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ADI RAPID-TSNEK-V0001:实现工业自动化转换

2018-05-17 16:33更新
  • 工业网络安全
  • 工业以太网
  • 原厂资讯

在过去几年中,工业设施已开始推动其制造工艺的更高效率。利用当今的技术,工业正在获得更多的自动化,更高的精度和更高的工艺数据量。所有这些都在迅速使制造商更加接近实现工业4.0所能提供的好处,包括提高安全性,可靠性和生产率 - 同时还能减少苛刻的工业流程所带来的环境影响。

尽管最终目标非常可取,但仍然存在需要克服的重大障碍。恰恰相反,工业设施传统上保守,往往导致新技术的采用缓慢。这导致制造商将新系统与传统系统结合在一起,这往往导致更多的系统间通信复杂性。通常情况下,现有基础设施在捕获和传播边缘网络数据方面存在重大困难。这样做的结果是我们不能指望工厂一夜之间转型。必须有一个过渡期。 ADI公司(ADI)利用解决方案和系统领域的专业知识,可以实现并加速这一过渡时期。

互联企业需要转型,重点关注以太网和安全

随着组织和市场向工业4.0过渡,首选的通信媒介是工业以太网。然而,解决以太网上的确定性问题仍然是主要挑战之一。

专有的第2层解决方案的使用是许多协议使用的一种解决方案。这样做的缺点是,在提取数据供企业网络的较高级别使用或不相关的制造节点之间的协调时需要显着的互操作性问题。为了帮助缓解这个问题,开发了新的IEEE 802.1 TSN(时间敏感网络)标准。这些标准旨在实现从适当解决方案向标准解决方案的过渡。

由于以太网一直被认为是“尽力而为”的网络,因此有必要在关键任务应用中增加特定功能。这些功能包括无缝冗余,预定流量,时间同步,入口管制等。借助这些功能,网络设计人员可以确保在整个网络中传输特定类别的流量。此外,与专有的第2层解决方案不同,这些功能的设计可扩展到千兆以上的线路速率。允许与尽力而为和流式传输流量在同一网络上执行关键任务的实时流量是新兴的IEEE TSN标准的目标。为帮助用户熟悉TSN标准,ADI提供了RAPID-TSNEK-V0001评估套件(图1)。该套件包含评估与开发中的IEEE 802.1 TSN标准相关的功能所需的一切。该套件目前支持以下TSN标准:

  • 802.1AS,AS-REV
  • 802.1Qbv
  • 802.1Qci
  • 802.1CB
  • 802.1Qcc
  • 802.1bu / 802.3br

由于这是一个不断发展的标准,ADI计划在可用时提供新功能和更新的免费下载。

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图1:用于802.1 TSN标准的ADI RAPID-TSNEK-V0001评估套件。

当边缘设备连接到启用TSN的融合工业4.0网络时,会产生许多挑战。虽然现场总线和4 mA至20 mA电流回路等边缘设备通信技术可靠地工作,但将数据传输到云端时,通常会在工厂通过许多通信层传输到前端时受到阻碍。通常,从一个协议转换到另一个协议需要网关,并且多个服务器可以在数据传输到分析所在的位置时存储数据。需要考虑的另一件事是,将数据从传感器传输到云的总体拥有成本不仅仅是数据传输所需的硬件,还包括保证数据完整性所需的软件,处理和人力,网络。

将以太网连接到简单的边缘设备(如温度变送器)可能看起来效率不高,但不是设备简单或生产或使用的小数据量。它是关于在融合网络上有效提取设备的数据成本,然后将这些数据用于可采取行动的结果。例如,分布式控制系统(DCS)可以使用温度变送器数据来验证它正在监控的过程是否被实时控制。而且,这个特定的温度可能会对整个过程产生不利影响。在这种情况下,温度变送器和云之间的无缝连接使得分析的性能得以实现,该分析将所有过程参数都非常接近实时,从而确保整个过程按预期执行。此外,为确保生产过程得到优化或提高能源效率,可根据实时分析动态调整。

ADI将这些挑战视为他们投资新以太网技术的动力因素。为此,ADI提供了低复杂度的以太网技术,这是将上述示例中使用的温度变送器等简单工业设备直接连接到以太网(图2)的关键推动因素。

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图2:框图显示了ADI的fido5100 / fido5200如何与许多不同的协议连接。 

与当前标准的第2层以太网实施相比,低复杂度以太网通过减小尺寸,功耗和成本,降低了向云端传输数据的总拥有成本。

为了促进向融合的工业以太网网络的过渡,物理层的创新也需要提供与现有系统固有能力相匹配的解决方案。在许多部署的以太网网络中,物理层标准将电缆长度限制为100米,需要多条双绞线电缆才能完全实施。与此相反,目前工厂安装的大多数自动化网络基础设施均采用单根双绞线布线,其中一些布线可延伸1000米或更长,数据速率为31.25 kbps。

ADI与一些主要工业合作伙伴一起,正在与IEEE合作开发新的以太网标准,致力于解决这个问题。该标准10SPE定义了一个以太网网络,该网络通过长达1000米的单根双绞线电缆以10 Mbps的数据速率运行。通过这种基于标准的协作方式,ADI正在支持降低采用障碍的努力,并缩小实现融合全厂范围网络目标的时间框架。

此外,使用100 Mbps确定性以太网(Fido5100和5200)的其他应用程序已经在推动带宽和性能的限制。例如,随着协调轴数量的不断增加,机器人应用需要比以前更高的精度进行控制。为了帮助满足这一要求,控制网络转换为千兆位速度至关重要。通信速度的提高是另一个工业以太网的主要趋势。

工业网络安全

需要解决的工业以太网的另一个方面是安全性。随着工业网络边缘数据和传感需求的预期上升,安全风险将更大。此外,工业控制低延迟和抖动要求可能直接与安全要求相冲突。因此,使用这些技术的设计人员需要解决这些应用程序中的性能和安全问题。这些安全风险每天都在引起越来越多的关注。

随着工业物联网(IIoT)和工业4.0的出现,工业空间正在通过动态信息流,广泛分布式设备和跨平台连接来重新定义,以提供新功能。然而,毫不奇怪,随着这些新功能的出现,新的安全威胁出现了。

当人们考虑需要安全连接到网络的大量这些设备时,仅仅建立边缘设备的身份似乎就成了问题。使用诸如物理分布式共享加密密钥和管理证书等传统方法 - 交换变得不切实际,并且是逻辑上的噩梦。因此,如果一个值得信赖的工业4.0企业成为现实,建立无钥匙身份识别技术至关重要。而且,由于边缘设备本质上是高度受限的设备,需要小的硬件和软件占用空间,所以需要低固定延迟轻量级加密方法。为了解决这些问题,ADI大量投资资源受限设备安全技术,如轻量级块密码和身份验证。事实上,凌力尔特公司(现为ADI的一部分)SmartMesh IP™技术解决了本文中讨论的许多挑战。

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图3:来自凌力尔特/ Analog Devices的SmartMesh IP入门套件。 

结论

为了满足工业自动化市场的需求,ADI公司的工业自动化集团设计并提供了传感,监控,控制和强大的实时通信系统领域的工业网络边缘设备解决方案。 此外,ADI还为边缘设备提供其他领域的解决方案,如多协议支持,安全和认证,功能和本质安全。 借助这一切,ADI实现并加快了向受信任的IIoT关联企业的制造过渡。


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