第四次工业革命正在改动咱们制作产品的办法，这要归功于制作和加工设备的数字化。曩昔几十年，咱们现已见证了自动化技能带来的优点，现在跟着数据处理、机器学习和人工智能的 前进，进一步促进了自动化体系的开展。现在，自动化体系的互联水平日益进步，能够完成数据通讯、剖析和解译，并在工厂区域完成辅佐智能决议方案和操作。智能工厂方案则经过进步产值、财物运用率和全体生产力来发明新的商业价值。它们运用新数据流来完成灵活性和优化质量，一起下降能耗并削减废物残留。此外，云端衔接智能体系经过支撑大规模定制，使制作环境愈加高效。
工业4.0的优势便是能够充沛运用不断添加的数据做出更好的决议方案。在整个自动化体系中，能否及时获取和传输数据取决于衔接网络。为应对日益增长的数据量，网络技能以及制作工艺流 程和办法都有必要不断改善。智能、互联的自动化环境需求数字衔接体系、机器、机器人等，以创立和同享信息。这些机器选用的通讯办法以及布置的工厂通讯网络是企业的中心，也是推进完成工业4.0的要害。
整个厂区的一切（乃至长途方位）传感器和驱动器都需求无缝衔接，但运用现有的根底设备无法完成。假如未来需求经过企业层级的数据来供给可行的见地，咱们面对的应战便是找到一 种办法，使这些史无前例的海量数据能够在不损坏通讯网络的状况下传输。这就提出了一个问题：怎么规划、构建和布置能够满意当今自动化环境和未来虚拟工厂需求的工业通讯网络。
图1. 云根底设备。
为何挑选工业以太网？
由于互联是完成工业4.0愿景的中心，因而企业要真实完成互联，有必要满意三个条件。榜首，更高水平的信息技能(IT)或企业根底设备有必要与厂区的操控网络交融。第二，厂区中现有的各 种网络或生产单位有必要协同共存，支撑交互操作。第三，咱们需求在整个工艺环境中完成无缝、安全的衔接，从工艺终端一向到企业云。
为了应对这些应战，咱们需求选用支撑完成互操作性、可扩展性和掩盖规模方针的根底网络技能。布置广泛的以太网技能便是抱负的解决方案。它供给高带宽，支撑快速调试，还能够广 泛布置在一切制作环境的IT根底设备中。
可是，考虑到实时操作的需求，标准以太网并不能作为工业操控根底设备的可行解决方案。操作技能(OT)操控网络需求保证将通讯音讯按时送达既定方位。以保证手头的使命或流程操作 无误。用于路由流量的TCP/IP协议并不能从实质上保证确定性功用到达这种水平。与标准以太网支撑文件同享或拜访网络设备（如打印机）的办法相同，工业以太网答应操控器拜访数据，并将来自PLC的指令发送给厂区遍地的传感器、驱动器和机器人。要害的差异在于推迟或未送达音讯形成的影响。在非实时运用中，网页更新缓慢带来的影响很小，但在制作环境中，则或许导致从糟蹋材料到形成意外人身损伤等很大影响。为了使操控体系正常作业，音讯有必要每次都牢靠、按时地送达方针方位。
因而，工业以太网已成为操控级操作技能的首选技能。不仅是IT和高层级OT网络之间，工厂OT网络的各层级和终端节点传感器之间都要完成无缝衔接，如图3所示。现在，在低层级OT网络 中完成衔接需求运用杂乱的高功耗网关，在更高层级的以太网中，则需求运用交融IT/OT网络。具有掩盖整个厂区，根据以太网、可互操作的自动化网络之后，则无需再运用这些网关，因而能够简化网络自身。事实上，用于转化和支撑OT网络上层衔接的协议网关不能直接寻址，而且会在网络中形成阻隔。这种数据阻隔会约束整个工厂同享信息的才能。这与之前描绘的工业4.0愿景各走各路，制作商本来期望从OT端搜集遥测数据来驱动IT端的剖析和业务流程。
