10BASE-T1L：將大數(shù)據(jù)分析范圍擴(kuò)大到工廠網(wǎng)絡(luò)邊緣

2019年11月對(duì)IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可標(biāo)志著引入工廠操作員在網(wǎng)絡(luò)邊緣連接設(shè)備截然不同的新方式，使他們不再受到基于傳統(tǒng)4 mA至20 mA和HART^?通信接口的基礎(chǔ)設(shè)施的限制。

802.3cg標(biāo)準(zhǔn)也稱為10BASE-T1L，是一種工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過該協(xié)議，可以打破在工廠執(zhí)行一線服務(wù)的基本操作設(shè)備（傳感器、閥、執(zhí)行器和控件）與實(shí)現(xiàn)新智能工廠智能的企業(yè)數(shù)據(jù)、比特和字節(jié)庫之間的屏障。10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò)將成為向數(shù)據(jù)和分析驅(qū)動(dòng)型工廠運(yùn)營模式轉(zhuǎn)變的重要推動(dòng)因素，這種趨勢(shì)被稱為工業(yè)4.0。

這是否意味著工業(yè)工程師就應(yīng)準(zhǔn)備用10BASE-T1L基礎(chǔ)設(shè)施替換4 mA至20 mA或HART系統(tǒng)，即使802.3cg標(biāo)準(zhǔn)才剛剛設(shè)定？

從4 mA至20 mA或HART成功轉(zhuǎn)變?yōu)?0BASE-T1L的關(guān)鍵因素是什么？

圖1.10BASE-T1L可對(duì)工廠網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析支持提高生產(chǎn)力和效率

工業(yè)4.0實(shí)施正在橫掃每一個(gè)現(xiàn)代工廠運(yùn)作。工業(yè)4.0的核心是希望通過大數(shù)據(jù)獲利。新分析軟件已經(jīng)開始改變工業(yè)操作和維護(hù)工廠設(shè)備及廠房的方式。當(dāng)通過分析得到的見解揭示明顯不同的數(shù)據(jù)集的模式時(shí)，通常是最深刻的。

能夠從工廠設(shè)備中可靠地獲取的數(shù)據(jù)越多，數(shù)據(jù)類型越多，軟件支持狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)等先進(jìn)功能的機(jī)會(huì)就越多。4 mA至20 mA和HART接口的低數(shù)據(jù)帶寬以及將其集成到企業(yè)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的有限范圍，阻礙了工程師向這些傳統(tǒng)端點(diǎn)應(yīng)用分析。4 mA至20 mA和HART技術(shù)還限制了可供應(yīng)給端點(diǎn)的電量和遠(yuǎn)程操作設(shè)備的范圍。

因此，通過將現(xiàn)有4 mA至20 mA或HART設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)?0BASE-T1L可獲得數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，使用這些數(shù)據(jù)后，可提高生產(chǎn)力和效率。智能互聯(lián)工廠通常能夠減少計(jì)劃外停機(jī)，減少能源浪費(fèi)，更好地利用設(shè)備和其他資產(chǎn)，以及更有效地部署人員。10BASE-T1L連接承諾將這些優(yōu)勢(shì)延伸到工廠的各個(gè)角落，在這些地方，傳感器和其他端點(diǎn)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)范圍之外運(yùn)行。

10BASE-T1L：更高的數(shù)據(jù)速率和功率輸出

安裝10BASE-T1L設(shè)備的情況取決于802.3cg標(biāo)準(zhǔn)提供的一組功能。10BASE-T1L連接提供以下功能：

●   通過長達(dá)1千米的電纜實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)速率10 Mbps。

●   向Zone 0本質(zhì)安全應(yīng)用中的端點(diǎn)提供高達(dá)500 mW功率，從而操作比4 mA至20 mA或HART系統(tǒng)所能支持的更廣泛、更復(fù)雜的端點(diǎn)。它還可向非本質(zhì)安全應(yīng)用提供高達(dá)60 W功率，具體取決于布線。

●   有可能重復(fù)使用現(xiàn)有、已安裝的雙絞線。

●   豐富的設(shè)備管理選項(xiàng)，包括從連接的設(shè)備提供診斷數(shù)據(jù)，以及為其提供軟件更新。

●   每個(gè)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)地址，將物聯(lián)網(wǎng)功能擴(kuò)展到工廠網(wǎng)絡(luò)邊緣。通過IP地址，不僅可監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，還可遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)。

●   與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施集成。

從硬件的角度來看，實(shí)施10BASE-T1L設(shè)備通常很簡單。這是因?yàn)橛糜?0BASE-T1L通信的物理介質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)支持安裝在危險(xiǎn)（防爆）環(huán)境中。

早期可能在混合設(shè)備上實(shí)施10BASE-T1L，混合設(shè)備同時(shí)支持舊接口（如4 mA至20 mA）和新工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

圖2.使用10BASE-T1L為企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)分析引擎解鎖豐富的數(shù)據(jù)流

