實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基本系統(tǒng)考慮

在自動(dòng)化行業(yè)，人人都聽(tīng)到一個(gè)時(shí)髦的詞語(yǔ)：工業(yè)4.0。該工業(yè)概念預(yù)示著未來(lái)工廠(chǎng)的高度集成、自動(dòng)化以及靈活性;工廠(chǎng)將快速、高效出貨，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

顯然，第四次制造和過(guò)程自動(dòng)化革命將發(fā)生在系統(tǒng)互連的骨干單元：傳感器、執(zhí)行器、控制系統(tǒng)等全部通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接到不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)。一旦所有機(jī)器/傳感器數(shù)據(jù)位于云端，就能夠執(zhí)行意義深遠(yuǎn)的分析，生產(chǎn)優(yōu)化、故障預(yù)測(cè)、制定維護(hù)計(jì)劃、自動(dòng)補(bǔ)充庫(kù)存，甚至定制最終產(chǎn)品指標(biāo)，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。

我們認(rèn)為當(dāng)前正在發(fā)生著第四次工業(yè)革命，表明工廠(chǎng)車(chē)間無(wú)處不在的連通性將推動(dòng)不斷改進(jìn)的軟件和算法，大大提高生產(chǎn)力和預(yù)測(cè)能力。這的確令人印象深刻、切實(shí)可行。然而，在基礎(chǔ)設(shè)施到位以及這場(chǎng)革命真正爆發(fā)之前，我們必須解決眾多系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。本文重點(diǎn)討論部分關(guān)鍵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

工業(yè)4.0的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)很可能需要10年甚至20年的時(shí)間，但已經(jīng)在影響著形形色色的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖1所示的自動(dòng)化過(guò)程表明，當(dāng)我們邁向工業(yè)4.0時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)三方面關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

圖1. 工業(yè)4.0正在推動(dòng)三方面的基礎(chǔ)工業(yè)系統(tǒng)要求：分布式計(jì)算和控制、普適感測(cè)、認(rèn)證和安全系統(tǒng)。

分布式計(jì)算和控制——已經(jīng)起步的一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)是計(jì)算和控制系統(tǒng)的本地化。為提高復(fù)雜組裝線(xiàn)的靈活性，減小控制延遲并緩解主PLC的處理壓力，要求分布式控制。下一代工廠(chǎng)中，這將變得越來(lái)越普及。PLC的尺寸將繼續(xù)縮小，處理I/O通道數(shù)量不斷增加，包括模擬和數(shù)字。PLC將不得不支持各種不同的I/O協(xié)議，包括新協(xié)議，例如IO-Link標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)所不在的傳感器——如何處理各個(gè)傳感器?工業(yè)4.0的基本前提是共享制造數(shù)據(jù)，但這意味著必須首先收集不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量。海量數(shù)據(jù)來(lái)自于傳感器系統(tǒng)數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)，包括工廠(chǎng)及過(guò)程設(shè)備內(nèi)，并遍布于整個(gè)遠(yuǎn)端操作。即使過(guò)程參數(shù)不影響用戶(hù)現(xiàn)在的控制算法，但也必須收集其數(shù)據(jù)，以供將來(lái)使用。可以預(yù)期，當(dāng)今云端運(yùn)行算法的快速、爆炸式創(chuàng)新最終可能“再創(chuàng)”古老的過(guò)程參數(shù)，以預(yù)測(cè)重要的系統(tǒng)故障機(jī)理。工業(yè)領(lǐng)域常用于描述感測(cè)方案快速增長(zhǎng)的一個(gè)詞叫“普適感測(cè)”。

認(rèn)證安全——最后，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將所有傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行器連接在一起，以支持“大”數(shù)據(jù)分析，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)增加安全性方面的擔(dān)憂(yōu)。相當(dāng)多的設(shè)備是通過(guò)軟件防 火 墻和安全交換機(jī)/網(wǎng)關(guān)解決工業(yè)安全性的，但安全問(wèn)題不僅局限于這些通信入口，也涉及到硬件本身。縱深防御新標(biāo)準(zhǔn)要求終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)(例如本例中討論的傳感器和PLC)經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證。這種廣泛的軟件和硬件安全對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有直接的系統(tǒng)級(jí)影響。

分布式管理、本地控制：微型PLC的興起

尺寸小、功能強(qiáng)大的PLC支持低延遲、分布式控制，可實(shí)現(xiàn)過(guò)程或組裝線(xiàn)的本地控制，所以非常具有吸引力。但微型PLC設(shè)計(jì)必須解決模擬I/O整合及散熱方面的重大技術(shù)難題;Maxim開(kāi)發(fā)的微型PLC概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)成功解決了這些難題(圖2)。

