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工业4.0的通信技术

2014年4月9日

工业4.0，即第四次工业革命，是关于未来工业和制造技术的一个热门话题。未来的工厂需要更智能，生产更灵活，并应对对活力的更高要求。

制造过程将以不同的方式组织，整个生产链-沿着从供应商到物流的完整价值链，并将其扩展到完整的产品生命周期。智能工厂将是一个高度复杂的实体，需要整体控制和紧密连锁的生产步骤。从工厂计划、生产计划和物流、ERP和MES系统，到控制系统和单个现场级传感器和执行器，每个流程都将受到影响。

工厂和机器将不再运行严格定义的程序，而是必须能够优化自己的流程并自主决策。智能工厂将有一个不同于我们今天所习惯的结构。具有现场、控制和监督三个层次的传统自动化金字塔模型将不再适用。现场级设备将变得更加智能和数量更多，能够获取更多信息并在本地进行处理。许多其他功能将被“虚拟化”，在服务器池中运行，或转移到某种形式的“云”，在那里它们将使用当前可用的最佳资源进行处理。

控制功能需要与现场的传感器和执行器密切合作，并定期接受监督级别的指示。如今，控制功能由运行在靠近过程本身的PLC上的软件执行，因此能够与现场设备实时通信。使用了专用的自主PLC设备，因此时间关键的功能能够在不受其他任务影响的情况下运行，并且与现场设备的通信不受其他数据流量的影响。然而，如果在服务器上有足够的计算能力的保证，加上可靠和及时的通信，那么就没有什么可以阻止控制功能在任何其他合适的位置运行。

如果我们看看大型现代数据中心的发展——虚拟化、云计算和高性能通信基础设施——就会清楚地看到，这样的概念也将在未来的工厂中发挥重要作用。今天的虚拟服务器提供了巨大的性能水平，未来的虚拟服务器将提供更多的性能。结合基于以太网和IP技术的最先进的数据中心网络，这已经保证了每秒数百千兆比特的数据吞吐量和微秒范围内的延迟时间。将处理能力集中在云中的优点是集中管理和更好地利用现有资源，从而实现更具成本效益的运营。以这种方式执行自动化任务只是时间问题。

不仅需要在工厂内实时交换数据，还需要跨公司边界和整个价值链持续沟通。

所有生产层面将相互联网，在工厂内部使用快速局域网，在外部使用M2M通信，依靠互联网或有线/无线供应商网络。局域网或广域网将需要遵守通信的服务水平协议。

由于设备的需求、大小和数量，网络将变得非常复杂，几乎不可能进行人工管理。这意味着网络也需要变得更加智能，这样它们就可以在不需要运营商不断干预的情况下进行自我监控和优化。

在外地一级，通讯设备的数量将会增加。这些设备产生的数据量也将增长，同时对最小运行时间、实时处理和可靠性的要求也将提高。以太网将几乎完全成为网络级使用的介质，千兆以太网将成为有线通信的标准。由于半导体技术的进步，目前100mbit /s数据速率的快速以太网所享有的成本效益和低功耗优势，在未来也将由千兆以太网所赋予。就无线技术而言，IEEE 802.11 WLAN将发挥主导作用。新的802.11ac和802.11ad标准将允许未来的数据速率达到每秒千兆位或更高，而低功耗WLAN将允许极其节能的无线解决方案。与其他无线系统相比，WLAN的优势在于其透明的端到端通信，不需要转换。通过创建通过快速以太网连接彼此的小型无线电单元，可以建立极其高效的网络。

正在进行的“时间敏感网络”(TSN)标准的工作(在IEEE 802.1工作组内)正在为未来的现场网络创建基础，并将确保有线网络具有必要的实时功能。TSN将是IEEE第一个标准化的方法，能够实现挑战技术可行性边界的实时通信。时间感知调度、非时间关键帧的中断以支持实时流量(帧抢占)和直通切换的组合允许最短的运行时间和精确计算的上限。

现场设备将配备高效的低功耗多核处理器，数据处理、通信协议以及运行在系统级芯片上的LAN和WLAN接口。这种高度集成到单个模块上也将大幅降低高效通信连接的成本。

后端系统，包括控制功能，将分布在服务器池中的计算机上。就像今天大型数据中心的情况一样，服务器将通过所谓的以太网结构组成的高速网络连接在一起，以确保最短的运行时间、最佳的性能和无损耗的传输。为此，IEEE 802.1在数据中心桥接工作组中定义了一些必要的技术。这些服务器池将具有10、40甚至100千兆比特/秒的快速数据连接到现场级设备，因此消除了任何可能的瓶颈。除此之外，智能交通控制系统将确保优先级数据始终及时到达目的地。

所有通讯系统都将持续自动监测。对实际应用程序的观察将允许导出规则，定义允许谁与谁通信，以及使用什么参数。然后，这些规则将自动在交换机和路由器上实现，以确保提供必要的服务水平。将采用同样的机制来保证数据安全和访问控制，只允许授权参与者之间进行通信。

最重要的是，将有一个广域网连接在地理上不同的地点和整个供应链。在使服务水平协议成为可能的同时，未来对互联网的扩展将在全球范围内确保所需的实时能力，并保证所有关键数据的可用性。

这一切都将基于开放标准，作为确保工业4.0可互操作、价格合理和端到端组件的唯一策略。然而，这也意味着系统、工厂和部件将更容易受到攻击。因此，最好的数据安全是绝对的先决条件。如果我们不能成功地确保访问保护，并对错误处理和恶意攻击实施健壮性，那么工业4.0注定会失败。我们需要更好的方法来确保数据的机密性、可用性和完整性。认证、加密、访问控制和检测未经授权的操作都必须得到改进，以确保可靠的操作。

通信基础设施构成了所有智能工厂概念的支柱。因此，确保其安全可靠的运行是成功实现工业4.0愿景的前提。在确定和开发一些所需的系统之前，仍需作出相当大的努力。其中许多活动已经在进行中，在某些方面，其他领域的现有解决方案可以被采用并应用于工业应用。


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