如何搭建面向工业4.0的新一代网络架构？_互联网资讯__分享互联网新鲜有趣好玩的事物-云易优站长平台

本文图片来源：CEChina

在工业4.0时代，跟着工业智能化的迭代速度加快，现现在，企业引入工业物联网、边沿计算等新兴手艺，已经是一件稀松平常的事。

多年来，以太网手艺的普遍应用，为企业在整个消费系统中夯实工业收集根底，缔造了极佳的前提。

那么，企业若何搭建一个契合工业4.0尺度的收集架构？在IT/OT深度交融的历程中，在业界热门的TSN（时间敏感收集）手艺饰演着什么角色？若何保障工场各个层级收集数据的平安呢？

请看百通赫思曼收集系统国际商业（上海）有限公司亚太区产物市场高级参谋阮逸宸，在2022（第十一届）全球主动化和造造主题峰会上的演讲。

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工业智能化的历程

从18世纪起，工业智能化不断在源源不竭更迭。从60年代的蒸汽动力、机械化，到19世纪末的电气化和大规模消费，再到20世纪60年代起的工业3.0，以及我们正在履历的工业4.0，当然，将来很有可能的工业5.0、人机协做。

说起工业3.0到工业4.0的转型，必然会提到物联网和工业物联网。物联网在工业范畴的应用，使得工业物联网浮出水面。不管是预测和预防性的传感器，仍是工业机器人，都能够通过联网提拔消费效率。通过运用机器对机器的进修和通信，和其他大数据手艺，工业物联网已经让企业的运营效率、可靠性得到了显著提拔。当然，工业物联网也让数字化转型成为可能，并在工业生态系统革射中阐扬着关键感化。

我们能够将工业4.0，视为工业和计算互相交融的趋向，那一概念的核心是操纵收集系统和工业物联网、云计算、人工智能、大数据进修和其他相关手艺，对硬件设备和智能化的过程，以停止更好的控造，显著进步消费效率。

工业4.0的构建模块

现现在，数字化正在深切每一个行业，工业范畴也适应着那一手艺晋级的趋向，参加了潮水傍边，逐渐引入如工业物联网、边沿计算、聪慧工场、智能电网等新概念和新手艺。正因如斯，每一个层级的收集根底设备的通信都必需无缝毗连，关键则在于各设备间能够停止可靠的通信和不变的信号传输。

现在，工业生态系统正从基于专有收集通信协议的现场总线手艺，转向尺度收集，如以太网和基于802.11的WiFi和IP协议，在工业消费系统中摆设尺度化、交融和平安的收集，为利用工业物联网奠基了坚实根底。

▲工业主动化架构

在造造业中，数字化转型代表着从入库到出库供给链的主动化，关于像石油和天然气那类行业，则可能要从开采精炼到分销，整条价值链上都需要实现主动化。固然供给商的设备差别，应用规格等城市因为设备而产生差别，但是大大都尺度的布线毗连核心收集，还有平安尺度，仍然能够参考那个架构。

在那此中，数据是实现一切的根底，而在今天的大大都工场中，数据仍然处于孤立的不成拜候的孤岛中。为突破孤立，IT和OT交融的概念应运而生。而合理的IT/OT交融，也并不是是创建一个大型的扁平收集，而是一个受庇护的、只允许恰当数据流的收集，而选择性的共享是有效和平安收集的关键。

当然，要打通信息孤岛的根底，并非硬件和收集的交融就能够处理。还有一个因素，那就是人。负责差别区域和收集的团队，在采取对方的过程中，总会陪伴着适应和调整。

▲IT/OT交融的根底

虽然两个群体之间存在着良多差别，但是他们也有可能是走向交融的，让有效的问题得到解答，明白的决策造定原因，以及准确理解缩略词和术语的含义，诚笃和开放，在此中阐扬了重要的感化。

TSN使IT/OT交融成为可能

企业在满足了差别团队充实磨合的根本前提后，第二个能使IT/OT交融的关键就是TSN（时间敏感收集）。TSN是一套在实现收集层面确定性数据传输的协议尺度，它可以允许信息在公共根底架构上，跨IT和OT差别的收集停止传输，且不会影响性能或时效性。

▲TSN使IT/OT交融成为可能

通过基于时间定义队列，TSN可确保通过交换收集的流量具有有限的更大延迟。因而TSN是满足工业4.0诸多需求的根底。通过TSN从工场车间到云端、前台或是此中的任何处所，整个工场的所有数据均可共存和通信。TSN将基于以太网数据传输确实定性，提拔了一个级别，那也是传统以太网手艺所无法到达的。

TSN是IEEE802.1 TSN工做组开发的一系列数据链路层协议标准的统称，用于指点和开发低延时、低颤动并具有传输时间确定性的以太网局域网，是传统以太网在一些特定应用情况下的加强功用的实现。

