【導讀】工業(yè)領(lǐng)域的工廠(chǎng)長(cháng)期以來(lái)一直使用數字數據來(lái)監視和控制生產(chǎn)設施。工廠(chǎng)、數據中心和商業(yè)建筑中的大型網(wǎng)絡(luò )系統一直在將其數字信息網(wǎng)絡(luò )的邊緣越來(lái)越近地推向現實(shí)物理世界。溫度、壓力、接近或光等物理測量值會(huì )被轉換為數字信息以供系統處理，計算出的結果隨后會(huì )轉化為實(shí)際設備（如閥門(mén)、風(fēng)扇、電源和指示器等）的物理動(dòng)作。信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò )與運營(yíng)技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò )正趨向于使用類(lèi)似的技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化整個(gè)組織的數據流。
工業(yè)領(lǐng)域的工廠(chǎng)長(cháng)期以來(lái)一直使用數字數據來(lái)監視和控制生產(chǎn)設施。工廠(chǎng)、數據中心和商業(yè)建筑中的大型網(wǎng)絡(luò )系統一直在將其數字信息網(wǎng)絡(luò )的邊緣越來(lái)越近地推向現實(shí)物理世界。溫度、壓力、接近或光等物理測量值會(huì )被轉換為數字信息以供系統處理，計算出的結果隨后會(huì )轉化為實(shí)際設備（如閥門(mén)、風(fēng)扇、電源和指示器等）的物理動(dòng)作。信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò )與運營(yíng)技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò )正趨向于使用類(lèi)似的技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化整個(gè)組織的數據流。
若想使IT與OT更緊密地結合在一起，其中一種方法是使用單一底層網(wǎng)絡(luò )在各個(gè)系統之間建立通信。當電子技術(shù)首次進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域時(shí)，各種分布式子系統都是專(zhuān)業(yè)化的，并且由使用的硬件定義。針對這些域特定的硬件架構，分別定義了針對特定應用而優(yōu)化的通信技術(shù)。每個(gè)硬件系統都使用專(zhuān)門(mén)的總線(xiàn)進(jìn)行通信，因此需要通過(guò)復雜的網(wǎng)關(guān)從一個(gè)硬件系統的通信協(xié)議轉換到另一個(gè)硬件系統的通信協(xié)議。
隨著(zhù)時(shí)間的推移，這種過(guò)時(shí)的架構逐漸被軟件定義的集中式架構所取代。在新架構中，不再使用獨立分離的域或功能，而是將電子接口分組到企業(yè)內的各個(gè)區域并與現代的集中式計算平臺相連。這些電子接口使用現在無(wú)處不在的以太網(wǎng)技術(shù)將數據傳輸到需要的地方。以太網(wǎng)是可擴展的。單個(gè)軟件協(xié)議?？梢允褂貌煌挠布?a target="_blank">物理層以不同的速度傳遞信息，而不改變數據本身。無(wú)論給定以太網(wǎng)鏈路的帶寬如何，都使用同一種以太網(wǎng)幀格式。以太網(wǎng)交換機自動(dòng)調整每個(gè)端口的數據傳輸速度。
在網(wǎng)絡(luò )邊緣，各種傳感器（溫度、壓力、光和接近等）從物理世界獲取數據并將其轉換為數字信息。數據信息經(jīng)過(guò)處理后轉化為執行器（電機、燈、風(fēng)扇和閥門(mén)等）的物理動(dòng)作。這些設備通常不需要大量數據，但著(zhù)重要求布線(xiàn)簡(jiǎn)單且易于安裝。10BASE-T1S以太網(wǎng)專(zhuān)為這些應用而開(kāi)發(fā)，它將以太網(wǎng)架構引入到了非常簡(jiǎn)單的設備中。圖1呈現了這一技術(shù)趨勢。
