(shì)就是能夠充分利用不斷增加的數(shù)據(jù)做出更好的決策。在整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，能否及時(shí)獲取和傳輸數(shù)據(jù)取決于連接網(wǎng)絡(luò)。為應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及制造工藝流 程和方法都必須不斷改進(jìn)。智能、互聯(lián)的自動(dòng)化環(huán)境需要數(shù)字連接系統(tǒng)、機(jī)器、機(jī)器人等，以創(chuàng)建和共享信息。這些機(jī)器采用的通信方式以及部署的工廠通信網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)的核心，也是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵。

 

圖1. 云基礎(chǔ)設(shè)施。

 

整個(gè)廠區(qū)的所有（甚至遠(yuǎn)程位置）傳感器和驅(qū)動(dòng)器都需要無(wú)縫連接，但使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如果未來(lái)需要通過(guò)企業(yè)層級(jí)的數(shù)據(jù)來(lái)提供可行的見(jiàn)解，我們面臨的挑戰(zhàn)就是找到一 種方法，使這些前所未有的海量數(shù)據(jù)能夠在不破壞通信網(wǎng)絡(luò)的情況下傳輸。這就提出了一個(gè)問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)、構(gòu)建和部署能夠滿足當(dāng)今自動(dòng)化環(huán)境和未來(lái)虛擬工廠需求的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。

 

為何選擇工業(yè)以太網(wǎng)？

 

由于互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0愿景的核心，因此企業(yè)要真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，必須滿足三個(gè)條件。第一，更高水平的信息技術(shù)(IT)或企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施必須與廠區(qū)的控制網(wǎng)絡(luò)融合。第二，廠區(qū)中現(xiàn)有的各 種網(wǎng)絡(luò)或生產(chǎn)單位必須協(xié)同共存，支持交互操作。第三，我們需要在整個(gè)工藝環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、安全的連接，從工藝終端一直到企業(yè)云。

 

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們需要采用支持實(shí)現(xiàn)互操作性、可擴(kuò)展性和覆蓋范圍目標(biāo)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。部署廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)就是理想的解決方案。它提供高帶寬，支持快速調(diào)試，還可以廣 泛部署在所有制造環(huán)境的IT基礎(chǔ)設(shè)施中。

 

圖2. 兩大領(lǐng)域的融合：信息技術(shù)(IT)和操作技術(shù)(OT)。

 

然而，考慮到實(shí)時(shí)操作的需要，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)并不能作為工業(yè)控制基礎(chǔ)設(shè)施的可行解決方案。操作技術(shù)(OT)控制網(wǎng)絡(luò)需要確保將通信消息準(zhǔn)時(shí)送達(dá)既定位置。以確保手頭的任務(wù)或流程操作 無(wú)誤。用于路由流量的TCP/IP協(xié)議并不能從本質(zhì)上保證確定性性能達(dá)到這種水平。與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)支持文件共享或訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如打印機(jī)）的方式一樣，工業(yè)以太網(wǎng)允許控制器訪問(wèn)數(shù)據(jù)，并將來(lái)自PLC的指令發(fā)送給廠區(qū)各處的傳感器、驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人。關(guān)鍵的區(qū)別在于延遲或未送達(dá)消息造成的影響。在非實(shí)時(shí)應(yīng)用中，網(wǎng)頁(yè)更新緩慢帶來(lái)的影響很小，但在制造環(huán)境中，則可能導(dǎo)致從浪費(fèi)材料到造成意外人身傷害等很大影響。為了使控制系統(tǒng)正常工作，消息必須每次都可靠、準(zhǔn)時(shí)地送達(dá)目標(biāo)位置。

 

因此，工業(yè)以太網(wǎng)已成為控制級(jí)操作技術(shù)的首選技術(shù)。不僅是IT和高層級(jí)OT網(wǎng)絡(luò)之間，工廠OT網(wǎng)絡(luò)的各層級(jí)和終端節(jié)點(diǎn)傳感器之間都要實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，如圖3所示。如今，在低層級(jí)OT網(wǎng)絡(luò) 中實(shí)現(xiàn)連接需要使用復(fù)雜的高功耗網(wǎng)關(guān)，在更高層級(jí)的以太網(wǎng)中，則需要使用融合IT/OT網(wǎng)絡(luò)。擁有覆蓋整個(gè)廠區(qū)，基于以太網(wǎng)、可互操作的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)之后，則無(wú)需再使用這些網(wǎng)關(guān)，因此可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)本身。事實(shí)上，用于轉(zhuǎn)換和支持OT網(wǎng)絡(luò)上層連接的協(xié)議網(wǎng)關(guān)不能直接尋址，并且會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中造成隔離。這種數(shù)據(jù)隔離會(huì)限制整個(gè)工廠共享信息的能力。這與之前描述的工業(yè)4.0愿景背道而馳，制造商原本希望從OT端收集遙測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)IT端的分析和業(yè)務(wù)流程。

 

圖3. 自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔。

 

