在主动化职业，人人都听到一个时尚的词语：工业4.0。该工业概念预示着未来工厂的高度集成、主动化以及灵活性;工厂将快速、高效出货，满意商场需求。
明显，第四次制作和进程主动化革新将产生在体系互连的主干单元：传感器、履行器、操控体系等悉数通过互联网协议衔接到不同类型的网络。一旦一切机器/传感器数据坐落云端，就能够履行含义深远的剖析，出产优化、毛病猜测、拟定保护方案、主动弥补库存，乃至定制终究产品目标，以满意商场的动态改动。
咱们以为当时正在产生着第四次工业革新，标明工厂车间无处不在的连通性将推进不断改进的软件和算法，大大进步出产力和猜测才能。这的确令人形象深入、切实可行。但是，在基础设施到位以及这场革新真实迸发之前，咱们有必要处理很多体系规划难题。本文要点评论部分要害的体系规划应战。
工业4.0的体系级规划注意事项
工业4.0的完成很或许需求10年乃至20年的时间，但现已在影响着五花八门的体系规划。图1所示的主动化进程标明，当咱们迈向工业4.0时，有必要完成三方面要害规划。
图1. 工业4.0正在推进三方面的基础工业体系要求：分布式核算和操控、普适感测、认证和安全体系。
分布式核算和操控——现已起步的一个要害趋势是核算和操控体系的本地化。为进步杂乱组装线的灵活性，减小操控推迟并缓解主PLC的处理压力，要求分布式操控。下一代工厂中，这将变得越来越遍及。PLC的尺度将持续缩小，处理I/O通道数量不断添加，包含模仿和数字。PLC将不得不支撑各种不同的I/O协议，包含新协议，例如IO-Link规范。
无所不在的传感器——怎么处理各个传感器?工业4.0的基本前提是同享制作数据，但这意味着有必要首要搜集不断添加的数据量。海量数据来自于传感器体系数量的爆破式添加，包含工厂及进程设备内，并遍及于整个远端操作。即便进程参数不影响用户现在的操控算法，但也有必要搜集其数据，以供将来运用。能够预期，当今云端工作算法的快速、爆破式立异终究或许“再创”陈旧的进程参数，以猜测重要的体系毛病机理。工业范畴常用于描绘感测方案快速添加的一个词叫“普适感测”。
认证安全——最终，通过互联网协议将一切传感器、操控体系和履行器衔接在一起，以支撑“大”数据剖析，毫无疑问会添加安全性方面的忧虑。相当多的设备是通过软件防 火 墙和安全交流机/网关处理工业安全性的，但安全问题不只局限于这些通讯进口，也涉及到硬件自身。纵深防护新规范要求终端设备网络(例如本例中评论的传感器和PLC)通过安全认证。这种广泛的软件和硬件安全对体系规划具有直接的体系级影响。
分布式办理、本地操控：微型PLC的鼓起
尺度小、功能强大的PLC支撑低推迟、分布式操控，可完成进程或组装线的本地操控，所以十分具有吸引力。但微型PLC规划有必要处理模仿I/O整合及散热方面的严重技能难题;Maxim开发的微型PLC概念验证规划成功处理了这些难题(图2)。
图2. 这款微型PLC概念验证规划集成32位微操控器、以太网衔接和25路I/O通道。总面积为406,125 mm3(23 in3)。
这款可放在掌中的微型PLC集成了必要的32位微操控器和以太网衔接，处理和衔接一共25路I/O通道。详细包含：
●4路模仿IN和1路模仿OUT通道
●8路数字IN和8路数字OUT通道
●一个4通道IO-Link模块，衔接4个支撑IO-Link的传感器
成功的模仿整合
咱们知道，模仿和分立元件占有了PLC I/O模块电路板空间的50%至70%;咱们也知道，任何PLC中的I/O模块都要求很多空间。所以，为了减缩整个PLC体系的尺度，就要求咱们处理模仿I/O的整合应战。
完成微型尺度的办法之一是运用集成模仿器材，而不是很多乃至数百个分立元件。电路板尺度减小、功耗下降、可靠性进步。图3所示为八通道串行器(MAX31911)和四通道数据隔离器(MAX14932)，替代了传统规划(左图)中的数十个分立式光耦和数以百计的电阻及%&&&&&%。这款紧凑的微型PLC方案的I/O通道容量与一般PLC相同。
图3. 两个芯片的微型PLC概念验证规划替代了数以百计的分立式元件。
使用IO-Link通讯规范完成普适感测
未来的工厂，传感器将无处不在，通过不同的接口衔接至网关或直接衔接至PLC。传感器将不再仅仅是发送开/关信号，很快将发送丰厚的数据。这正是IO-Link协议的用武之地，该协议是工业范畴添加最快的传感器通讯技能。虽然IO-Link是一项IEC规范，但依据业已建立的3线传感器和履行器衔接。