10BASE-T1S技術(shù)
10BASE-T1S以太網(wǎng)專(zhuān)門(mén)針對這些分區架構而開(kāi)發(fā)。它通過(guò)一個(gè)平衡線(xiàn)對以10 Mbps的速度運行。10BASE-T1S技術(shù)基于40多年前以太網(wǎng)首次成為標準時(shí)使用的簡(jiǎn)單機制，但對其進(jìn)行了增強以更有效地利用所有可用帶寬。
以太網(wǎng)最初使用單根同軸線(xiàn)纜直接連接多個(gè)設備?，F今廣泛使用的交換機是后來(lái)開(kāi)發(fā)的，旨在消除原始方案的多分支特性所導致的缺點(diǎn)。但是，交換機的出現增加了復雜度和成本，而且需要在每個(gè)設備與交換機之間建立一條點(diǎn)對點(diǎn)連接。
最初以太網(wǎng)的工作原理是各種設備檢測其所連接的線(xiàn)路，然后嘗試發(fā)送數據。如果只有一個(gè)設備開(kāi)始進(jìn)行發(fā)送，則可以發(fā)送完整的數據包信息。如果多個(gè)設備同時(shí)嘗試進(jìn)行發(fā)送，則線(xiàn)路上將發(fā)生沖突，并且所有設備都會(huì )檢測到?jīng)_突。這些設備隨后將關(guān)閉，并在一段隨機時(shí)間后重試。這項技術(shù)被稱(chēng)為帶沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)（CSMA/CD）。其主要缺點(diǎn)是隨著(zhù)越來(lái)越多的設備連接到單線(xiàn)主干網(wǎng)，將會(huì )發(fā)生更多的沖突，并且會(huì )浪費越來(lái)越多的時(shí)間進(jìn)行退出和重試。鏈路的有效帶寬會(huì )變得非常有限。
物理層防沖突（PLCA）
10BASE-T1S以太網(wǎng)通過(guò)引入一種名為PLCA物理層防沖突（PLCA）的仲裁機制解決了這一問(wèn)題。PLCA專(zhuān)門(mén)設計用于10BASE-T1S等半雙工、多分支通信網(wǎng)絡(luò )，并且消除了多分支混合段中的CSMA/CD問(wèn)題。
PLCA部署到位后，發(fā)送周期從協(xié)調器節點(diǎn)（節點(diǎn)0）發(fā)出信標開(kāi)始，各網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)使用該信標進(jìn)行同步。發(fā)出信標后，發(fā)送機會(huì )將傳遞給節點(diǎn)1。如果節點(diǎn)1沒(méi)有要發(fā)送的數據，則會(huì )將發(fā)送機會(huì )讓給節點(diǎn)2，以此類(lèi)推，直到每個(gè)節點(diǎn)都至少獲得一次發(fā)送機會(huì )。然后，協(xié)調器節點(diǎn)會(huì )發(fā)起一個(gè)新周期，并發(fā)送另一個(gè)信標。
為了防止某個(gè)節點(diǎn)一直占用總線(xiàn)，jabber功能會(huì )在該節點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間超出限額時(shí)將其中斷，讓下一個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送。最終結果是數據吞吐量不會(huì )受到影響，總線(xiàn)上也不會(huì )發(fā)生數據沖突。CSMA/CD可能會(huì )因數據沖突而產(chǎn)生隨機延時(shí)。PLCA可保證延時(shí)不會(huì )超過(guò)指定上限并提供其他相關(guān)特性，從而克服上述限制。圖2說(shuō)明了PLCA的工作原理。
安全
