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作者: Suhel Dhanani 在自動化行業，人人都聽到一個時髦的詞語：工業4.0。該工業概念預示著未來工廠的高度集成、自動化以及靈活性；工廠將快速、高效出貨，滿足市場需求。 顯然，第四次制造和過程自動化革命將發生在系統互連的骨干單元：傳感器、執行器、控制系統等全部通過互聯網協議連接到不同類型的網絡。一旦所有機器/傳感器數據位于云端，就能夠執行意義深遠的分析，生產優化、故障預測、制定維護計劃、自動補充庫存，甚至定制最終產品指標，以滿足市場的動態變化。 我們認為當前正在發生著第四次工業革命，表明工廠車間無處不在的連通性將推動不斷改進的軟件和算法，大大提高生產力和預測能力。這的確令人印象深刻、切實可行。然而，在基礎設施到位以及這場革命真正爆發之前，我們必須解決眾多系統設計難題。本文重點討論部分關鍵的系統設計挑戰。 工業4.0的系統級設計注意事項 工業4.0的實現很可能需要10年甚至20年的時間，但已經在影響著形形色色的系統設計。圖1所示的自動化過程表明，當我們邁向工業4.0時，必須實現三方面關鍵設計。 
圖1. 工業4.0正在推動三方面的基礎工業系統要求：分布式計算和控制、普適感測、認證和安全系統。 分布式計算和控制——已經起步的一個關鍵趨勢是計算和控制系統的本地化。為提高復雜組裝線的靈活性，減小控制延遲并緩解主PLC的處理壓力，要求分布式控制。下一代工廠中，這將變得越來越普及。PLC的尺寸將繼續縮小，處理I/O通道數量不斷增加，包括模擬和數字。PLC將不得不支持各種不同的I/O協議，包括新協議，例如IO-Link標準。 無所不在的傳感器——如何處理各個傳感器？工業4.0的基本前提是共享制造數據，但這意味著必須首先收集不斷增長的數據量。海量數據來自于傳感器系統數量的爆炸式增長，包括工廠及過程設備內，并遍布于整個遠端操作。即使過程參數不影響用戶現在的控制算法，但也必須收集其數據，以供將來使用�？梢灶A期，當今云端運行算法的快速、爆炸式創新最終可能“再創”古老的過程參數，以預測重要的系統故障機理。工業領域常用于描述感測方案快速增長的一個詞叫“普適感測”。 認證安全——最后，通過互聯網協議將所有傳感器、控制系統和執行器連接在一起，以支持“大”數據分析，毫無疑問會增加安全性方面的擔憂。相當多的設備是通過軟件防 火 墻和安全交換機/網關解決工業安全性的，但安全問題不僅局限于這些通信入口，也涉及到硬件本身�？v深防御新標準要求終端設備網絡(例如本例中討論的傳感器和PLC)經過安全認證。這種廣泛的軟件和硬件安全對系統設計具有直接的系統級影響。 分布式管理、本地控制：微型PLC的興起 尺寸小、功能強大的PLC支持低延遲、分布式控制，可實現過程或組裝線的本地控制，所以非常具有吸引力。但微型PLC設計必須解決模擬I/O整合及散熱方面的重大技術難題；Maxim開發的微型PLC概念驗證設計成功解決了這些難題(圖2)。
圖2. 這款微型PLC概念驗證設計集成32位微控制器、以太網連接和25路I/O通道。總面積為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路數字IN和8路數字OUT通道 ●一個4通道IO-Link模塊，連接4個支持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PLC系統的尺寸，就要求我們解決模擬I/O的整合挑戰。 實現微型尺寸的方法之一是使用集成模擬器件，而不是大量甚至數百個分立元件。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)和四通道數據隔離器(MAX14932)，代替了傳統設計(左圖)中的數十個分立式光耦和數以百計的電阻及電容。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. 兩個芯片的微型PLC概念驗證設計代替了數以百計的分立式元件。 利用IO-Link通信標準實現普適感測 未來的工廠，傳感器將無處不在，通過不同的接口連接至網關或直接連接至PLC。傳感器將不再僅僅是發送開/關信號，很快將發送豐富的數據。這正是IO-Link協議的用武之地，該協議是工業領域增長最快的傳感器通信技術。盡管IO-Link是一項IEC標準，但基于業已確立的3線傳感器和執行器連接。 從上世紀80年代以來，工業現場總線已經支持智能設備、較快地安裝、減少接線，并且更容易維護。然而，唯一、普遍可接收的現場總線的缺失，也引起了混淆、培訓挑戰、高成本以及設備之間兼容的問題。IO-Link協議是第一個開放、具備現場總線特征、低成本、點對點串行通信標準，廣泛用于傳感器和執行器通信，已被采納為國際標準(IEC 61131-9)。 IO-Link協議全球范圍內工業設備標準化，實現相互之間的互操作性。該標準既可直接應用于PLC，也可集成至所有標準現場總線。這種靈活性使其很快成為智能器件通信的事實標準，例如Maxim的Santa Cruz光傳感器MAXREFDES23# (圖4)。
