IIoT需要怎样的工业以太网

发布时间：2017-03-27 www.cechina.cn

　　随着以太网作为工业网络不断地更新升级，各个公司也在加速工业自动化系统和企业应用之间的深化整合。通过分析在IT网络通讯过程中收集到的装配故障数据，会呈现出怎样的效率提升？或者在与材料供应商的货品计价相关联的材料的废数据中可以发现什么珍贵的商业情报？网络灵活性开启的业务新模式，让已经企业的管理层越来越难以忽视。
　　IIoT需要工业以太网
　　工业物联网（IIoT）在传感器技术、无线连接、能量采集、大数据以及云计算方面的创新，是在设备、系统和人之间进行无缝信息交换的一部分，它为制造企业在整个价值链上提高业绩、灵活性和响应能力铺平了道路。IIoT的发展需要工业以太网，通过以太网提供的数据，大数据分析可以为企业提供更有价值的信息。

　　考虑到更加高速的工艺对以太网的要求，以及更多的数据采集，工厂需要一个冗余网络，这样就可以很容易地在控制层解决网络问题。全网的可见性也会给边缘设备提供可依赖的网络。
　　一个具有三层路由器和二层管理型交换机的主机就可以满足核心网络的需求。二层非管理型交换机要求扩展包含在IP地址层的端口状态透明度，以及提高端口的服务质量，使之适应需要大量自动化网络的企业运行环境。不过缺点是这样的交换机价格昂贵并且实施的时候需要一个相对长的启动时间。
　　低成本管理型交换机
　　市场研究机构IHS的John Morse预测，“低成本的、较低功能性的二层交换机的采用，会更经济地满足用户的需求，就像更多的网路被扩展，以满足IIoT时代对于连接程度的需求。”在IHS2014年的一份关于工业以太网基础设施组件市场的报告中就指出，“从长远来看，随着企业对于成本的考量，非管理型交换机的需求将会逐步放缓，就像网络集线器一样。”
　　为了让自动化和IT软件获取更多端口状态的可见性，作为边缘交换机的二层非管理型交换机必须支持Modbus／TCP以及简单网络管理协议（SNMP）通讯。这会允许监测控制和数据采集（SCADA）、人机界面（HMI）软件、以及IT网络管理系统（NMS）软件实时地监控交换机设备的状态。
　　以太网的可靠性
　　随着更多的可编程逻辑控制器（PLC）、输入／输出（I／O）设备、终端计算机以及HMI等与以太网相连接，对以太网的鲁棒性要求会越来越高。对于那些没有进行升级、无法获得网络边缘透明度的自动化团队来说，可能会带来指数级的能源消耗。随着边缘设备的增加以及数据采集功能的提高，需要人工检查交换机的机会会减少，通过自动化的连接系统，会将损失的数据和设备情况及时上传。
　　更大的网络透明度加快了自动化和IT团队的故障诊断。支持Modbus／TCP以及SNMP协议的边缘交换机技术也让故障诊断更容易。在这个融合的网络模式里，团队可以快速地获得网络问题的解决方案。
　　例如，来自于工厂车间中温度传感器的数据可能对于工程师进行工艺分析，以及IT部门进行云存储和商业过程分析来说都很重要；一旦发现数据丢失变得明显，两个团队都可以及时发送或接收报警。