在10BASE-T1L上取得成功

ADI公司將在許多客戶采用工業(yè)4.0技術(shù)的過程中扮演重要角色。我們的經(jīng)驗(yàn)表明，兩個(gè)關(guān)鍵因素將決定10BASE-T1L項(xiàng)目是否成功：

●   對(duì)數(shù)據(jù)的關(guān)注

●   網(wǎng)絡(luò)安全性

一旦關(guān)注起10BASE-T1L實(shí)施的操作細(xì)節(jié)，工程師可能就會(huì)忽略實(shí)施它的原因，即揭開端點(diǎn)（如傳感器）操作的真相，并將其中的豐富數(shù)據(jù)流饋入企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)分析引擎中。

因此，10BASE-T1L項(xiàng)目取得成功面臨的最大風(fēng)險(xiǎn)不是端點(diǎn)本身，而是物理基礎(chǔ)設(shè)施；問題通常出現(xiàn)在后端，當(dāng)對(duì)處理和使用來自新連接端點(diǎn)的數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備不充分時(shí)。

因此，著手安裝10BASE-T1L的工業(yè)工程師應(yīng)該考慮到這些問題：

●   通過從傳感器和其他端點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)，我能獲得哪些類型的見解？

●   如何將這些數(shù)據(jù)整合到企業(yè)級(jí)控制系統(tǒng)？來自端點(diǎn)的數(shù)據(jù)的格式是否兼容或是否需要轉(zhuǎn)換？

●   通過數(shù)據(jù)分析得出的見解將如何改進(jìn)過程或系統(tǒng)？

工程師要面臨的第二個(gè)關(guān)鍵問題是安全性。只要端點(diǎn)通過10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò)連接，端點(diǎn)面臨的威脅的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生很大的改變。以前通過4 mA至20 mA連接時(shí)，不夠復(fù)雜的連接降低了攻擊風(fēng)險(xiǎn)。

802.3cg標(biāo)準(zhǔn)提供的出色連接（包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)的IP地址）使得每個(gè)端點(diǎn)都容易受到通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的遠(yuǎn)程攻擊。工廠一安裝10BASE-T1L，將4 mA至20 mA或HART端點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)隔離的固有物理防火墻就會(huì)消失。

這意味著，各個(gè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施本身必須通過實(shí)施各種技術(shù)來確保安全，如：

●   通過加密設(shè)備ID進(jìn)行的設(shè)備安全認(rèn)證

●   數(shù)據(jù)傳輸加密

●   阻止外部實(shí)體訪問安全設(shè)備的防火墻

圖3.ADI Chronous、可擴(kuò)展以太網(wǎng)，恰到好處

從工業(yè)4.0項(xiàng)目中汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

在802.3cg標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可后，一直在加速開發(fā)10BASE-T1L兼容的組件和設(shè)備。在我們這方面，ADI一直與工業(yè)設(shè)備制造商合作，確保他們能夠遵循路線圖，推出支持10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。業(yè)界預(yù)計(jì)，到2021年中提供10BASE-T1L功能的產(chǎn)品將上市。

ADI在支持客戶實(shí)施新技術(shù)方面的豐富經(jīng)驗(yàn)將有助于成功推出這些10BASE-T1L產(chǎn)品。工業(yè)自動(dòng)化部門將支持這種技術(shù)的實(shí)施，因?yàn)檫@個(gè)部門將以技術(shù)為中心的開發(fā)人員和專注于客戶應(yīng)用的市場(chǎng)導(dǎo)向型人員組合在一起。這種基于團(tuán)隊(duì)的模式將技術(shù)專業(yè)知識(shí)與市場(chǎng)洞察力相結(jié)合，帶給客戶正確的指導(dǎo)。

對(duì)于10BASE-T1L，這種模式將提供PHY產(chǎn)品并支持完整通信堆棧。它還考慮到了工業(yè)產(chǎn)品較長的商業(yè)使用壽命，由預(yù)測(cè)連續(xù)生產(chǎn)數(shù)十年兼容10BASE-T1L產(chǎn)品來滿足工業(yè)客戶期戶的路線圖支持。

ADI公司和其他公司快速開發(fā)10BASE-T1L組件，將使工業(yè)設(shè)備制造商能夠開始開發(fā)支持工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新產(chǎn)品。在支持標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)過程的強(qiáng)大工業(yè)公司聯(lián)盟的支持下，10BASE-T1L技術(shù)預(yù)計(jì)將取代4 mA至20 mA和HART接口，并加速采用工業(yè)4.0。

作者簡介

Brendan O'Dowd

Brendan O’Dowd是ADI公司工業(yè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)部總經(jīng)理，該部門專注于工廠環(huán)境中現(xiàn)實(shí)世界信息的感知、交流、解譯和分析技術(shù)開發(fā)。他是一位工廠環(huán)境中人機(jī)協(xié)作技術(shù)專家，致力于以顛覆性技術(shù)創(chuàng)新打造未來工廠。Brendan擁有30多年的技術(shù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在加入ADI公司之前，曾就職于Tellabs和Apple。他擁有科克理工學(xué)院工程學(xué)位和利默里克大學(xué)計(jì)算機(jī)工程碩士學(xué)位。