Microchip Technology Inc.

汽車信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)部

資深營銷經(jīng)理

Henry Muyshondt

工業(yè)領(lǐng)域的工廠長期以來一直使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來監(jiān)視和控制生產(chǎn)設(shè)施。工廠、數(shù)據(jù)中心和商業(yè)建筑中的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一直在將其數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)的邊緣越來越近地推向現(xiàn)實(shí)物理世界。溫度、壓力、接近或光等物理測量值會(huì)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息以供系統(tǒng)處理，計(jì)算出的結(jié)果隨后會(huì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際設(shè)備（如閥門、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(yùn)營技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)正趨向于使用類似的技術(shù)來簡化整個(gè)組織的數(shù)據(jù)流。

若想使IT與OT更緊密地結(jié)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(tǒng)之間建立通信。當(dāng)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(tǒng)都是專業(yè)化的，并且由使用的硬件定義。針對(duì)這些域特定的硬件架構(gòu)，分別定義了針對(duì)特定應(yīng)用而優(yōu)化的通信技術(shù)。每個(gè)硬件系統(tǒng)都使用專門的總線進(jìn)行通信，因此需要通過復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)從一個(gè)硬件系統(tǒng)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一個(gè)硬件系統(tǒng)的通信協(xié)議。

隨著時(shí)間的推移，這種過時(shí)的架構(gòu)逐漸被軟件定義的集中式架構(gòu)所取代。在新架構(gòu)中，不再使用獨(dú)立分離的域或功能，而是將電子接口分組到企業(yè)內(nèi)的各個(gè)區(qū)域并與現(xiàn)代的集中式計(jì)算平臺(tái)相連。這些電子接口使用現(xiàn)在無處不在的以太網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫枰牡胤健Ｒ蕴W(wǎng)是可擴(kuò)展的。單個(gè)軟件協(xié)議棧可以使用不同的硬件物理層以不同的速度傳遞信息，而不改變數(shù)據(jù)本身。無論給定以太網(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(jī)自動(dòng)調(diào)整每個(gè)端口的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器（電機(jī)、燈、風(fēng)扇和閥門等）的物理動(dòng)作。這些設(shè)備通常不需要大量數(shù)據(jù)，但著重要求布線簡單且易于安裝。10BASE-T1S以太網(wǎng)專為這些應(yīng)用而開發(fā)，它將以太網(wǎng)架構(gòu)引入到了非常簡單的設(shè)備中。圖1呈現(xiàn)了這一技術(shù)趨勢。

硬件定義                                                                                        軟件定義

圖1：網(wǎng)絡(luò)趨勢

10BASE-T1S技術(shù)

10BASE-T1S以太網(wǎng)專門針對(duì)這些分區(qū)架構(gòu)而開發(fā)。它通過一個(gè)平衡線對(duì)以10 Mbps的速度運(yùn)行。10BASE-T1S技術(shù)基于40多年前以太網(wǎng)首次成為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)使用的簡單機(jī)制，但對(duì)其進(jìn)行了增強(qiáng)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纜直接連接多個(gè)設(shè)備。現(xiàn)今廣泛使用的交換機(jī)是后來開發(fā)的，旨在消除原始方案的多分支特性所導(dǎo)致的缺點(diǎn)。但是，交換機(jī)的出現(xiàn)增加了復(fù)雜度和成本，而且需要在每個(gè)設(shè)備與交換機(jī)之間建立一條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

最初以太網(wǎng)的工作原理是各種設(shè)備檢測其所連接的線路，然后嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。如果只有一個(gè)設(shè)備開始進(jìn)行發(fā)送，則可以發(fā)送完整的數(shù)據(jù)包信息。如果多個(gè)設(shè)備同時(shí)嘗試進(jìn)行發(fā)送，則線路上將發(fā)生沖突，并且所有設(shè)備都會(huì)檢測到?jīng)_突。這些設(shè)備隨后將關(guān)閉，并在一段隨機(jī)時(shí)間后重試。這項(xiàng)技術(shù)被稱為帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）。其主要缺點(diǎn)是隨著越來越多的設(shè)備連接到單線主干網(wǎng)，將會(huì)發(fā)生更多的沖突，并且會(huì)浪費(fèi)越來越多的時(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)通過引入一種名為PLCA物理層防沖突（PLCA）的仲裁機(jī)制解決了這一問題。PLCA專門設(shè)計(jì)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問題。

PLCA部署到位后，發(fā)送周期從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)0）發(fā)出信標(biāo)開始，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用該信標(biāo)進(jìn)行同步。發(fā)出信標(biāo)后，發(fā)送機(jī)會(huì)將傳遞給節(jié)點(diǎn)1。如果節(jié)點(diǎn)1沒有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則會(huì)將發(fā)送機(jī)會(huì)讓給節(jié)點(diǎn)2，以此類推，直到每個(gè)節(jié)點(diǎn)都至少獲得一次發(fā)送機(jī)會(huì)。然后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)起一個(gè)新周期，并發(fā)送另一個(gè)信標(biāo)。

