工业物联网 充满机遇与挑战的道路

物联网(IoT)一词往往与商业、工业和政府环境内的“智能物体”之间的嵌入式机器对机器(M2M)网络通信相关联。
        凭借其提供连接物体的实时可见性和控制能力,物联网网络注定将给我们的生活带来无与伦比的透明度和效率。工业是物联网的重要应用领域。基于物联网的智能工业模式正是当前工业发展的新热潮,因此形成的工业物联网网络也随之不断地发展与完善。
        目前,虽然专有的通信协议已在工业物联网应用的网络通信中长期占据主导地位,但日益提高的联网能力和物联网网络的高带宽需求,已使以太网成为了取代传统通信协议阻力最小的升级途径。以太网及TCP/IP通信技术在IT行业获得了很大的成功,成为IT行业应用中首选的网络通信技术。
        近年来,由于国际现场总线技术标准化工作没有达到人们理想中的结果,以太网及TCP/IP技术逐步在工业自动化中得到应用,并发展成为一种技术潮流。
        以太网在工业自动化中的应用应该区分为两个方面问题,或者说两个层次的问题。一是工厂自动化技术与IT技术结合,与互连网Internet技术结合,成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。大多数专家们对自动化技术这种发展趋势给予肯定的评价。
        另一个方面,即以太网能否在工业过程控制底层,也就是设备层或称为现场层广泛应用?能否成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业物联网网络标准?这些问题实为目前自动化行业专家们争论的热点。
 