由于数据包交给和时序确实定性可保证操控运用满意强制要求，所以许多供货商开端供给合适OT网络的实时协议。这导致解决方案尽管是确定性的，但依赖于各供货商的协议。因而呈现了很多不兼容的解决方案，每种解决方案选用不同类型的通讯协议在不同制作单元内运转，且彼此之间不能互操作。由此导致长期存在数据阻隔或数据孤岛问题。所以需求一种解决方案，使选用不同协议的不同制作部分能够共存，且能够在不下降操控流量的状况下同享网络。这种解决方案便是时刻灵敏型网络(TSN)——一种根据IEEE 802.1标准、与供货商无关的实时以太 网标准。望文生义，TSN重视时刻。它将标准以太网通讯转化成为使命要害型运用供给时序保证的通讯。该标准旨在保证信息能够在固定的可猜测时刻内从一个点移动到另一个点。TSN经过 这种办法保证及时交给。为了使通讯可猜测，网络上的设备有必要运用同一个时刻概念。该标准界说了一种办法，能够依照方案传输特定的TSN以太网帧，一起答应尽最大努力传输非TSN帧（参见图4）。经过这种办法，TSN支撑实时和非实时流量在同一网络上共存。由于一切设备选用相同的时刻，所以能够在高达千兆的速度下以低推迟和低颤动传输重要数据。
其方针是构建交融网络，其间每个协议都能选用确定性的牢靠办法同享线路。TSN是供给所需确定性的标准工具箱。它代表向牢靠的标准化衔接体系架构的过渡，经过专用现场总线消除数据阻隔。这种网络交融反过来又经过进步网络自身的可扩展性，在10 Mbps至1 Gbps乃至更大的带宽规模内推进生成更多数据。
或许的状况是，新设备中会全面选用TSN，但在现有工厂部分单位中则逐渐选用。关于现场设备的制作商来说，这意味着在不久的将来，需求一起支撑传统的工业以太网解决方案以及TSN。
图2. 两大范畴的交融：信息技能(IT)和操作技能(OT)。
扩展到进程终端
咱们终究（或许最具影响力）的改变是能够在进程操控运用中支撑从终端节点到企业云的无缝衔接，如图5所示。迄今为止，与终端的衔接一向遭到现有4 mA至20 mA或可用现场总线技能的 约束。在许多施行方案中，这些都是硬连线的点对点衔接，约束了网络随时刻开展和扩增的灵活性。这些并非根据以太网的现场通讯面对几个应战。首要，十分有限的带宽（例如，HART®选用4 mA至20 mA的带宽为1.2 kbps）约束了信息流的数量和速度。其次，仪器仪表自身的功率输入有限，约束了仪器仪表的功用。终究，操控和IT等级的网关开支不行继续。别的，在0区的实质安全环境内运转，并测验运用现有线缆网络来支撑更快速、更低价的调试也是一项应战。
这些都推进10BASE-T1L全双工通讯的IEEE 802.3cg-2019™标准不断开展。这项标准最近已取得同意，界说了经过长达1 km的单对双绞线供电完成10 Mbps全双工通讯的相关标准。现在，数据将作为以太网数据包在传感器中运用，并经过以太网数据包的方式在OT和IT根底设备中传输。无需进行转化（会导致推迟，耗费功率和发生本钱开支）。现有的网络架构将发生改变（如图5所示），长途I/O单元将转化为以太网现场交流机。现在经过10BASE-T1L多端口现场交流机，能够在操控器与现场仪器仪表之间进行以太网指令传输。在现场节点取得的见地信息则能够作为以太网数据包（具有更高带宽）经过现场交流网络传输给PLC/DCS，终究传输到云。
有几大共同优势，能够推进从传统现场总线向工业以太网改变。首要，可重复运用现有的布线根底设备（长达1 km），然后简化布置并下降改形本钱。其次，经过电缆传输到仪器仪表本 身的可用功率曾经约束在36 mW（选用4 mA至20 mA布置时的最佳值），现在在0区（实质安全运用）中能够到达60 W（取决于电缆）或500 mW。额定的可用功率现在可支撑具有终端智能和更 多功用的仪器仪表。协作现在可用的10 Mbit上行链路速度，预期能够供给更多的洞悉信息，然后完成工业4.0的出资报答功率。
图3. 自动化体系金字塔。
现在有哪些可用技能？
