工業4.0 CPS AI 人工智慧 IOT IIoT TSN

盤點安全/同步/互通性 通訊標準牽動工業4.0未來

2020-05-11
工業4.0發展正值起飛階段,是IT與OT融合的大好時機,有望進一步加速工業生產自動化願景的實現。然而工業通訊標準多樣化,如何串連不同協定,同時保障傳輸的穩定和安全是首要課題。

 

當下正處在第四次工業革命(工業4.0)之起始,透過將資訊科技(IT)與營運科技(OT)整合,實現較之以前更高的自動化程度。工業4.0基於創建智慧基礎架構之根深蒂固原則,可優化製造流程並顯著提高產出量。此基礎設施將在很大程度上仰賴透過物理網路系統(CPS)和人工智慧(AI)演算法驅動並控制的物聯網(IoT)設備。 相較傳統製造系統,智慧製造系統將能夠提供更明顯競爭優勢,從而為早期採用者帶來更多商業利益。除了能夠提高生產率水準外,還可以實現各種跨功能操作的互連。它們更可以帶來預測性維護等好處,譬如監控系統運作狀況,警示潛在問題,從而延長設備使用壽命,並降低停機風險。

工業物聯網(IIoT)的出現意味著機器對機器通訊可以向下延伸到非常細微級別上實現。透過這種方式,可以支援連續資料獲取和分析,並即時採取恰當措施,進而使生產/加工設施更安全、更高效。但是,當下最大挑戰是將IIoT前提條件(尤其是其網路要求)彙整為某種形式共識,由此可降低複雜性、推動標準化,並簡化工業物聯網之部署。

工業通訊標準「百百款」

工廠中一台機器通常連接到許多網路以實現不同功能或應用,所有這些網路都基於其自身具體協定。多年來,已經發展出許多不同通訊協定,其中一些支援原有系統的特殊需求,而另一些則基於新標準。考慮到製造產業技術前進步伐,令人驚訝的是,具有四十年歷史的乙太網路協定依然在核心領域盛行。

工業乙太網路既可提供確定性控制,又可提供即時控制。在工業領域,有許多與乙太網路相關的協定,例如乙太網路/IP、Modbus TCP、PROFINET、EtherCAT、乙太網路Powerlink、BACnet和Sercos III等。但是,研究表明,Modbus TCP(仰賴於輪詢機制)目前被大多數人視為事實上的開放標準。Modbus在應用層面提供的優化消息架構非常適合於大部分工業應用場景,僅需要一個請求-回應模式,並且如果有必要使用發布-訂閱模式,則訊息佇列遙測傳輸(MQTT)可以滿足此目的。

MQTT是基於事件的物聯網協定,它非常輕巧,可以部署在低頻寬網路和遠端位置(這兩者在Industry 4.0/IIoT環境中均密切相關)。MQTT消除了對閘道的需求,但缺乏相互通性。解決此問題的一種方法是透過Modbus訊息架構格式化資料,然後傳輸MQTT有效載荷並使用UTF-8格式發布消息。

工業網路安全問題待解決 

OT和IT的融合使生產線中的機器設備處於非常多樣和複雜的環境,並帶來了新漏洞。網路攻擊在滲透到製造網路後,可於其中橫向移動,在IT/OT系統之間跳轉並進行惡意活動(例如停止機器設備運作或導致IP洩漏)。

對於希望採用工業4.0的製造商來說,網路安全是一個主要關切。未受支援的作業系統、未修補的漏洞和暴露的系統將使實體和數位製造設備均面臨風險。IEC 62443網路安全標準為製造商提供了有關保護其工業自動化和控制系統(IACS)的重要建議。一些基本安全原則包括限制用戶訪問、強制功能變數名稱/子網限制、禁用目錄清單以及刪除不需要的(或不再適用的)服務。