　　一个网络诊断模型支持在SCADA／HMI以及中央IT使用的NMS上查看实时的端口状态。

　　启用诊断功能
　　更强大的是增加了诊断功能，来自系统控制和IT部门的两个团队都可以进行诊断。例如，他们诊断出以太网线与托管温度传感器的边缘交换机I／O输入的第五个端口之间的连接中断，并通知相关部门进行必要的修复。对于一个具有板载代理Modbus／TCP和SNMP协议的边缘交换机来说这完全可以胜任。更加智能的边缘交换机甚至在每个端口上提供详细的统计信息，包括速度、连接计数器、多路广播信息包计数、单路广播信息包计数以及误差计数等。使用同时支持SNMP的边缘交换机，可以让IT团队的网络管理系统或软件执行前后连续的状态监控。
　　为了跟上设备数量的增长和数据需求的多样性，将会发生更多类似这样的以太网应用，可以从设备层到控制层以及中央办公室上轻松地查看以太网。
　　相关：什么是工业以太网？
　　工业以太网是在以太网技术和TCP／IP技术的基础上开发出来的一种工业网络。以前，以太网一般是在商业应用中作为办公网络用的，目前以太网在工业应用中的使用成为热点，将来工业以太网由可能成为工业控制网络结构的主要形式，形成一网到底的局面。
　　为什么人们要试图在工业应用中使用以太网哪？这是因为，目前以太网是应用中最为广泛的一种局域网，以太网商业上的巨大成功、很高的认知度以及技术上的进步，使得以太网在工业领域中使用会带来多方面的好处。

　　1． 使用以太网要比其它现场总线容易。
　　这体现在几个方面：一般情况下，用户或多或少会有一些以太网的知识和使用经验，这可以降低用户培训所需要的时间和资金上的投入；以太网技术的广泛使用使得人类积累了很多相关知识，碰到问题比较容易解决；以太网产品种类丰富，由很多相关的软件硬件产品，使得以太网技术容易使用；以太网有很多种，可支持多种传输介质、多种传输速率，满足各种应用的需求。
　　2． 以太网产品的价格比较低廉。
　　由于以太网市场空间大，以太网产品通常可以把批量做的比较大，并且以太网市场产品供应商很多，竞争激烈，产品价格低廉，使用以太网就会降低成本。目前虽然商业以太网产品的价格很低，但是工业以太网产品的价格仍然较高，如果工业以太网能够广泛应用，成本和价格自然会降下来。
　　3． 以太网技术发展迅猛，技术先进，是现场总线所无法比拟的。
　　就传输速率而言，目前以太网的传输速率已经达到10Gbit／s，而现场总线的传输速率一般都在10Mbit／s以下。
　　4． 信息集成更加方便。
　　由于很多企业局域网用的是以太网，在工业应用中也使用以太网，可以使得信息集成更加方便。而通过把工业网络与企业内部网，甚至因特网相集成，可以使得电子商务、电子制造等的实现更加方便。
　　5． 符合控制网结构扁平化的要求。
　　目前，控制网的结构是多层的，分的层次越多，系统越复杂，维护越困难。如果使用工业以太网，完全可以实现信息层网络和控制层网络所需要的功能，所以，最终可能扁平化为一层，出现以太网“一网打尽”的局面。
　　但是，在工业应用中广泛采用以太网面临两大问题。首先，以太网最初是为办公自动化应用而开发的，是一种非确定性的网络，并且工作环境往往很好。而工业应用中的部分数据传输实时性要求很高，否则会发生事故；并且工业应用的环境比较恶劣，比如强震动、高温或低温、高湿度、强电磁干扰等。其次，以太网是介质访问控制（MAC－Medium Access Control）协议使用带碰撞检测的载波侦听多址访问（CSMA／CD－Carrier Sense ／Multiple Access with Collision Detection ）的网络的统称，它本身并不提供标准的面向工业应用的应用层协议。所以，为了满足工业应用的要求，必须在以太网技术和TCP／IP技术的基础上做进一步的工作。概括的说，对于前一个问题，解决方法是做一些改进，使得以太网能够实现确定性通信，并且能在恶劣环境下正常工作；对于后一个问题，解决方法由3种：一种是把现有的工业应用协议与以太网、TCP／IP集成在一起；另外一种是在以太网和现有的工业网络之间安装网关，进行协议转换；还有一种方法是干脆重新开发应用层协议。
　　目前，已经形成较有影响的工业以太网有基金会现场总线高速以太网（FFHSE－Foundation Fieldbus High－Speed Ethernet）、Ethernet／IP、PROFINET、Modbus TCP／IP等。
　　多种工业以太网的存在有带来一个新的问题：各种工业以太网使用的工业应用层协议互不兼容，虽然这些协议都可以在同一个以太网上运行，但是为不类型的工业以太网开发的设备之间仍然无法实现互操作。为了解决这些问题，用于过程控制的对象连接与嵌入［OPC－Object Linking and Embedding（OLE） for Process Control］基金会与2003年6月发布了OPC数据交换（OPCDX－OPC Data eXchangs）标准。OPC 基金会是一个致力于提高自动化系统中的互操作性的非盈利组织，它所制定的OPC 系列标准是在微软的组件对象模型（COM－Component Object Modle）、分布式组件对象模型（DCOM－Distributed Component Object Modle）及OLE的基础上制定的关于工业自动化软件开发的一系列标准。
　　目前在工业应用中，信息层网络大量用的是以太网，通常使用商用以太网。在控制层，工业以太网也已经有许多应用，并且增长很迅速。在设备层，工业以太网的应用还不是很多。虽然用以太网来连接变频器、机器人等复杂设备还是比较合适的，但用以太网连接简单的传感器或执行器还体现不出自身的优势。不过，随着因特网的迅猛发展、以太网技术的不断进步、工厂网络体系结构的进一步扁平化，在未来的工业应用中，出现以太网“一网打尽”的局面也是可能的。
　　工业物联网生态系统的正确姿势
　　工业4.0仅是一种被技术提供商带着销售目的过分夸大华而不实的术语？还是在未来几个月或几年内就能够实现的行业趋势？
　　诸多迹象表明，工业4．0是行业大势。工业4．0也被称作第四次工业革命，其中包括自动化技术的大量应用以及在数字工厂中更大的数据交互。工业4．0名称的由来，归因于早期的制造阶段——机械化、电气化以及电子信息化三个历史阶段。

