工业网络

工业物联网(IIoT)和工业4.0技术一直是工业制造中智能数字革命的驱动力。先进网络技术、机器学习(ML)和人工智能(AI)的引入为新型运营智能打开了大门。

然而，融入智能数字革命的公司往往会遇到问题。集成工业物联网和工业4.0智能涉及融合信息技术(IT)和运营技术(OT)网络，这些网络已经分离，并以根本不同的方式运行。

工业网络集成的挑战

IT系统的操作通常涉及硬件和软件平台的标准化，重点关注用户的体验和隐私。OT系统操作通常关注使用单独控制和过程操作的机械的功能。如果做得正确，将这两个网络融合在一起是有益的，如果整合不当，可能会产生长期的不良影响。

虽然许多公司在IT和OT网络集成方面取得了巨大的成功，但也有许多公司失败了。现实情况是，从传统环境升级到智能工厂或工厂可能是一个漫长而艰巨的过程，在新的融合网络中充满了代价高昂的挫折、延迟和不确定性。

IT与OT网络融合的战略规划

有人说过:“最好的防守是强有力的进攻。”在集成的世界中，避免失败的最佳方法是通过战略规划、协作和验证。毫无疑问，一体化进程的最佳工具是战略计划。一个深思熟虑的战略计划将节省时间和资源，并将使IT和OT网络的融合过程更加容易。

一个战略计划应该是唯一的网络。它应该包括特定于网络需求的特殊项目和配置要求。然而，除了战略计划之外，还应包括以下基本原则。它们可以帮助指导用户完成集成过程。

基本的集成原则可以帮助IT、OT集成

实现的成功或失败通常取决于网络集成的组织和计划水平。

总线网络通常用于车载通信协议，其中控制器局域网(CAN)是最常见的。CAN总线是一种轻量级的多主串行协议，它结合了多个发动机控制单元(ecu)，形成了允许集中通信的主干。在车辆中，这种联网方式非常适用于防抱死制动系统(ABS)、油门和转向控制等关键系统。

除CAN协议外，还有其他几种总线协议用于车辆通信。每个协议都遵循国际标准组织(ISO 11898和ISO 8802)为路边车辆指定的版本。每个协议都有自己的带宽限制和特殊用途。

一些比较流行的总线协议有:

• 本地互连网络:主要用于小型电机应用，如门镜，天窗控制和座椅定位系统。
• SAE J1939:专为重型机械、拖拉机、农林设计。
• 控制器局域网(CAN):汽车内部通信最常用的通信系统。CAN允许多个微控制器和ecu之间进行实时通信。
• 控制器局域网灵活数据范围(CAN FD):CAN协议的扩展版本。允许更大的数据传输，有效载荷从8位增加到64位。
• Flex雷:使用两个独立的数据通道进行容错。
• 面向媒体的系统传输(MOST):用于信息娱乐和多媒体网络技术，可配置为菊花链或环形拓扑。

除了现场总线，以太网还在汽车通信领域发展

总线技术对车载通信至关重要。然而，随着汽车工业的发展，新兴技术开始迁移到更新的车辆上，总线系统不足，无法支持这些新技术的带宽要求。需要一种协议来处理大量连接的ECU产生的数据，同时为未来的技术提供增长和可伸缩性的空间。以太网将会取代它的位置。

以太网为激光雷达、雷达、GPS、紧急制动检测、碰撞预警、车对一切(V2X)技术等应用提供了所需的带宽。以太网的灵活性加上其超过10gb的数据传输扩展能力，使其成为汽车行业的理想选择。以太网在企业以及使用各种协议和行业标准管理数据的工业网络环境中也有成功的证明记录。

以太网在工业应用中的优势

以太网的另一个主要优势是它可以以各种方式配置的灵活性。它还支持各种各样的数据管理工具，可以配置以优化网络内部的流量数据。

典型的以太网数据管理配置包括:

• 拓扑结构:以太网可以配置为星形、网状、环形、总线或树形拓扑，以支持交通流并为车辆网络提供冗余。
• 虚拟局域网(VLAN):vlan使用IEEE 802.1q标签标识符将网络划分为小的子网或虚拟局域网段。然后，这些vlan用于在逻辑上将物理连接或物理分离的网络设备分组为更小的子网。
• 服务质量(QoS):QoS用于管理数据流量，通过设置特定高性能应用的优先级来保证关键应用的性能。

开放系统互连模型:7个OSI层

标准以太网使用传输控制协议/Internet协议(TCP/IP)来处理数据。在20世纪70年代和80年代初采用TCP/IP协议之前，使用7层开放系统互连(OSI)模型作为协议标准。对于以太网协议，仍然使用OSI模型，层为:

• 第一层-物理:物理层定义到网络的物理连接。这可以从电缆类型，射频链接(IEEE 802.11无线规范)引脚布局、电压和连接器。
• 第2层-数据链:数据链路层提供来自物理层的同步和纠错功能。有两个子层-媒体访问控制(MAC)和逻辑链路控制(LLC)。大多数开关都在这个级别运行，包括ecu和微处理器。