需求将强壮的低推迟、低功耗物理层新技能与可扩展交流机架构相结合，以支撑自动化网络的开展。ADI一向处在工业以太网开展的前沿，咱们运用丰厚的自动化范畴专业知识和先进技能不断开发广泛的解决方案产品组合，旨在保证在工业运用中牢靠交给时刻要害型数据，完成无缝衔接和高效运转。ADI的Chronous™可扩展以太网解决方案产品组合包含物理层设备(PHY)、嵌入式交流机，以及选用多协议软件的完好渠道解决方案。这些都经过充沛测验和验证，可加快产品上市速度。
图4. 时刻灵敏型网络特性。
首要解决方案包含：
● ADIN1200 , 职业抢先的10 Mbps/100 Mbps工业以太网物理层设备，具有增强型功用集，牢靠性经过验证。
● ADIN1300 , 职业抢先的低推迟、低功耗千兆物理层设备，牢靠性经过验证，合适苛刻的运用环境。
● fido5200 / fido5100 ,，实时嵌入式双端口多协议交流芯片，支撑多种可用的TSN功用。新TSN功用能够经过可用的固件更新来完成。还支撑多协议软件更新，可经过ADI Chronous开发人员门户获取。
牢靠性经过验证、可扩展且完好的以太网解决方案能够简化体系规划并缩短开发时刻，ADI Chronous便是针对客户需求专门规划的这样一款解决方案。它是日臻完善的可扩展以太网方案。
为了支撑这种过渡，为传统的现场设备供给网络衔接，ADI开发了一种称为软件可装备I/O的新技能 （ AD74413R ） 。这将有助于开发现场可装备长途I/O单元，以完成传统仪器仪表与高层级以太网网络的交融。
图5. 终端到云的无缝衔接。
安全性怎么？
以太网存在安全漏洞，而安全性是影响工业4.0技能遍及的要害问题之一。假如在OT和IT之间以及从终端到云的整个企业规模内创立敞开的信息流，安全漏洞或许形成毁灭性影响。
在规划工业4.0战略时，安全性应该是一个根本危险办理考虑要素。可是，在当今日益杂乱的网络中构建安全性并不简单；需求选用多层办法保证体系自身是安全的——无论是终端设备、 操控器仍是网关和仓库。ADI Chronous产品系列能够在体系的每个节点都供给安全性，一起最大极限地削减功耗、功用和推迟方面的权衡。
图6. ADI Chronous—职业抢先的工业以太网解决方案。
布置规划
尽管工业以太网在近些年取得了长足开展，但人们仍在运用现场总线和其他传统网络技能。咱们都认可根据工业以太网的交融网络带来了许多优点。包含：简化网络架构、经过移除网关 下降本钱、消除硬连线衔接、体系改善优化、添加正常运转时刻等。新标准的同意施行将加快完成这种期待已久的过渡。关于更高功用衔接网络的需求，以及OT和IT体系之间更高程度的集成都在推进这一进程。TSN是加快施行交融网络的根底，与10BASE-T1L结合运用可完成无缝终端-云衔接。这种搬迁一蹴即至，但其潜在的优点十分诱人，因而其遍及速度或许会超越标准职业标准。
工业4.0愿景的中心是运用具有搜集、发送和接纳信息才能的衔接设备完成流程自动化。ADI Chronous为咱们带来了曾经经过许多终端节点设备无法取得的数据和洞悉力，然后拓荒了新 的数据剖析和操作洞悉范畴。工业以太网衔接经过将现有和未来的数据流从自动化网络无缝传输至云，开辟出这一全新的运用范畴。
现在，咱们无法拜访的信息和洞悉数据孤岛还依然存在，但跟着工业以太网布置日益遍及，工业4.0面对的应战将转向安全性，以及怎么运用这些数据来充沛提高商业价值。与具有数十 年经历堆集、值得信任的工业商场产品同伴协作将是正确的挑选。ADI公司具有深沉的范畴专业知识、技能经历和广泛的解决方案，能够帮助您加快向未来的智能工厂过渡。
图7. 供给可信数据，保证网络安全。
作者：Fiona Treacy
Fiona Treacy是进程操控和自动化的战略营销司理，在ADI公司专心于工业衔接。在此之前，Fiona担任MeasureWare和其他精密仪器方案的商场推广作业。她还担任过运用工程和测验开发方面的职务。Fiona具有利默里克大学的运用物理学士学位和工商办理硕士学位。