研究表明,在製造過程中,使用陳舊和過時軟體仍然很普遍,因為機器不停地運作,而且在許多狀況下,無法停機進行急需的軟體升級。如果不進行應用更新,可能發生互通性失敗的風險。不幸的是,這可能招致舊的網路病毒來感染設備。在生產環境中複製機器和系統隔離測試環境可以協助使用者瞭解軟體更新/補丁的影響,如果測試過程顯示出成功結果,並不干擾機器設備運作,則可以隨後將其正式部署在生產環境中。

「時間」要求嚴格 TSN成工業自動化關鍵

在工業自動化中,時間是一個關鍵要素。對於進行端到端傳輸,具有不可協商時間邊界的即時通訊,網路上所有設備都需要具有共同時間參考。這是一項強制性要求,以便使所有設備都一致運作,並且在精確時間刻度內採取對時間要求嚴格的行動。這導致另一個概念出現,稱為時間敏感網路(TSN)。

實現時間同步的一種方法是使用GPS時鐘或無線電。這需要與衛星訊號連續連接,但是卻不可能總是保證這一點。因此,TSN系統中時間元素通常使用中央時間源直接透過整個網路進行分配,這種方法是基於IEEE 1588精確時間協定,利用乙太網路幀分發時間同步訊息。

無線閘道

為了給自動化流程提供最大價值,基於IP的同構網路必須與周圍多樣化異構生態系統進行通訊。系統內部與外部世界之間通訊必須連續、相容、可靠,而且當然是安全的,這可以透過充當仲介者(Mediator)的互通性閘道來滿足IIoT基線要求。儘管新連接標準不斷浮出水面(其中許多為無線),但網路中長期存在的傳統基礎設施架構仍然仰仗有線協定。領先廠商正在努力創建一種中間無線閘道解決方案,它們可以支援多種有線和無線協定(例如Modbus、Wi-Sun、Fieldbus和IEC 61850、以及IEEE 802.11a/b/g/n Wi-Fi)、802.15.4、RS-232和BASE-T乙太網路等)。

無線互通性閘道可提供邊緣運算功能,這對於未來幾年的IIoT基礎設施至關重要。在工業設備缺乏智慧狀況下,邊際運算可以透過在網路邊際添加防火牆和虛擬私有網路(VPN)增強安全性。

滿足生產自動化需求 工業聯網標準無縫串連

工業4.0透過使用最新的變革性數位技術在實體世界和數位世界之間建立聯繫,其中網路基礎架構應能夠跨越所有應用而無縫地傳輸獲取資料。此外,它還應具有可伸縮性、靈活性並支援連續可用性。

儘管PROFINET已有15年歷史,但它仍具有眾多引人注目之屬性,因此是當前規畫部署中非常有力的候選技術。PROFINET是一個開放標準,包含在基礎廣泛工業乙太網路協定系列中,該標準能夠滿足現代生產/過程自動化所有主要操作和安全要求,並具有更好性能和更高成本效益。它還能為整套驅動技術提供服務,一直到包括同步運動控制等應用。

憑藉其模組化的功能系列,PROFINET是一種具備內在靈活性且多功能的解決方案。它在IEC 61158和IEC 61784中進行了標準化,並以高達100Mbps資料速率運作,確定性操作可為時間敏感系統提供即時支援。儘管人們普遍認為TSN是為了改善確定性和解決「標準」乙太網路中的延遲而引入,但是TSN與PROFINET的整合使用同樣具有PROFINET基本益處,具有同步即時性(IRT)–頻寬預留、高級別準確度、服務品質、診斷功能等。TSN限於OSI模型第2層,因此,仍需要更強大的PROFINET等應用層協定(位於第5到第7層)才可完成資料傳送。

在諸多人看來,這種趨勢至少將使PROFINET在中短期內成為工業4.0之骨幹技術。而從更長遠看,一旦技術最終確立,就可以進一步向5G轉移,因為它將提供同等(或更好)資料速率和延遲特性,同時具備無線技術的更大便利。但是,這將需要一些時間,因為很難將其改變去適應原有硬體,但隨著設備壽命週期終止並被替換,PROFINET終可被引入。

(本文作者任職於貿澤電子)

 

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