为工业4.0的到来，厂商们需要做好哪些准备？

我们目前正处在第四次工业革命（工业4.0）的开始，这种概念是将信息技术（IT）与运营技术（OT）相结合的产物，能够实现比以往更高的自动化程度。工业4.0基于根深蒂固的创建智能基础架构原则，可优化制造流程，并显著提高生产效率。并且基础设施将在很大程度上取决于通过物理网络系统（CPS）和人工智能（AI）算法来驱动和控制的物联网（IoT）设备。

相对于传统的制造系统，智能制造系统能够提供更加明显的竞争优势，从而为早期采用者带来更多商业利益。除了能够提高生产效率外，还可以实现各种跨功能操作的互连。这种理念也可以带来设备预测性维护等好处，譬如通过监控系统运行状况，警示潜在问题，从而可以延长设备的使用寿命，并降低停机风险。

工业物联网（IIoT）的出现意味着机器对机器的通信可以下沉到非常细微的级别上实现。通过这种方式，能够实现连续的数据捕获和分析，并实时采取恰当的措施，从而使生产/加工设施更安全、更高效。但是，当今最大的挑战是能够对IIoT的前提要求条件（尤其是其网络要求）达成某种形式的共识，由此可降低复杂性，推动标准化，并简化工业物联网的部署。

为什么有如此多协议？

工厂中的一台机器通常需要连接到许多网络以实现不同的功能或应用，所有这些网络都基于其自身的特定协议。多年来，已经发展出许多种不同的通信协议，其中一些支持原有系统的特殊需求，而另一些则基于新的标准。考虑到制造行业技术前进的步伐，令人惊讶的是，具有四十年历史的以太网协议依然在核心应用领域很受欢迎。

工业以太网既可提供确定性控制，又可提供实时控制。在工业领域，有许多与以太网相关的协议，例如以太网/IP、Modbus TCP、PROFINET、EtherCAT、以太网Powerlink、BACnet和Sercos III等等。但是，研究表明，Modbus TCP（依赖于轮询机制）目前被大多数人视为事实上的开放标准。Modbus在应用层提供的优化消息架构非常适合于大部分工业应用场景，仅需要一个请求-响应模式，而且如果有必要使用发布-订阅模式，则消息队列遥测传输（MQTT）可以达到此目的。

MQTT是基于事件的物联网协议，它非常轻巧，可以部署在低带宽网络和远程位置（这两者在工业4.0/IIoT环境中均密切相关）。MQTT消除了对网关的需求，但缺乏互操作性。解决此问题的一种方法是通过Modbus消息架构格式化数据，然后传输MQTT的有效负载并使用UTF-8格式发布消息。

如何处理安全问题？隔离有效吗？

OT和IT的融合使生产线中机器设备处于非常多样和复杂的环境，并带来了新的漏洞。网络攻击在渗透到制造网络后，可以在不同系统间横向扩散，在IT/OT系统之间跳转并进行恶意活动（例如停止机器设备运营或导致IP泄漏）。

对于希望采用工业4.0的制造商来说，网络安全是一个重大问题。未受支持的操作系统、未修补的漏洞和暴露的系统将使物理和数字制造设备均面临风险。IEC 62443网络安全标准为制造商提供了有关保护其工业自动化和控制系统（IACS）的重要建议，一些基本的安全原则包括限制用户访问、强制域名/子网限制、禁用目录列表以及删除不需要的（或不再适用的）服务等。

研究表明，在制造过程中，使用陈旧和过时软件仍然很普遍，因为机器设备需要全天候工作，而且在许多情况下，无法停机进行急需的软件升级。如果不进行及时的应用更新，有可能发生互操作性失败的问题。不幸的是，这可能招致旧的网络病毒来感染设备。在生产环境中复制机器和系统的隔离测试环境可以帮助您了解软件更新/补丁的影响，如果测试过程显示出成功的结果，并不干扰机器设备的运行，则可以随后将其部署在生产环境中。

对时间敏感网络的需求

在工业自动化中，时间是一个关键要素。对于端到端传输并具有不可协商时间边界的实时通信而言，网络上的所有设备都需要具有共同的时间基准，这是一项强制性要求，所有设备都必须一致运行，并且在精确的时间刻度内采取对时间要求严格的行动。这导致另一个概念的出现，称为时间敏感网络（TSN）。

实现时间同步的一种方法是使用GPS时钟或无线电。这需要与卫星信号连续连接，但现实却不能总可以保证这一点。因此，TSN系统中的时间元素通常使用中央时间源，并直接通过整个网络进行分配，这种方法是基于IEEE 1588精确时间协议，利用以太网帧分发时间同步信息。

无线网关

为了给自动化流程提供最大价值，基于IP的同构网络需要与周围的多样化异构生态系统进行通信。系统内部与外部世界之间的通信必须连续、兼容、可靠，而且当然要保证安全性，这可以通过充当中介（mediator）的互操作性网关来满足IIoT的基本要求。尽管新的连接标准不断出现（其中许多是无线的），但网络中长期存在的传统基础设施架构仍然依赖于有线协议。领先的厂商正在努力创建一种中间无线网关解决方案，它们可以支持多种有线和无线协议（例如Modbus、Wi-Sun、Fieldbus和IEC 61850、以及IEEE 802.11a/b/g/n Wi-Fi、802.15.4、RS-232和BASE-T以太网等）。

无线互操作性网关可提供边缘计算功能，这对于未来几年的IIoT基础设施至关重要。在工业设备缺乏智能的情况下，边缘计算可以通过在网络边缘添加防火墙和虚拟专用网络（VPN）功能来增强安全性。

工业4.0的未来

工业4.0通过使用最新的颠覆性数字技术实现物理世界和数字世界之间的连接，其中的网络基础架构应能够跨越所有应用而无缝地传输捕获的数据。此外，它还应具有可扩展性和灵活性，并支持连续的可用性。

尽管PROFINET已有15年历史，但它仍具有众多引人瞩目的属性，因此在即将进行的部署中是一种非常有力的候选技术。PROFINET是一个开放标准，包含在基础广泛的工业以太网协议系列中，该标准能够满足现代生产/过程自动化的所有主要操作和安全要求，并具有更好的性能和更高的成本效益。它还能为整套驱动技术提供服务，一直到包括同步运动控制等应用。

凭借其模块化的功能系列，PROFINET是一种具备内在灵活性且多功能的解决方案。PROFINET通过IEC 61158和IEC 61784实现了标准化，并以高达100Mbits/s的数据速率运行，确定性操作可为时间敏感的系统提供实时支持。尽管人们普遍认为TSN是为了改善确定性和解决“标准”以太网网络中的延迟而引入，但是TSN与PROFINET的结合同样具有PROFINET的基本优势，具有同步的实时性（IRT）–带宽预留、高级别准确度、服务质量、诊断功能等。TSN限于OSI模型的第2层，因此，仍需要更强大的如PROFINET等应用层协议（位于第5到第7层）才能完成数据传送。

在许多人看来，这种趋势至少将使PROFINET在中短期内成为工业4.0的骨干技术。而从更长远看，一旦技术最终确立，就可以进一步向5G转移，因为它将提供同等（或更好）的数据速率和延迟特性，同时又具备无线技术的更大便利。 但是，这将需要一些时间，由于很难将其改变去适应原有硬件，因此随着设备寿命周期的终止并被替换，PROFINET终将被引入。

责编：Amy Guan

(本文由贸泽电子供稿，电子工程专辑对文中陈述、观点保持中立)