【編者按】憑借其提供連接物體的實時可見性和控制能力匪笨,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)注定將給我們的生活帶來無與倫比的透明度和效率收黔。工業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域〕阻耄基于物聯(lián)網(wǎng)的智能工業(yè)模式正是當前工業(yè)發(fā)展的新熱潮颊嘱,因此形成的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)也隨之不斷地發(fā)展與完善。
物聯(lián)網(wǎng)一詞往往與商業(yè)阁陌、工業(yè)和政府環(huán)境內(nèi)的“智能物體”之間的嵌入式機器對機器網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)聯(lián)腊拍。
憑借其提供連接物體的實時可見性和控制能力,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)注定將給我們的生活帶來無與倫比的透明度和效率损螃。工業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域筋悴。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能工業(yè)模式正是當前工業(yè)發(fā)展的新熱潮筹聂,因此形成的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)也隨之不斷地發(fā)展與完善暖悦。
目前,雖然專有的通信協(xié)議已在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信中長期占據(jù)主導地位节芥,但日益提高的聯(lián)網(wǎng)能力和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的高帶寬需求在刺,已使以太網(wǎng)成為了取代傳統(tǒng)通信協(xié)議阻力最小的升級途徑。以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)在IT行業(yè)獲得了很大的成功头镊,成為IT行業(yè)應(yīng)用中首選的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)蚣驼。
近年來,由于國際現(xiàn)場總線技術(shù)標準化工作沒有達到人們理想中的結(jié)果相艇,以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)逐步在工業(yè)自動化中得到應(yīng)用颖杏,并發(fā)展成為一種技術(shù)潮流。
以太網(wǎng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用應(yīng)該區(qū)分為兩個方面問題坛芽,或者說兩個層次的問題留储。一是工廠自動化技術(shù)與IT技術(shù)結(jié)合,與互連網(wǎng)Internet技術(shù)結(jié)合咙轩,成為未來可能的制造業(yè)電子商務(wù)技術(shù)获讳、網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)雛形。大多數(shù)專家們對自動化技術(shù)這種發(fā)展趨勢給予肯定的評價活喊。
另一個方面丐膝,即以太網(wǎng)能否在工業(yè)過程控制底層,也就是設(shè)備層或稱為現(xiàn)場層廣泛應(yīng)用箫俯?能否成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)成為統(tǒng)一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標準焕徽?這些問題實為目前自動化行業(yè)專家們爭論的熱點。
為了充分滿足這些需求,下一代以太網(wǎng)技術(shù)必須發(fā)展演進嘲本,并為以下三項關(guān)鍵功能提供原生支持:
1)可靠性和確定性性能
2)精確的授時和同步
3)安全性我們將關(guān)注為什么這些功能是必不可少的荞扒,以及它們將如何幫助以太網(wǎng)應(yīng)對未來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將面臨的一些主要挑戰(zhàn)。
一個風險游戲:工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)要求可靠性和確定性性能在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中灌饵,采用的自治窟蝌、對等分布控制,遠比任何消費性物聯(lián)網(wǎng)的要求更高粹龄。數(shù)據(jù)采集锉潜、記錄和分析不斷且實時發(fā)生。利用能夠比人類更快地處理任務(wù)的系統(tǒng)插驾,在無需人工干預(yù)的情況下摹色,可靠和安全地運行是至關(guān)重要。
例如篇裁,倉庫中物料搬運設(shè)備可感知沿著傳送帶移動的包裹沛慢。它通過RFID標簽或條形碼辨認物料,并基于該信息相應(yīng)引導該物料到下條傳送帶达布。通信故障可能潛在性地導致成本增加或威脅人員安全的風險团甲。
現(xiàn)在想象一下一個監(jiān)控一座核電站結(jié)構(gòu)性健康的網(wǎng)絡(luò)。
錯誤檢測和可靠性承擔著更高的代價黍聂,因為在這樣環(huán)境中的通信故障可能造成災(zāi)難性的后果躺苦,包括變電站崩潰、環(huán)境污染和死亡产还。
在這些環(huán)境中匹厘,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)有嚴格的性能和可靠性要求,包括:
容錯能力安全低延遲低功耗無處不在的覆蓋隨著物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)加速其向以太網(wǎng)的過渡脐区,它們可以利用由城域以太網(wǎng)論壇所定義的愈诚、標準化的、電信級的服務(wù)定義來確定“電信級以太網(wǎng)”牛隅。這些標準尤其重要扰路,因為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不可能承擔在網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性或服務(wù)可靠性等方面的妥協(xié)倔叼。我們將看到,隨著更多的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)篇惧,它們將尋求部署高性價比的胖移、電信級的設(shè)備,以滿足這些實時需要的蔫婉、高性能的聯(lián)網(wǎng)服務(wù)鞠撑。
授時和同步對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要IEEE1588v2精密時間協(xié)議將在包括有線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的、各種下一代網(wǎng)絡(luò)中起到舉足輕重的作用孕赫。起源于工業(yè)自動化領(lǐng)域的1588能夠非常準確地授時还幅,可為實時應(yīng)用提供精確的計時時間信息砌纸,以及時間戳輸入、調(diào)度和同步輸出挠氛。
這種能力將最大限度地減少了傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的性能限制民议,如“響應(yīng)時間抖動”等,支持共同完成時間敏感任務(wù)的那些完全不同的和分散的智能對象間的實時通信和互動淡榕,包括自動流量管理系統(tǒng)和自動駕駛汽車到智能電網(wǎng)管理迂腔。以自動流量管理為例。1588可以為與公路和鐵路互連的流量管理系統(tǒng)提供可視性和動態(tài)控制允悦,允許運營商基于客流量靈活調(diào)整時刻表膝擂。
同樣,在自動駕駛汽車領(lǐng)域內(nèi)隙弛,1588可以提供道路實時流量和擁塞數(shù)據(jù)架馋,與自主車輛通信,以實現(xiàn)暢順的交通流量全闷。
縱觀智能電網(wǎng)叉寂,公用事業(yè)公司可以使用1588來管理分散的能量供應(yīng)源,如風力發(fā)電機或光伏系統(tǒng)室埋。帶有1588功能的智能電網(wǎng)也可讓公用事業(yè)公司訪問實時負載數(shù)據(jù)办绝,并可以通過迅速控制商業(yè)、工業(yè)和住宅環(huán)境中已有的用電限制系統(tǒng)姚淆,幫助他們針對突發(fā)需求高峰穩(wěn)定其電網(wǎng)孕蝉。
展望未來,我們預(yù)計帶有1588計時支持的芯片解決方案將得到更廣泛的采用腌逢,以滿足這些嚴格的精度要求降淮,以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的特定需求,如更小的尺寸和低功耗缓冷,并支持擴展的溫度范圍铝三。
安全性對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要有關(guān)信息安全和保護商業(yè),工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施免受網(wǎng)絡(luò)攻擊的意識正在提高即倦。由于以前的閉物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)備現(xiàn)在要連接到外部世界羹浪,準備就緒堅實可靠的安全策略勢在必行。雖然存在眾多的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全模型疚线,我們在本領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的重點仍是加密功能雀司,因為它是保證網(wǎng)絡(luò)安全連接的最有效手段之一。
今天常用的一種基于網(wǎng)絡(luò)的安全協(xié)議是IPsec背渤。IPsec運行在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)的第3層奉念,它可在路由網(wǎng)絡(luò)中很好地工作。然而,因為它通常需要嵌入式或?qū)S玫莫毩⒓用芤媛菇撸瑢崿F(xiàn)起來成本很高丽阎。工作在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)的第2層工作的另一種替代方案是IEEE802.1AE“MACSec”安全標準,它與“KeySec”認證密鑰協(xié)商協(xié)議l802.1af共同使用胜溢。
雖然今天沒有被廣泛采用谴垫,但由于其在L2層可簡便而高性價比地實現(xiàn),它提供了一個更簡單蜡饵、更高效弹渔、可擴展的選擇。像其他基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)一樣溯祸,保護其多個接入點的強大加密功能將對物聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要肢专。由于任何帶有一個IP地址的設(shè)備理論上都是脆弱的,連接的“東西”越多焦辅,對黑客們可訪問點的數(shù)量就越大博杖。
隨著物聯(lián)網(wǎng)和我們的互聯(lián)世界進一步擴展,任何從工廠網(wǎng)絡(luò)到單臺家用電器的東西都將被包括在預(yù)計的750億個物聯(lián)網(wǎng)連接之中筷登,使得可擴展的剃根、高性價比的安全技術(shù)變得更為關(guān)鍵。幸運的是前方,美國國家標準與技術(shù)研究所創(chuàng)建了一套最佳實踐狈醉,它已成為保護系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊的事實標準。
我們有望看到惠险,通過遵循下面這些原則苗傅,如NIST的FIPS197中描述的AES加密,將成為基于以太網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基本最低要求燎拟。而且考慮到物聯(lián)網(wǎng)的同步要求靶疟,我們可以進一步預(yù)計“安全的1588”系列技術(shù)——即加密方法不會影響網(wǎng)絡(luò)時同——對于這些網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)長期成功舉足輕重。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢所在以太網(wǎng)相比已有的通信協(xié)議享秒,應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域擁有得天獨厚的優(yōu)勢脂桂。
Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)蛆古,遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)港驶。
以太網(wǎng)能實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接,形成企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)舔伴。
軟硬件成本低廉滨靴,由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟,支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持颈冶,有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇。
通信速率高,隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復雜程度的提高摆抑,對信息量的需求也越來越大转砖,有時甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)的傳輸鲸伴,目前以太網(wǎng)的通信速率為10M府蔗、100M的快速以太網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用,千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟汞窗,10G以太網(wǎng)也正在研究姓赤,其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。
可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笾倮簦谶@信息瞬息萬變的時代不铆。企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò),信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速裹唆,也更加成熟誓斥,由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。
工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展前景以太網(wǎng)隨著技術(shù)的成熟许帐,交換技術(shù)的應(yīng)用劳坑,高速以太網(wǎng)的發(fā)展等在工業(yè)自動化領(lǐng)域上正迅速增長,幾乎所有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)最終可以都連接到以太網(wǎng)成畦。隨著集成電路的發(fā)展距芬,高檔的微處理器作為I/O處理器和控制器核心的條件逐漸成熟,而在控制器上運行的實時嵌入式操作系統(tǒng)使控制器易于實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議堆浴,以太網(wǎng)絡(luò)更易于接近現(xiàn)場珍催。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向,具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
過程控制工業(yè)和自動化工業(yè)设鼎,從嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)叔人,都認識到了以太網(wǎng)和TCP/IP的重要性,以太網(wǎng)和TCP/IP作為世界上最為廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議阿席,它將成為過程級和控制級的主要傳輸技術(shù)伍奏。帶TCP/IP協(xié)議的標準的以太網(wǎng)接口現(xiàn)在已經(jīng)在智能設(shè)備和I/O模塊中使用。它能夠與工廠信息管理系統(tǒng)進行直接地菠吟、無縫地連接肿蚂,而無需任何專用設(shè)備。
因此可以說煮卢,工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)中的使用將構(gòu)建從底層的現(xiàn)場設(shè)備到先進與優(yōu)化控制層措找、企業(yè)管理決策層的綜合自動化網(wǎng)絡(luò)平臺,從而可以消除企業(yè)內(nèi)部的各種自動化孤島争造。
以太網(wǎng)作為21世紀未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選蝗羊,它將在控制和現(xiàn)場設(shè)備級成為標準的高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)藏澳,有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的通信已成大勢所趨耀找。結(jié)論毫無疑問翔悠,以太網(wǎng)只會隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)需求的飛速提高進一步融入工業(yè)領(lǐng)域,促進工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的不斷完善和發(fā)展野芒。
但這也是一條任重而道遠蓄愁,同時充滿機遇與挑戰(zhàn)的道路,無論如何狞悲,我們會看到撮抓,在以太網(wǎng)演進成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的過程中,只要把握好確定性摇锋、同步性和安全性這三項要求丹拯,在不久的未來我們將看到一場眾望所歸的“工業(yè)革命風暴”。
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