圖4. Santa Cruz光傳感器參考設計方框圖。 IO-Link技術，以及傳感器的不斷小型化，推動了全工廠內超小尺寸、節能傳感器的設計。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個傳感器：環境光(白光)、紅光、綠光、藍光、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廠商往往忽視安全性的重要地位，這也已經不是秘密。請參考最近Unisys“與Ponemon Institute聯手”在13個國家發起的對599名IT及IT安全主管的調研報告。結果表明，只有28%的受訪者認為安全是其公司內前5項優先策略之一；然而，相同人群中有接近60%的人承認網絡威脅使其控制系統及SCADA系統處于危險之中。 只有28%的受訪者認為安全非常重要。這不禁令人感到擔憂，因為我們知道分布式控制和無所不在的連通性已經提升了對安全性的重視。大多數安全問題都圍繞更好的防 火 墻、入侵檢測系統以及安全交換架構展開。但同樣重要的是可信賴硬件的需求，尤其是I/O模塊和遠端現場傳感器。這些設備可能被克隆或欺騙，尤其當周圍的物理安全措施較少時。當發生此類任何破壞時，就會嚴重危害根據從這些設備收集的數據制定關鍵決策的工業互聯網。所以，確保這些系統經過認證、安全至關重要。歸根結底，如果沒有安全的嵌入式硬件，我們將不能享受工業4.0帶來的巨大潛力。 我們重視工業4.0的安全系統就必須首先從關注向云端或PLC發送數據的可信賴傳感器。遠端安全漏洞的影響是值得關注的問題。例如，如果受損的傳感器發送偽造的油罐液面或管道壓力數據，那么據此采取的措施(或者不采取措施)將可能造成災難性后果。這難道是危言聳聽嗎？完全不是。但確實有少數災難性后果是由于受損的傳感器數據造成的。如果數據受損，可完全拋開利用傳感器數據預測維護需求的大數據分析程序。此處利害攸關的關鍵是正常運轉以及總體工業效率——工業4.0的基石。 并非所有傳感器的物理安全都能時刻保證，尤其當傳感器被用于非常偏遠的位置來監測石油和天然氣現場時，如圖6中所示。位置偏遠使其很容易受到物理攻擊，所以在接受傳感器數據之前對其進行安全認證就至關重要。
圖6.遠端傳感器尤其容易受到物理攻擊或安全破壞，安全認證方法可避免偽造位置及不正確的狀態信息。 慶幸的是，我們早在幾年前就建立了醫療和耗材(例如打印機墨盒)的安全認證方法�，F在，安全認證已經成為標配，并且必須利用遵循安全認證協議的防篡改器件實現。 圖7所示的簡化概念方框圖為采用對稱SHA 256算法的硬件安全認證方案。SHA-256協議基于安全認證器件之間的質詢-應答交換，在接收和讀取傳感器數據之前，對傳感器進行安全認證。SHA-256安全認證使攻擊者不能連接至網絡來冒充傳感器甚至利用受損系統代替傳感器系統。
圖7. 基于SHA-256的安全認證，用于采用HART或其它任何通信標準的遠端現場傳感器。傳感器和主機均已知頁數據(32字節)和密鑰(2字節)。傳輸字節數量方面有較小的開銷。 總結 工業4.0是描述互連互通制造業的現代化方案，其中將不同的分布式PLC、傳感器及其它現場設備的數據匯聚在一起，充分發揮分析和優化軟件的優勢。工業4.0有望優化制造資產，包括正常運轉、制定維護計劃、電源效率，以及更高效地利用所有資源。制造數據也可集成到企業的ERP和CRM軟件中，從而高效地規劃制造過程，甚至利用客戶的信息來改變組裝線和過程參數。 然而，當您著手互連所有分離的制造系統時，需要考慮非常重要的系統設計因素，我們在本文中已經討論了其中幾項。我們介紹了如何利用新興硅技術，尤其是模擬/混合信號域，解決此類工業系統挑戰。這些新集成技術不僅允許您縮小傳感器系統和PLC的尺寸，也提供了在現場的關鍵I/O設備中高性價比增加嵌入式安全的途徑。 |