从上世纪80年代以来，工业现场总线现已支撑智能设备、较快地装置、削减接线，而且更简单保护。但是，仅有、遍及可接纳的现场总线的缺失，也引起了混杂、训练应战、高本钱以及设备之间兼容的问题。IO-Link协议是第一个敞开、具有现场总线特征、低本钱、点对点串行通讯规范，广泛用于传感器和履行器通讯，已被选用为国际规范(IEC 61131-9)。
IO-Link协议全球范围内工业设备规范化，完成相互之间的互操作性。该规范既可直接应用于PLC，也可集成至一切规范现场总线。这种灵活性使其很快成为智能器材通讯的事实规范，例如Maxim的Santa Cruz光传感器MAXREFDES23# (图4)。
图4. Santa Cruz光传感器参阅规划方框图。
IO-Link技能，以及传感器的不断小型化，推进了全工厂内超小尺度、节能传感器的规划。图5所示为Santa Cruz IO-Link色彩传感器。
图5. MAXREFDES23#为细小尺度IO-Link光传感器，集成了6个传感器：环境光(白光)、红光、绿光、蓝光、红外光和温度传感器。悉数集成到尺度为6.5mm x 25mm的细小印刷电路板(PCB)上。
嵌入式硬件安全性考虑
%&&&&&%厂商往往忽视安全性的重要方位，这也现已不是隐秘。请参阅最近Unisys“与Ponemon Institute联手”在13个国家建议的对599名IT及IT安全主管的调研陈述。结果标明，只要28%的受访者以为安满是其公司内前5项优先战略之一;但是，相同人群中有挨近60%的人供认网络要挟使其操控体系及SCADA体系处于风险之中。
只要28%的受访者以为安全十分重要。这不禁令人感到忧虑，因为咱们知道分布式操控和无所不在的连通性现已提升了对安全性的注重。大多数安全问题都环绕更好的防 火 墙、侵略检测体系以及安全交流架构打开。但相同重要的是可信赖硬件的需求，特别是I/O模块和远端现场传感器。这些设备或许被克隆或诈骗，特别当周围的物理安全办法较少时。当产生此类任何损坏时，就会严重危害依据从这些设备搜集的数据拟定要害决议方案的工业互联网。所以，确保这些体系通过认证、安全至关重要。归根到底，假如没有安全的嵌入式硬件，咱们将不能享用工业4.0带来的巨大潜力。
咱们注重工业4.0的安全体系就有必要首要从重视向云端或PLC发送数据的可信赖传感器。远端安全漏洞的影响是值得重视的问题。例如，假如受损的传感器发送假造的油罐液面或管道压力数据，那么据此采纳的办法(或许不采纳办法)将或许形成灾难性结果。这难道是骇人听闻吗?彻底不是。但的确有少量灾难性结果是因为受损的传感器数据形成的。假如数据受损，可彻底抛开使用传感器数据猜测保护需求的大数据剖析程序。此处利害攸关的要害是正常工作以及整体工业功率——工业4.0的柱石。
并非一切传感器的物理安全都能时间确保，特别当传感器被用于十分偏僻的方位来监测石油和天然气现场时，如图6中所示。方位偏僻使其很简单遭到物理攻击，所以在承受传感器数据之前对其进行安全认证就至关重要。
图6.远端传感器特别简单遭到物理攻击或安全损坏，安全认证办法可防止假造方位及不正确的状况信息。
幸亏的是，咱们早在几年前就建立了医疗和耗材(例如打印机墨盒)的安全认证办法。现在，安全认证现已成为标配，而且有必要使用遵从安全认证协议的防篡改器材完成。
图7所示的简化概念方框图为选用对称SHA 256算法的硬件安全认证方案。SHA-256协议依据安全认证器材之间的质询-应对交流，在接纳和读取传感器数据之前，对传感器进行安全认证。SHA-256安全认证使攻击者不能衔接至网络来假充传感器乃至使用受损体系替代传感器体系。
图7. 依据SHA-256的安全认证，用于选用HART或其它任何通讯规范的远端现场传感器。传感器和主机均已知页数据(32字节)和密钥(2字节)。传输字节数量方面有较小的开支。
总结
工业4.0是描绘互连互通制作业的现代化方案，其间将不同的分布式PLC、传感器及其它现场设备的数据会聚在一起，充分发挥剖析和优化软件的优势。工业4.0有望优化制作财物，包含正常工作、拟定保护方案、电源功率，以及更高效地使用一切资源。制作数据也可集成到企业的ERP和CRM软件中，然后高效地规划制作进程，乃至使用客户的信息来改动组装线和进程参数。
但是，当您着手互连一切别离的制作体系时，需求考虑十分重要的体系规划要素，咱们在本文中现已评论了其间几项。咱们介绍了怎么使用新式硅技能，特别是模仿/混合信号域，处理此类工业体系应战。这些新集成技能不只答应您缩小传感器体系和PLC的尺度，也供给了在现场的要害I/O设备中高性价比添加嵌入式安全的途径。