当前已经发布的TSN系列标准，可大要分为4个部门：时间同步、调度延时、可靠性和资本办理：

时间同步

标准基于数据链路层，停止以交换机为关键节点的时钟同步机造的实现，次要来自于IEEE1588时间同步协议的简化版本，更适用于实时性精度要求较高的通信传输场景。

调度延时

在交换机多个输出队列的严酷优先级形式下，操纵门轮回列表GCL（Gate Control List）来控造每个队列的开关时间窗口，来实现时间感知整形器TAS的功用；GCL凡是有8~16组，可通过灵敏设置装备摆设，来实现差别延时需求的调度规则集合，进而对应差别优先级帧的更大传输延时包管，来实现传输延时确定性和带宽的不变性。

可靠性

比拟传统的通信错误恢复机造，可以在一般通信链路发作错误时，操纵在冗余途径中的实时数据包管通信不连续，能够十分好地满足高实时高可靠性的应用场景。

资本办理

标准类似于收集办理之类的协议和设置装备摆设格局的一些规定，合适于灵敏组网、易于维护的一些应用情况。

工业4.0的收集构架

差别层级中时间敏感收集的重要性，在工业4.0中起着不成轻忽的感化：

0，1的现场层，常用的设备有消费机器、IO模块、网关、工业AP、工业接入级交换机；

第二层控造层级，常见有PLC、工业级会聚交换机；

第三层监控层级也被称为SCADA级别，一般会在那个层面利用核心骨干交换机，摆设SCADA系统以及人机界面；

3.5层消费收集隔离层，次要感化是将对收集的需求是低延时性和高可靠性的工业收集，和次要的需求在于收集高速度，可拓展性的IT收集相交融，且既要包管特定的信息可以再两个收集之间畅通，也要包管工业收集不会遭到来自IT收集的外界入侵，同时还要满足办理人员对收集的监控和办理。

第四层是IT办公室收集，包罗无线AP，条记本电脑，摄像头等。最初的第五层就来到了互联网和云。

此中，工业OT收集的根底设备和应用都在控造层级。控造层级负责对设备的根本控造，由控造器构成、批示和把持主动化过程，次要与现场层级接口。在离散情况中，凡是接纳PLC，而在过程主动化情况中会接纳DCS。

PLC、DCS与现场和监控级设备之间的通信，凡是基于以太网手艺。在那个层级所用到的以太网通信设备，所处的情况可能存在的极端温差、频繁的震动/冲击以及高湿度的情况，所以设备需契合工业平安尺度，撑持响应的工业协议，不只巩固可靠，还需易于利用、易于安拆。

在监控层级，也就是SCADA系统所在的层级，是使命关键型OT收集的一部门。在该收集中，实时性和高可用性是需要前提。该级别需要设备可以抵御恶劣的情况前提，高容错性以及收集平安。

关于高容错性，就不能不提到工业尺度IEC62439，在那套尺度所供给的的冗余协议有RSTP快速生成树协议、MRP介量冗余协议、PRP并行冗余协议，还有HSR高可用性无缝环网。

那些冗余协议，也是为安在那个层级必需利用工业通信设备的次要原因之一。它们可以包管OT收集的低延时，高不变性，包管消费设备不会因为收集毛病而停机，从而制止动辄万万的经济丧失，那是一般贸易设备所无法企及的。

此外，在IT/OT交融根底之上还需要包管差别收集交融的平安性。消费收集隔离层，也叫缓冲区，那一层的功用是包管可信收集（工业收集）和不成行收集（企业收集）数据的平安。

近年来，工业主动化与控造系统（IACS）所遭受的收集攻击日益增加。例如在2010年，Stuxnet蠕虫攻击了伊朗的铀浓缩设备，2015年Black Energy 歹意软件攻击了乌克兰电网。那连续串的收集攻击表白，IACS自己的根本平安保障长短常缺乏的，一旦链接了IT收集，等于是将工业区完全表露在危险之中。

所以在那一层，需要利用贸易级和工业级两种防火墙，在入口和出口同时供给收集平安保障。因为两种防火墙的职责和拜候权限差别，一个防火墙中设置装备摆设的错误规则不会传布到另一个防火墙，从而可以降低风险并进步恢复才能。

别的，3.5层的呈现，可以帮忙收集办理员，更全面地监控整个OT收集，即便是多供给商情况中的收集和办事器组件，也可通过利用收集办理软件办理并监视。为收集供给实时庇护和快速毛病响应，实现及时修复、优化设备一般运行时间和平安性外，那层还肩负了无线末端和挪动末端的接入，以及平安长途拜候的功用，拓展了OT收集的区域的限造。