圖2. 這款微型PLC概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)集成32位微控制器、以太網(wǎng)連接和25路I/O通道?？偯娣e為406,125 mm3(23 in3)。

這款可放在掌中的微型PLC集成了必要的32位微控制器和以太網(wǎng)連接，處理和連接總共25路I/O通道。具體包括：

●4路模擬IN和1路模擬OUT通道

●8路數(shù)字IN和8路數(shù)字OUT通道

●一個(gè)4通道IO-Link模塊，連接4個(gè)支持IO-Link的傳感器

成功的模擬整合

我們知道，模擬和分立元件占據(jù)了PLC I/O模塊電路板空間的50%至70%;我們也知道，任何PLC中的I/O模塊都要求大量空間。所以，為了縮減整個(gè)PLC系統(tǒng)的尺寸，就要求我們解決模擬I/O的整合挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)微型尺寸的方法之一是使用集成模擬器件，而不是大量甚至數(shù)百個(gè)分立元件。電路板尺寸減小、功耗降低、可靠性提高。圖3所示為八通道串行器(MAX31911)和四通道數(shù)據(jù)隔離器(MAX14932)，代替了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)(左圖)中的數(shù)十個(gè)分立式光耦和數(shù)以百計(jì)的電阻及電容。這款緊湊的微型PLC方案的I/O通道容量與普通PLC相同。

圖3. 兩個(gè)芯片的微型PLC概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)代替了數(shù)以百計(jì)的分立式元件。

利用IO-Link通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)普適感測(cè)

未來(lái)的工廠(chǎng)，傳感器將無(wú)處不在，通過(guò)不同的接口連接至網(wǎng)關(guān)或直接連接至PLC。傳感器將不再僅僅是發(fā)送開(kāi)/關(guān)信號(hào)，很快將發(fā)送豐富的數(shù)據(jù)。這正是IO-Link協(xié)議的用武之地，該協(xié)議是工業(yè)領(lǐng)域增長(zhǎng)最快的傳感器通信技術(shù)。盡管IO-Link是一項(xiàng)IEC標(biāo)準(zhǔn)，但基于業(yè)已確立的3線(xiàn)傳感器和執(zhí)行器連接。

從上世紀(jì)80年代以來(lái)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)支持智能設(shè)備、較快地安裝、減少接線(xiàn)，并且更容易維護(hù)。然而，唯一、普遍可接收的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的缺失，也引起了混淆、培訓(xùn)挑戰(zhàn)、高成本以及設(shè)備之間兼容的問(wèn)題。IO-Link協(xié)議是第一個(gè)開(kāi)放、具備現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)特征、低成本、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于傳感器和執(zhí)行器通信，已被采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC 61131-9)。

IO-Link協(xié)議全球范圍內(nèi)工業(yè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)相互之間的互操作性。該標(biāo)準(zhǔn)既可直接應(yīng)用于PLC，也可集成至所有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。這種靈活性使其很快成為智能器件通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，例如Maxim的Santa Cruz光傳感器MAXREFDES23# (圖4)。

圖4. Santa Cruz光傳感器參考設(shè)計(jì)方框圖。

IO-Link技術(shù)，以及傳感器的不斷小型化，推動(dòng)了全工廠(chǎng)內(nèi)超小尺寸、節(jié)能傳感器的設(shè)計(jì)。圖5所示為Santa Cruz IO-Link顏色傳感器。

圖5. MAXREFDES23#為微小尺寸IO-Link光傳感器，集成了6個(gè)傳感器：環(huán)境光(白光)、紅光、綠光、藍(lán)光、紅外光和溫度傳感器。全部集成到尺寸為6.5mm x 25mm的微小印刷電路板(PCB)上。

嵌入式硬件安全性考慮

IC廠(chǎng)商往往忽視安全性的重要地位，這也已經(jīng)不是秘密。請(qǐng)參考最近Unisys“與Ponemon Institute聯(lián)手”在13個(gè)國(guó)家發(fā)起的對(duì)599名IT及IT安全主管的調(diào)研報(bào)告。結(jié)果表明，只有28%的受訪(fǎng)者認(rèn)為安全是其公司內(nèi)前5項(xiàng)優(yōu)先策略之一;然而，相同人群中有接近60%的人承認(rèn)網(wǎng)絡(luò)威脅使其控制系統(tǒng)及SCADA系統(tǒng)處于危險(xiǎn)之中。