　　工业1．0是机械制造时代，即18世纪引入的机械设备制造时代；时间大概是18世纪60年代至19世纪中期
　　就是通过水力和蒸汽机实现工厂机械化。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到以工业、机械制造带动经济发展的新模式。那时的机械设备还没有 电气自动化控制 的概念。
　　工业2．0是电气化与自动化时代，即20世纪初的电气化与自动化时代；时间大概是19世纪后半期至20世纪初。
　　也就是在劳动分工基础上采用电力驱动产品的大规模生产；因为有了电力，所以才进入了由继电器、电气自动化控制 机械设备生产的年代。这次的工业革命，通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的高效新模式。
　　工业3．0是电子信息化时代，即20世纪70年代开始并一直延续至现在的信息化时代。
　　在升级工业2．0的基础上，广泛应用电子与信息技术，使制造过程自动化控制程度再进一步大幅度提高。生产效率、良品率、分工合作、机械设备寿命都得到了前所未有的提高。在此阶段，工厂大量采用由 PC、PLC／单片机等真正电子、信息技术自动化控制的机械设备进行生产。自此，机器能够逐步替代人类作业，不仅接管了相当比例的“体力劳动”，还接管了一些“脑力劳动”。
　　工业4．0概念是德国政府2013年《高技术战略2020》 确定的十大未来项目之一，并已上升为国家战略，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。
　　工业 4．0 是实体物理世界与虚拟网络世界融合的时代。但德国业界对工业4．0的响应者却不多，原因之一是所谓的虚拟网络－实体物理系统（Cyber－ Physical System，CPS）融合的主要思想，美国早在若干年前就已提出。未来10年，基于 信息物理系统（Cyber－PhysicalSystem，CPS）的智能化，将使人类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。产品全生命周期、全制造流程数字化以及基于信息通信技术的模块集成，将形成一种高度灵活、个性化、数字化的产品与服务融合新生产模式。
　　工业4．0概念涵盖许多相关技术和服务模式，例如云计算、大数据分析、物理网络系统（CPS）、机器技术、增强现实（VR）、物联网等。在工业4．0时代，制造型企业将建立并运营比以往更加智能的工厂，他们可以轻松满足客户定制化需求。这种模式被称为工业物联网或IIoT。
　　技术协同
　　推动工业4．0通常需要技术协作。例如，CPS为云服务提供支持，这使得智能对象和基于云的编程模块实现交互；大数据分析能力使得机器变得越发智能，其他新兴技术如人工智能（AI）、增强现实（VR）、3D打印等解决方案为工厂提供了前所未有的敏捷、精准、高效的制造环境。
　　麦肯锡指出，工业4．0不仅仅是一个华而不实的口号，趋势与技术的融合有望重塑制造方法。
　　在发展过程中，数据量，计算能力，连接量大幅度上升；数据分析能力和商业智能（BI）进步明显；新型人机交互可用性增强；数字化革命成果显著——例如先进的机器技术和3D打印技术的出现。
　　麦肯锡建议企业密切关注工业4．0的进展，以便抓住工业4．0相关技术创造的新机遇。传统的制造商业模式正在被新型模式所替代。为了获取工业4．0所带来的效益，必须为接下来的数字化变革做好充足的准备。

