工業(yè)4.0的優(yōu)勢就是能夠充分利用不斷增加的數(shù)據(jù)做出更好的決策。在整個自動化系統(tǒng)中，能否及時獲取和傳輸數(shù)據(jù)取決于連接網(wǎng)絡(luò)。為應(yīng)對日益增長的數(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。智能、互聯(lián)的自動化環(huán)境需要數(shù)字連接系統(tǒng)、機器、機器人等，以創(chuàng)建和共享信息。這些機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，也是推動實現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵。

 

圖1. 云基礎(chǔ)設(shè)施。

 

整個廠區(qū)的所有（甚至遠程位置）傳感器和驅(qū)動器都需要無縫連接，但使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施無法實現(xiàn)。如果未來需要通過企業(yè)層級的數(shù)據(jù)來提供可行的見解，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。這就提出了一個問題：如何設(shè)計、構(gòu)建和部署能夠滿足當今自動化環(huán)境和未來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)是實現(xiàn)工業(yè)4.0愿景的核心，因此企業(yè)要真正實現(xiàn)互聯(lián)，必須滿足三個條件。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，我們需要在整個工藝環(huán)境中實現(xiàn)無縫、安全的連接，從工藝終端一直到企業(yè)云。

 

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們需要采用支持實現(xiàn)互操作性、可擴展性和覆蓋范圍目標的基礎(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，考慮到實時操作的需要，標準以太網(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時送達既定位置。以確保手頭的任務(wù)或流程操作 無誤。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到這種水平。與標準以太網(wǎng)支持文件共享或訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如打印機）的方式一樣，工業(yè)以太網(wǎng)允許控制器訪問數(shù)據(jù)，并將來自PLC的指令發(fā)送給廠區(qū)各處的傳感器、驅(qū)動器和機器人。關(guān)鍵的區(qū)別在于延遲或未送達消息造成的影響。在非實時應(yīng)用中，網(wǎng)頁更新緩慢帶來的影響很小，但在制造環(huán)境中，則可能導致從浪費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、準時地送達目標位置。

 

因此，工業(yè)以太網(wǎng)已成為控制級操作技術(shù)的首選技術(shù)。不僅是IT和高層級OT網(wǎng)絡(luò)之間，工廠OT網(wǎng)絡(luò)的各層級和終端節(jié)點傳感器之間都要實現(xiàn)無縫連接，如圖3所示。如今，在低層級OT網(wǎng)絡(luò) 中實現(xiàn)連接需要使用復雜的高功耗網(wǎng)關(guān)，在更高層級的以太網(wǎng)中，則需要使用融合IT/OT網(wǎng)絡(luò)。擁有覆蓋整個廠區(qū)，基于以太網(wǎng)、可互操作的自動化網(wǎng)絡(luò)之后，則無需再使用這些網(wǎng)關(guān)，因此可以簡化網(wǎng)絡(luò)本身。事實上，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，并且會在網(wǎng)絡(luò)中造成隔離。這種數(shù)據(jù)隔離會限制整個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端收集遙測數(shù)據(jù)來驅(qū)動IT端的分析和業(yè)務(wù)流程。

 

圖3. 自動化系統(tǒng)金字塔。

 

由于數(shù)據(jù)包交付和時序的確定性可確?？刂茟?yīng)用滿足強制要求，所以許多供應(yīng)商開始提供適合OT網(wǎng)絡(luò)的實時協(xié)議。這導致解決方案雖然是確定性的，但依賴于各供應(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型的通信協(xié)議在不同制造單元內(nèi)運行，且彼此之間不能互操作。由此導致長期存在數(shù)據(jù)隔離或數(shù)據(jù)孤島問題。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)商無關(guān)的實時以太 網(wǎng)標準。顧名思義，TSN關(guān)注時間。它將標準以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換成為任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用提供時序保證的通信。該標準旨在確保信息可以在固定的可預測時間內(nèi)從一個點移動到另一個點。TSN通過 這種方式保證及時交付。為了使通信可預測，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備必須使用同一個時間概念。該標準定義了一種方法，可以按照計劃傳輸特定的TSN以太網(wǎng)幀，同時允許盡最大努力傳輸非TSN幀（參見圖4）。通過這種方式，TSN支持實時和非實時流量在同一網(wǎng)絡(luò)上共存。因為所有設(shè)備采用相同的時間，所以能夠在高達千兆的速度下以低延遲和低抖動傳輸重要數(shù)據(jù)。

 

圖4. 時間敏感型網(wǎng)絡(luò)特性。

 

其目標是構(gòu)建融合網(wǎng)絡(luò)，其中每個協(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準工具箱。它代表向可靠的標準化連接體系架構(gòu)的過渡，通過專用現(xiàn)場總線消除數(shù)據(jù)隔離。這種網(wǎng)絡(luò)融合反過來又通過提高網(wǎng)絡(luò)本身的可擴展性，在10 Mbps至1 Gbps甚至更大的帶寬范圍內(nèi)推動生成更多數(shù)據(jù)。

 

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

 

擴展到過程終端

 

我們最終（也許最具影響力）的變化是能夠在過程控制應(yīng)用中支持從終端節(jié)點到企業(yè)云的無縫連接，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)場總線技術(shù)的 限制。在許多實施方案中，這些都是硬連線的點對點連接，限制了網(wǎng)絡(luò)隨時間發(fā)展和擴增的靈活性。這些并非基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場通信面臨幾個挑戰(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級別的網(wǎng)關(guān)開銷不可持續(xù)。另外，在0區(qū)的本質(zhì)安全環(huán)境內(nèi)運行，并嘗試利用現(xiàn)有線纜網(wǎng)絡(luò)來支持更快速、更低廉的調(diào)試也是一項挑戰(zhàn)。

 

圖5. 終端到云的無縫連接。

 

這些都推動10BASE-T1L全雙工通信的IEEE 802.3cg-2019™標準不斷發(fā)展。這項標準最近已獲得批準，定義了通過長達1 km的單對雙絞線供電實現(xiàn)10 Mbps全雙工通信的相關(guān)規(guī)范?，F(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。無需進行轉(zhuǎn)換（會導致延遲，消耗功率和產(chǎn)生成本開銷）?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將發(fā)生變化（如圖5所示），遠程I/O單元將轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)現(xiàn)場交換機?，F(xiàn)在通過10BASE-T1L多端口現(xiàn)場交換機，可以在控制器與現(xiàn)場儀器儀表之間進行以太網(wǎng)指令傳輸。在現(xiàn)場節(jié)點獲得的見解信息則可以作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包（具備更高帶寬）通過現(xiàn)場交換網(wǎng)絡(luò)傳輸給PLC/DCS，最終傳輸?shù)皆啤?/div>