只有28%的受訪(fǎng)者認(rèn)為安全非常重要。這不禁令人感到擔(dān)憂(yōu)，因?yàn)槲覀冎婪植际娇刂坪蜔o(wú)所不在的連通性已經(jīng)提升了對(duì)安全性的重視。大多數(shù)安全問(wèn)題都圍繞更好的防 火 墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)以及安全交換架構(gòu)展開(kāi)。但同樣重要的是可信賴(lài)硬件的需求，尤其是I/O模塊和遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)傳感器。這些設(shè)備可能被克隆或欺騙，尤其當(dāng)周?chē)奈锢戆踩胧┹^少時(shí)。當(dāng)發(fā)生此類(lèi)任何破壞時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重危害根據(jù)從這些設(shè)備收集的數(shù)據(jù)制定關(guān)鍵決策的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。所以，確保這些系統(tǒng)經(jīng)過(guò)認(rèn)證、安全至關(guān)重要。歸根結(jié)底，如果沒(méi)有安全的嵌入式硬件，我們將不能享受工業(yè)4.0帶來(lái)的巨大潛力。

我們重視工業(yè)4.0的安全系統(tǒng)就必須首先從關(guān)注向云端或PLC發(fā)送數(shù)據(jù)的可信賴(lài)傳感器。遠(yuǎn)端安全漏洞的影響是值得關(guān)注的問(wèn)題。例如，如果受損的傳感器發(fā)送偽造的油罐液面或管道壓力數(shù)據(jù)，那么據(jù)此采取的措施(或者不采取措施)將可能造成災(zāi)難性后果。這難道是危言聳聽(tīng)嗎?完全不是。但確實(shí)有少數(shù)災(zāi)難性后果是由于受損的傳感器數(shù)據(jù)造成的。如果數(shù)據(jù)受損，可完全拋開(kāi)利用傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)維護(hù)需求的大數(shù)據(jù)分析程序。此處利害攸關(guān)的關(guān)鍵是正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及總體工業(yè)效率——工業(yè)4.0的基石。

并非所有傳感器的物理安全都能時(shí)刻保證，尤其當(dāng)傳感器被用于非常偏遠(yuǎn)的位置來(lái)監(jiān)測(cè)石油和天然氣現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，如圖6中所示。位置偏遠(yuǎn)使其很容易受到物理攻擊，所以在接受傳感器數(shù)據(jù)之前對(duì)其進(jìn)行安全認(rèn)證就至關(guān)重要。

圖6.遠(yuǎn)端傳感器尤其容易受到物理攻擊或安全破壞，安全認(rèn)證方法可避免偽造位置及不正確的狀態(tài)信息。

慶幸的是，我們?cè)缭趲啄昵熬徒⒘酸t(yī)療和耗材(例如打印機(jī)墨盒)的安全認(rèn)證方法?，F(xiàn)在，安全認(rèn)證已經(jīng)成為標(biāo)配，并且必須利用遵循安全認(rèn)證協(xié)議的防篡改器件實(shí)現(xiàn)。

圖7所示的簡(jiǎn)化概念方框圖為采用對(duì)稱(chēng)SHA 256算法的硬件安全認(rèn)證方案。SHA-256協(xié)議基于安全認(rèn)證器件之間的質(zhì)詢(xún)-應(yīng)答交換，在接收和讀取傳感器數(shù)據(jù)之前，對(duì)傳感器進(jìn)行安全認(rèn)證。SHA-256安全認(rèn)證使攻擊者不能連接至網(wǎng)絡(luò)來(lái)冒充傳感器甚至利用受損系統(tǒng)代替?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)。

圖7. 基于SHA-256的安全認(rèn)證，用于采用HART或其它任何通信標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)傳感器。傳感器和主機(jī)均已知頁(yè)數(shù)據(jù)(32字節(jié))和密鑰(2字節(jié))。傳輸字節(jié)數(shù)量方面有較小的開(kāi)銷(xiāo)。

總結(jié)

工業(yè)4.0是描述互連互通制造業(yè)的現(xiàn)代化方案，其中將不同的分布式PLC、傳感器及其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)匯聚在一起，充分發(fā)揮分析和優(yōu)化軟件的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)4.0有望優(yōu)化制造資產(chǎn)，包括正常運(yùn)轉(zhuǎn)、制定維護(hù)計(jì)劃、電源效率，以及更高效地利用所有資源。制造數(shù)據(jù)也可集成到企業(yè)的ERP和CRM軟件中，從而高效地規(guī)劃制造過(guò)程，甚至利用客戶(hù)的信息來(lái)改變組裝線(xiàn)和過(guò)程參數(shù)。

然而，當(dāng)您著手互連所有分離的制造系統(tǒng)時(shí)，需要考慮非常重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素，我們?cè)诒疚闹幸呀?jīng)討論了其中幾項(xiàng)。我們介紹了如何利用新興硅技術(shù)，尤其是模擬/混合信號(hào)域，解決此類(lèi)工業(yè)系統(tǒng)挑戰(zhàn)。這些新集成技術(shù)不僅允許您縮小傳感器系統(tǒng)和PLC的尺寸，也提供了在現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵I/O設(shè)備中高性?xún)r(jià)比增加嵌入式安全的途徑。