當數據位和字節在線(xiàn)路中從一個(gè)設備傳輸到另一個(gè)設備并恢復后，會(huì )以標準以太網(wǎng)數據包格式提供給更高的軟件層。該格式包含目標地址、源地址、一些管理位和有效負載。格式不會(huì )隨著(zhù)物理層的變化而改變。這意味著(zhù)即使越來(lái)越多的數據聚集等待計算機系統處理，導致網(wǎng)絡(luò )速度發(fā)生變化，軟件層也仍然保持不變。圖3顯示了整體概念。
可以使用以太網(wǎng)機制來(lái)連接這些設備，而不必在OT網(wǎng)絡(luò )的端點(diǎn)使用多種現場(chǎng)總線(xiàn)和協(xié)議。這些都可以使用易于理解的以太網(wǎng)機制來(lái)解決。
這其中包括各種安全機制，用于防止入侵或窺探數據，更糟糕的還有干擾物理系統使用數據。由于以太網(wǎng)極具彈性，因此可用于銀行業(yè)等安全性非常高的應用。其他專(zhuān)用通信技術(shù)可能很少甚至根本沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )安全功能，必須從頭開(kāi)發(fā)并進(jìn)行維護。此外，還必須落實(shí)提供這些功能的物流保障，這可要比硬件產(chǎn)品的設計和制造復雜得多。不但針對設施的訪(fǎng)問(wèn)需要控制，而且供應鏈的任何環(huán)節都可能發(fā)生可信鏈漏洞。很少有半導體供應商能夠承擔這項任務(wù)。
以太網(wǎng)是數據分析基礎設施不可或缺的一部分。大數據用于分析趨勢并提供服務(wù)。預測性維護、遠程診斷和其他監視服務(wù)需要訪(fǎng)問(wèn)系統中的所有數據，而以太網(wǎng)可以提供對工業(yè)基礎設施最遠范圍的訪(fǎng)問(wèn)。與此同時(shí)，軟件可以管理各種流程并隨著(zhù)技術(shù)的變化實(shí)現動(dòng)態(tài)調整，二者相輔相成。
功能安全
使用以太網(wǎng)等標準化技術(shù)還可以簡(jiǎn)化功能安全系統的開(kāi)發(fā)。功能安全是指當系統中的某個(gè)組件出現故障時(shí)，系統能夠以可預測的方式做出反應，從而安全地避免引發(fā)更多問(wèn)題。不同行業(yè)有不同的標準。例如，汽車(chē)行業(yè)有ISO26262。工業(yè)應用使用IEC61508。醫療、消費類(lèi)和其他應用都有自己的標準。但是，基本上都大同小異。功能安全適用于整個(gè)系統，但系統設計人員需要確保使用的組件支持功能安全，以便整個(gè)系統符合功能安全標準。
例如，半導體元件需要配備功能安全手冊，用以分析和診斷失效模式的影響。這被稱(chēng)為FMEDA（失效模式影響和診斷分析），是一種確定失效原因及其對系統影響的方法。該方法應用于系統開(kāi)發(fā)的早期階段，以便檢測并糾正任何缺陷。
總結
OT網(wǎng)絡(luò )和IT網(wǎng)絡(luò )需要實(shí)現互操作性和安全性，而10BASE-T1S以太網(wǎng)的出現為二者的結合創(chuàng )造了新的商機。數據可以從網(wǎng)絡(luò )邊緣的節點(diǎn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并可用于實(shí)現新的智能預測服務(wù)以及資產(chǎn)跟蹤和管理解決方案。
通過(guò)精簡(jiǎn)元件、軟件設計和布線(xiàn)可以降低系統成本。不再需要網(wǎng)關(guān)。由于多個(gè)設備通過(guò)單對線(xiàn)纜連接到一條總線(xiàn)，因此使用的交換機端口數量有所減少。
通過(guò)使用統一的接口和完善的安全機制可以降低風(fēng)險。10BASE-T1S以太網(wǎng)是對IIoT網(wǎng)絡(luò )邊緣傳統解決方案的有力補充。它支持OT網(wǎng)絡(luò )和IT網(wǎng)絡(luò )各個(gè)級別的統一設計、軟件開(kāi)發(fā)、測試和維護。精簡(jiǎn)架構和增強安全功能可以幫助設計人員降低風(fēng)險，輕松打造功能安全系統。
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