        为了充分满足这些需求,下一代以太网技术必须发展演进,并为以下三项关键功能提供原生支持:
        1)可靠性和确定性性能
        2)精确的授时和同步
        3)安全性我们将关注为什么这些功能是必不可少的,以及它们将如何帮助以太网应对未来工业物联网网络将面临的一些主要挑战。
        一个风险游戏:工业物联网网络要求可靠性和确定性性能在工业物联网中,采用的自治、对等(peer-to-peer)分布控制,远比任何消费性物联网的要求更高。数据采集、记录和分析不断且实时发生。利用能够比人类更快地处理任务的系统,在无需人工干预的情况下,可靠和安全地运行是至关重要。
        例如,仓库中物料搬运设备可感知沿着传送带移动的包裹。它通过RFID标签或条形码辨认物料,并基于该信息相应引导该物料到下条传送带。通信故障可能潜在性地导致成本增加或威胁人员安全的风险。
        现在想象一下一个监控一座核电站结构性健康的网络。
        错误检测和可靠性承担着更高的代价,因为在这样环境中的通信故障可能造成灾难性的后果,包括变电站崩溃、环境污染和死亡。
        在这些环境中,工业物联网网络有严格的性能和可靠性要求,包括:
        (1)容错能力(2)安全(3)低延迟(4)低功耗无处不在的覆盖随着物联网网络加速其向以太网的过渡,它们可以利用由城域以太网论坛(MetroEthernetForum,MEF)所定义的、标准化的、电信级的服务定义来确定“电信级以太网”。这些标准尤其重要,因为物联网网络不可能承担在网络性能、稳定性或服务可靠性等方面的妥协。我们将看到,随着更多的物联网网络采用以太网,它们将寻求部署高性价比的、电信级的设备,以满足这些实时需要的、高性能的联网服务。
        授时和同步对工业物联网网络至关重要IEEE1588v2精密时间协议(1588或PTP)将在包括有线物联网网络在内的、各种下一代网络中起到举足轻重的作用。起源于工业自动化领域的1588能够非常准确地授时,可为实时应用提供精确的计时时间(time-of-day,ToD)信息,以及时间戳输入、调度和同步输出。
        这种能力将最大限度地减少了传统控制网络的性能限制,如“响应时间抖动”等,支持共同完成时间敏感任务的那些完全不同的和分散的智能对象间的实时通信和互动,包括自动流量管理系统和自动驾驶汽车到智能电网管理。以自动流量管理为例。1588可以为与公路和铁路互连的流量管理系统提供可视性和动态控制,允许运营商基于客流量灵活调整时刻表。
        同样,在自动驾驶汽车领域内,1588可以提供道路实时流量和拥塞数据,与自主车辆通信,以实现畅顺的交通流量。
        纵观智能电网,公用事业公司可以使用1588来管理分散的能量供应源,如风力发电机或光伏系统。带有1588功能的智能电网也可让公用事业公司访问实时负载数据,并可以通过迅速控制商业、工业和住宅环境中已有的用电限制系统,帮助他们针对突发需求高峰稳定其电网。
        展望未来,我们预计带有1588计时支持的芯片解决方案将得到更广泛的采用,以满足这些严格的精度要求,以及物联网环境的特定需求,如更小的尺寸和低功耗,并支持扩展的温度范围。
        安全性对工业物联网网络至关重要有关信息安全和保护商业,工业基础设施免受网络攻击的意识正在提高。由于以前的闭物联网网络和智能设备现在要连接到外部世界,准备就绪坚实可靠的安全策略势在必行。虽然存在众多的网络和数据安全模型,我们在本领域内关注的重点仍是加密功能,因为它是保证网络安全连接的最有效手段之一。
        今天常用的一种基于网络的安全协议是IPsec。IPsec运行在互联网协议层次结构的第3层(L3),它可在路由网络中很好地工作。然而,因为它通常需要嵌入式或专用的独立加密引擎,实现起来成本很高。工作在互联网协议层次结构的第2层(L2)工作的另一种替代方案是IEEE802.1AE“MACSec”安全标准,它与“KeySec”认证密钥协商协议l802.1af共同使用。
        虽然今天没有被广泛采用,但由于其在L2层可简便而高性价比地实现,它提供了一个更简单、更高效、可扩展的选择。像其他基于以太网的网络一样,保护其多个接入点的强大加密功能将对物联网至关重要。由于任何带有一个IP地址的设备理论上都是脆弱的,连接的“东西”越多,对黑客们可访问点的数量就越大。
        随着物联网和我们的互联世界进一步扩展,任何从工厂网络到单台家用电器的东西都将被包括在预计的750亿个物联网连接之中,使得可扩展的、高性价比的安全技术变得更为关键。幸运的是,美国国家标准与技术研究所(NIST)创建了一套最佳实践,它已成为保护系统免受网络攻击的事实标准。
        我们有望看到,通过遵循下面这些原则,如NIST的FIPS197中描述的AES加密,将成为基于以太网的物联网网络的基本最低要求。而且考虑到物联网的同步要求,我们可以进一步预计“安全的1588”系列技术——即加密方法不会影响网络时同——对于这些网络实现长期成功举足轻重。工业以太网的优势所在以太网相比已有的通信协议,应用在工业领域拥有得天独厚的优势。
        (1)Ethernet是全开放、全数字化的网络,遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。
        (2)以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接,形成企业级管控一体化的全开放网络。
        (3)软硬件成本低廉,由于以太网技术已经非常成熟,支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持,有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。
        (4)通信速率高,随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高,对信息量的需求也越来越大,有时甚至需要音频、视频数据的传输,目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用,千兆以太网技术也逐渐成熟,10G以太网也正在研究,其速率比目前的现场总线快很多。
        (5)可持续发展潜力大,在这信息瞬息万变的时代。企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络,信息技术与通信技术的发展将更加迅速,也更加成熟,由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。
        工业以太网的发展前景以太网随着技术的成熟,交换技术的应用,高速以太网的发展等在工业自动化领域上正迅速增长,几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。随着集成电路的发展,高档的微处理器作为I/O处理器和控制器核心的条件逐渐成熟,而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现TCP/IP协议,以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向,具有很大的发展潜力。
        过程控制工业和自动化工业,从嵌入式系统到现场总线控制系统,都认识到了以太网和TCP/IP的重要性,以太网和TCP/IP作为世界上最为广泛应用的网络协议,它将成为过程级和控制级的主要传输技术。带TCP/IP协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和I/O模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接,而无需任何专用设备。
        因此可以说,工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台,从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。
        以太网作为21世纪未来工业网络的首选,它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络,有着广阔的应用和发展前景。工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。结论毫无疑问,以太网只会随着互联网技术和工业需求的飞速提高进一步融入工业领域,促进工业物联网的不断完善和发展。
        但这也是一条任重而道远,同时充满机遇与挑战的道路,无论如何,我们会看到,在以太网演进成为工业物联网网络基础的过程中,只要把握好确定性、同步性和安全性这三项要求,在不久的未来我们将看到一场众望所归的“工业革命风暴”。

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