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將大數據分析范圍擴大到工廠網絡邊緣

2020-05-26
作者:ADI公司 Brendan O’Dowd
來源:ADI

2019年11月對IEEE 802.3cg標準的認可標志著引入工廠操作員在網絡邊緣連接設備截然不同的新方式,使他們不再受到基于傳統4 mA至20 mA和HART?通信接口的基礎設施的限制。

802.3cg標準也稱為10BASE-T1L,是一種工業以太網網絡協議。通過該協議,可以打破在工廠執行一線服務的基本操作設備(傳感器、閥、執行器和控件)與實現新智能工廠智能的企業數據、比特和字節庫之間的屏障。10BASE-T1L網絡將成為向數據和分析驅動型工廠運營模式轉變的重要推動因素,這種趨勢被稱為工業4.0。

這是否意味著工業工程師就應準備用10BASE-T1L基礎設施替換4 mA至20 mA或HART系統,即使802.3cg標準才剛剛設定?

從4 mA至20 mA或HART成功轉變為10BASE-T1L的關鍵因素是什么?

 

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圖1.10BASE-T1L可對工廠網絡邊緣進行大數據分析

數據分析支持提高生產力和效率

工業4.0實施正在橫掃每一個現代工廠運作。工業4.0的核心是希望通過大數據獲利。新分析軟件已經開始改變工業操作和維護工廠設備及廠房的方式。當通過分析得到的見解揭示明顯不同的數據集的模式時,通常是最深刻的。

能夠從工廠設備中可靠地獲取的數據越多,數據類型越多,軟件支持狀態監控和預測性維護等先進功能的機會就越多。4 mA至20 mA和HART接口的低數據帶寬以及將其集成到企業計算基礎設施的有限范圍,阻礙了工程師向這些傳統端點應用分析。4 mA至20 mA和HART技術還限制了可供應給端點的電量和遠程操作設備的范圍。

因此,通過將現有4 mA至20 mA或HART設備轉變為10BASE-T1L可獲得數據的優勢,使用這些數據后,可提高生產力和效率。智能互聯工廠通常能夠減少計劃外停機,減少能源浪費,更好地利用設備和其他資產,以及更有效地部署人員。10BASE-T1L連接承諾將這些優勢延伸到工廠的各個角落,在這些地方,傳感器和其他端點在企業網絡范圍之外運行。

10BASE-T1L:更高的數據速率和功率輸出

安裝10BASE-T1L設備的情況取決于802.3cg標準提供的一組功能。10BASE-T1L連接提供以下功能:

· 通過長達1千米的電纜實現最大數據速率10 Mbps。

· 向Zone 0本質安全應用中的端點提供高達500 mW功率,從而操作比4 mA至20 mA或HART系統所能支持的更廣泛、更復雜的端點。它還可向非本質安全應用提供高達60 W功率,具體取決于布線。

· 有可能重復使用現有、已安裝的雙絞線。

· 豐富的設備管理選項,包括從連接的設備提供診斷數據,以及為其提供軟件更新。

· 每個節點的互聯網協議(IP)地址,將物聯網功能擴展到工廠網絡邊緣。通過IP地址,不僅可監控節點,還可遠程管理節點。

· 與企業網絡基礎設施集成。

從硬件的角度來看,實施10BASE-T1L設備通常很簡單。這是因為用于10BASE-T1L通信的物理介質是一根雙絞線。這甚至可能是傳輸4 mA至20 mA或HART通信的同一根電纜。802.3cg標準支持安裝在危險(防爆)環境中。

早期可能在混合設備上實施10BASE-T1L,混合設備同時支持舊接口(如4 mA至20 mA)和新工業以太網協議。

在10BASE-T1L上取得成功

ADI公司將在許多客戶采用工業4.0技術的過程中扮演重要角色。我們的經驗表明,兩個關鍵因素將決定10BASE-T1L項目是否成功:

· 對數據的關注

· 網絡安全性

一旦關注起10BASE-T1L實施的操作細節,工程師可能就會忽略實施它的原因,即揭開端點(如傳感器)操作的真相,并將其中的豐富數據流饋入企業級數據分析引擎中。

因此,10BASE-T1L項目取得成功面臨的最大風險不是端點本身,而是物理基礎設施;問題通常出現在后端,當對處理和使用來自新連接端點的數據集準備不充分時。

因此,著手安裝10BASE-T1L的工業工程師應該考慮到這些問題:

· 通過從傳感器和其他端點獲得的數據,我能獲得哪些類型的見解?

· 如何將這些數據整合到企業級控制系統?來自端點的數據的格式是否兼容或是否需要轉換?

· 通過數據分析得出的見解將如何改進過程或系統?

工程師要面臨的第二個關鍵問題是安全性。只要端點通過10BASE-T1L網絡連接,端點面臨的威脅的性質就會發生很大的改變。以前通過4 mA至20 mA連接時,不夠復雜的連接降低了攻擊風險。

802.3cg標準提供的出色連接(包括每個節點的IP地址)使得每個端點都容易受到通過企業網絡進行的遠程攻擊。工廠一安裝10BASE-T1L,將4 mA至20 mA或HART端點與網絡隔離的固有物理防火墻就會消失。

這意味著,各個節點和網絡基礎設施本身必須通過實施各種技術來確保安全,如:

· 通過加密設備ID進行的設備安全認證

· 數據傳輸加密

· 阻止外部實體訪問安全設備的防火墻

 

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 圖2.使用10BASE-T1L為企業級數據分析引擎解鎖豐富的數據流

 

從工業4.0項目中汲取經驗教訓

在802.3cg標準認可后,一直在加速開發10BASE-T1L兼容的組件和設備。在我們這方面,ADI一直與工業設備制造商合作,確保他們能夠遵循路線圖,推出支持10BASE-T1L網絡的系統。業界預計,到2021年中提供10BASE-T1L功能的產品將上市。

ADI在支持客戶實施新技術方面的豐富經驗將有助于成功推出這些10BASE-T1L產品。工業自動化部門將支持這種技術的實施,因為這個部門將以技術為中心的開發人員和專注于客戶應用的市場導向型人員組合在一起。這種基于團隊的模式將技術專業知識與市場洞察力相結合,帶給客戶正確的指導。

對于10BASE-T1L,這種模式將提供PHY產品并支持完整通信堆棧。它還考慮到了工業產品較長的商業使用壽命,由預測連續生產數十年兼容10BASE-T1L產品來滿足工業客戶期戶的路線圖支持。

ADI公司和其他公司快速開發10BASE-T1L組件,將使工業設備制造商能夠開始開發支持工業以太網技術的新產品。在支持標準開發過程的強大工業公司聯盟的支持下,10BASE-T1L技術預計將取代4 mA至20 mA和HART接口,并加速采用工業4.0。

 

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圖3.ADI Chronous、可擴展以太網,恰到好處

 

Brendan O'Dowd

Brendan O’Dowd是ADI公司工業自動化業務部總經理,該部門專注于工廠環境中現實世界信息的感知、交流、解譯和分析技術開發。他是一位工廠環境中人機協作技術專家,致力于以顛覆性技術創新打造未來工廠。Brendan擁有30多年的技術行業經驗,在加入ADI公司之前,曾就職于Tellabs和Apple。他擁有科克理工學院工程學位和利默里克大學計算機工程碩士學位。


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