為了防止某個(gè)節(jié)點(diǎn)一直占用總線，jabber功能會(huì)在該節(jié)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(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送。最終結(jié)果是數(shù)據(jù)吞吐量不會(huì)受到影響，總線上也不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。CSMA/CD可能會(huì)因數(shù)據(jù)沖突而產(chǎn)生隨機(jī)延時(shí)。PLCA可保證延時(shí)不會(huì)超過指定上限并提供其他相關(guān)特性，從而克服上述限制。圖2說明了PLCA的工作原理。

圖2：物理層防沖突——PLCA

安全  

當(dāng)數(shù)據(jù)位和字節(jié)在線路中從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備并恢復(fù)后，會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式提供給更高的軟件層。該格式包含目標(biāo)地址、源地址、一些管理位和有效負(fù)載。格式不會(huì)隨著物理層的變化而改變。這意味著即使越來越多的數(shù)據(jù)聚集等待計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，導(dǎo)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。

圖3：從邊緣到云端的以太網(wǎng)

可以使用以太網(wǎng)機(jī)制來連接這些設(shè)備，而不必在OT網(wǎng)絡(luò)的端點(diǎn)使用多種現(xiàn)場總線和協(xié)議。這些都可以使用易于理解的以太網(wǎng)機(jī)制來解決。

這其中包括各種安全機(jī)制，用于防止入侵或窺探數(shù)據(jù)，更糟糕的還有干擾物理系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)。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(yīng)用。其他專用通信技術(shù)可能很少甚至根本沒有網(wǎng)絡(luò)安全功能，必須從頭開發(fā)并進(jìn)行維護(hù)。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(shè)計(jì)和制造復(fù)雜得多。不但針對(duì)設(shè)施的訪問需要控制，而且供應(yīng)鏈的任何環(huán)節(jié)都可能發(fā)生可信鏈漏洞。很少有半導(dǎo)體供應(yīng)商能夠承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)。

以太網(wǎng)是數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的一部分。大數(shù)據(jù)用于分析趨勢并提供服務(wù)。預(yù)測性維護(hù)、遠(yuǎn)程診斷和其他監(jiān)視服務(wù)需要訪問系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)，而以太網(wǎng)可以提供對(duì)工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施最遠(yuǎn)范圍的訪問。與此同時(shí)，軟件可以管理各種流程并隨著技術(shù)的變化實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，二者相輔相成。

功能安全

使用以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)還可以簡化功能安全系統(tǒng)的開發(fā)。功能安全是指當(dāng)系統(tǒng)中的某個(gè)組件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠以可預(yù)測的方式做出反應(yīng)，從而安全地避免引發(fā)更多問題。不同行業(yè)有不同的標(biāo)準(zhǔn)。例如，汽車行業(yè)有ISO26262。工業(yè)應(yīng)用使用IEC61508。醫(yī)療、消費(fèi)類和其他應(yīng)用都有自己的標(biāo)準(zhǔn)。但是，基本上都大同小異。功能安全適用于整個(gè)系統(tǒng)，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要確保使用的組件支持功能安全，以便整個(gè)系統(tǒng)符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

例如，半導(dǎo)體元件需要配備功能安全手冊(cè)，用以分析和診斷失效模式的影響。這被稱為FMEDA（失效模式影響和診斷分析），是一種確定失效原因及其對(duì)系統(tǒng)影響的方法。該方法應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)的早期階段，以便檢測并糾正任何缺陷。

總結(jié)

OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)互操作性和安全性，而10BASE-T1S以太網(wǎng)的出現(xiàn)為二者的結(jié)合創(chuàng)造了新的商機(jī)。數(shù)據(jù)可以從網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問，并可用于實(shí)現(xiàn)新的智能預(yù)測服務(wù)以及資產(chǎn)跟蹤和管理解決方案。

通過精簡元件、軟件設(shè)計(jì)和布線可以降低系統(tǒng)成本。不再需要網(wǎng)關(guān)。由于多個(gè)設(shè)備通過單對(duì)線纜連接到一條總線，因此使用的交換機(jī)端口數(shù)量有所減少。

通過使用統(tǒng)一的接口和完善的安全機(jī)制可以降低風(fēng)險(xiǎn)。10BASE-T1S以太網(wǎng)是對(duì)IIoT網(wǎng)絡(luò)邊緣傳統(tǒng)解決方案的有力補(bǔ)充。它支持OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)各個(gè)級(jí)別的統(tǒng)一設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、測試和維護(hù)。精簡架構(gòu)和增強(qiáng)安全功能可以幫助設(shè)計(jì)人員降低風(fēng)險(xiǎn)，輕松打造功能安全系統(tǒng)。