　　支持工业4．0应用的平台需要开放的系统以适应不断变化的市场需求和行业趋势。在未来几年新技术出现之时，加以利用。
　　未来工厂将是一个可以及时被改造和塑造的有机体，他们将连接比以往任何时候都多的实体，如客户服务中心、原材料供应链、分销渠道等。而今天的制造环境通常是由制造厂互不兼容的自动化技术组合而成，这不利于各制造系统间进行数据共享。智慧工厂将利用物联网云平台获得整个企业制造业务的智能控制能力。
　　机器学习算法能够识别生产模式和提取反馈，可用于优化生产操作。预测性分析可确定整个工厂系统故障以便及时修复或更换设备避免耽误生产期。
　　在现代的生产环境中，工厂数据被交付云端，云端可以提供可视化操作以及强大的分析工具，以便提出更高层次的业务操作流程。
　　举个例子，英国的一个大型制造商在世界各地拥有工厂，他们正在汇集所有工厂的自动化平台上的数据，以将各种设备数据、实时数据传送到统一公共云平台上并创建自定义视图。这将让企业从整体视角看到所有的业务操作，便于提高生产效率。
　　工业4．0技术使能智慧工厂的关键驱动因素是推动个性化生产，与大规模批量生产不同，它能够满足客户即时的需求提供高度定制化的产品。
　　生态的力量
　　未来工厂的潜力不是来自企业内部，而是外部。由于工业4．0被证明可能适用于个别公司，因此IT、运营和业务部门的高管需要从更全面的角度来看待这一趋势。他们需要意识到投资的最大回报应该来自构建工业4．0生态系统，包括设计、生产、运输和产品使用等。
　　通过连接工业4．0的生态合作伙伴，生态系统中各个组成部分能够提供更大的市场价值。类比于生物学概念，细胞无法单独工作，而是依赖互利共生的有机整体。物联网尤其是云服务能够提供必要的组织架构，帮助各部分高效协同的工作，创建能够在互相关联的生态关系中获取利益的商业模式和智能操作。
　　工业4．0生态合作伙伴的的关键技术组件在于应用程序接口（API）。制造厂向合作伙伴开放API可以促进合作伙伴创建各种所需的应用程序。
　　为实现这一途径，公司需要部署物联联网平台，这能够促使整个生态合作伙伴以PaaS的服务模式分享面向服务的API。应用将快速对不同的资源和数据类型进行业务分析，而过去需要专门的程序员进行分析。并轻松适配云供应商特定的数据提取、差异存储、分布式计算和机器学习的API。
　　通过利用API和云计算，企业将建立并分享新一代面向制造的物联网应用，这将是工业4．0或工业物联网的核心。这不仅提供更强的智力和更高的效率也带来了商业模式的变革。
　　构建一个能够制造独特的、高度定制化产品的智慧工厂，消费者或企业需要找寻高度依赖与利用工业4．0的全部潜力。一个新的专为最新的制造革命API平台正在出现，它将帮助公司快速开发，管理甚至进行产品盈利服务。