由于數(shù)據(jù)包交付和時(shí)序的確定性可確?？刂茟?yīng)用滿足強(qiáng)制要求，所以許多供應(yīng)商開(kāi)始提供適合OT網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)協(xié)議。這導(dǎo)致解決方案雖然是確定性的，但依賴(lài)于各供應(yīng)商的協(xié)議。因此出現(xiàn)了大量不兼容的解決方案，每種解決方案采用不同類(lèi)型的通信協(xié)議在不同制造單元內(nèi)運(yùn)行，且彼此之間不能互操作。由此導(dǎo)致長(zhǎng)期存在數(shù)據(jù)隔離或數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。所以需要一種解決方案，使采用不同協(xié)議的不同制造部門(mén)能夠共存，且能夠在不降低控制流量的情況下共享網(wǎng)絡(luò)。這種解決方案就是時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)——一種基于IEEE 802.1規(guī)范、與供應(yīng)商無(wú)關(guān)的實(shí)時(shí)以太 網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。顧名思義，TSN關(guān)注時(shí)間。它將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換成為任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用提供時(shí)序保證的通信。該標(biāo)準(zhǔn)旨在確保信息可以在固定的可預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。TSN通過(guò) 這種方式保證及時(shí)交付。為了使通信可預(yù)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備必須使用同一個(gè)時(shí)間概念。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種方法，可以按照計(jì)劃傳輸特定的TSN以太網(wǎng)幀，同時(shí)允許盡最大努力傳輸非TSN幀（參見(jiàn)圖4）。通過(guò)這種方式，TSN支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)流量在同一網(wǎng)絡(luò)上共存。因?yàn)樗性O(shè)備采用相同的時(shí)間，所以能夠在高達(dá)千兆的速度下以低延遲和低抖動(dòng)傳輸重要數(shù)據(jù)。

 

圖4. 時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)特性。

 

其目標(biāo)是構(gòu)建融合網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)協(xié)議都能采用確定性的可靠方法共享線路。TSN是提供所需確定性的標(biāo)準(zhǔn)工具箱。它代表向可靠的標(biāo)準(zhǔn)化連接體系架構(gòu)的過(guò)渡，通過(guò)專(zhuān)用現(xiàn)場(chǎng)總線消除數(shù)據(jù)隔離。這種網(wǎng)絡(luò)融合反過(guò)來(lái)又通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)本身的可擴(kuò)展性，在10 Mbps至1 Gbps甚至更大的帶寬范圍內(nèi)推動(dòng)生成更多數(shù)據(jù)。

 

可能的情況是，新設(shè)施中會(huì)全面采用TSN，但在現(xiàn)有工廠部分單位中則逐步采用。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的制造商來(lái)說(shuō)，這意味著在不久的將來(lái)，需要同時(shí)支持傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN。

 

擴(kuò)展到過(guò)程終端

 

我們最終（也許最具影響力）的變化是能夠在過(guò)程控制應(yīng)用中支持從終端節(jié)點(diǎn)到企業(yè)云的無(wú)縫連接，如圖5所示。迄今為止，與終端的連接一直受到現(xiàn)有4 mA至20 mA或可用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的 限制。在許多實(shí)施方案中，這些都是硬連線的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，限制了網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間發(fā)展和擴(kuò)增的靈活性。這些并非基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)通信面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先，非常有限的帶寬（例如，HART®采用4 mA至20 mA的帶寬為1.2 kbps）限制了信息流的數(shù)量和速度。其次，儀器儀表本身的功率輸入有限，限制了儀器儀表的功能。最后，控制和IT級(jí)別的網(wǎng)關(guān)開(kāi)銷(xiāo)不可持續(xù)。另外，在0區(qū)的本質(zhì)安全環(huán)境內(nèi)運(yùn)行，并嘗試?yán)矛F(xiàn)有線纜網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持更快速、更低廉的調(diào)試也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

 

圖5. 終端到云的無(wú)縫連接。

 

這些都推動(dòng)10BASE-T1L全雙工通信的IEEE 802.3cg-2019™標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)最近已獲得批準(zhǔn)，定義了通過(guò)長(zhǎng)達(dá)1 km的單對(duì)雙絞線供電實(shí)現(xiàn)10 Mbps全雙工通信的相關(guān)規(guī)范。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)將作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在傳感器中使用，并通過(guò)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的形式在OT和IT基礎(chǔ)設(shè)施中傳輸。無(wú)需進(jìn)行轉(zhuǎn)換（會(huì)導(dǎo)致延遲，消耗功率和產(chǎn)生成本開(kāi)銷(xiāo)）?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將發(fā)生變化（如圖5所示），遠(yuǎn)程I/O單元將轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)?，F(xiàn)在通過(guò)10BASE-T1L多端口現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，可以在控制器與現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表之間進(jìn)行以太網(wǎng)指令傳輸。在現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)獲得的見(jiàn)解信息則可以作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包（具備更高帶寬）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)交換網(wǎng)絡(luò)傳輸給PLC/DCS，最終傳輸?shù)皆啤?/div>