总线技术包括CAN、LIN等，运行在IOS模型的第1层和第2层。

• 第三层-网络:网络层实现网络IP路由功能。
• 第4层-运输:传输层提供数据传输协议，如TCP/UDP连接和无连接通信。
• 第5层-会话层:会话层建立、管理和终止合作应用程序之间的连接。
• Layer 6 -表示:表示层定义数据压缩和加密。
• 第7层-应用:应用层指定应用程序如何访问网络，如电子邮件、网页浏览器和游戏。

图1:在20世纪70年代和80年代早期TCP/IP协议被采用之前，7层开放系统互连(OSI)模型被用作协议标准。对于以太网协议，仍然使用OSI模型。礼貌:Antaira

工业自动驾驶汽车的工业以太网应用

虽然以太网改善了商用车和乘用车的驾驶体验，但该技术也为工业应用的巨大增长打开了大门。以太网、机器人和人工智能等技术的结合对自动驾驶汽车，特别是工业自动驾驶汽车(iav)产生了巨大的影响。今天的无人机采用了最好的技术，并增加了汽车中不常见的额外功能层。它们是为特定目的或特定行业设计的定制机器。这些机器包括机械臂、升降门、液压平台、切割工具，可以由来自世界另一端的远程飞行员操纵。无人驾驶汽车通常出现在道路、农场、矿山、大型建筑工地以及对人类安全执行任务来说过于危险的地方。在这些情况下，为自动驾驶汽车(AV)提供动力的标准技术至关重要。让自动驾驶汽车运行的技术，也赋予了IAV在关键水平上运行的能力。

一个工业以太网案例研究:草莓收割

随着越来越多的人选择更健康的饮食，农业，尤其是草莓，越来越受欢迎。注重健康的消费者想要更多地享用草莓，而不是在水果的当季时间很短。

应用程序的挑战当前位置水果生产成本的上升和劳动力短缺使得许多草莓农难以满足需求。

应用解决方案:通过使用农业机器人、机器视觉、先进的人工智能技术和工业管理以太网交换机，一家农业机械制造商开发了一种专业的机器人草莓收割机，使用机械臂采摘成熟的草莓。这使得草莓种植者能够满足消费者的需求，克服生产价格上涨和劳动力短缺的挑战。

应用技术细节:随着自动收割机的建造开始，工程师们知道内部数据通信将在草莓采摘过程中发挥关键作用。他们决定使用来自一家主要制造商的工业网络交换机来处理数据流量。然而，在第一阶段的测试中，以太网交换机无法承受农业环境，需要多次更换;草莓田的条件太苛刻了。一家工业以太网交换机供应商帮助解决了连接危机。

最初提供了一个工业以太网交换机，它提供了一个软件管理套件，允许通过虚拟局域网(vlan)进行动态IP寻址和数据分离。它还配备了M12螺丝紧固连接器，确保紧密坚固的连接，以对抗长时间的强烈振动。该设备的IP67标准确保了对泥浆、污垢、灰尘、碎片的防水保护，并且延长了温度等级，允许在恶劣天气条件下不间断通信。该设备提供16千兆端口，2 × 10千兆光纤端口用于骨干连接。工业M12开关是理想的内部通信部分的开关。

然而，进一步的测试发现，需要一个二次工业开关来管理自动收割机的采摘方面。收割机配备了用于视觉检查的高清摄像机和需要通过以太网与工程师通信的机械臂传感器。草莓收集机还需要一种方法来处理与第一台工业管理交换机相同的数据流量需求，具体来说，是动态主机配置协议(DHCP) Option 82、QoS以确保容错和冗余、安全性以及VLAN管理。升级后的工业开关在每个接口增加了30W的功率。

工业开关允许制造商向前推进完成自动化草莓收割机的最后阶段。自动收割机现在拥有先进的工业网络技术，如果需要，可以创建定制的解决方案。

图2:通过使用农业机器人、机器视觉、先进的人工智能技术和Antaira的一系列工业管理以太网交换机，一家农业机械制造商开发了一种专用的机器人草莓收割机，使用机械臂(未显示)采摘成熟的草莓。所选择的交换机包括为其他设备提供30W的可用电源，用于动态IP寻址和通过虚拟局域网(vlan)进行数据分离的软件管理套件，以及确保紧密连接的M12螺丝紧固连接器。IP67等级确保了应用中的防水和防尘保护。提供:Mark T. Hoske，控制工程

工业自动驾驶汽车的未来

无人机的未来将是令人兴奋的。5G和高速无线等技术将为新应用打开大门。对于乘用车和商用车来说，增强现实和虚拟现实(AR/VR)应用的冲击将提供路况和天气数据的实时通知。

对于工业来说，自主生态系统将会出现。这样的生态系统可以为基于云的应用程序提供一个新的框架，驱动完全自主的“自我意识”车辆、机器人和各种其他自动化机器。这种新的智能水平将使无人机能够根据从其他无人机收集的数据做出自己的决定。

将以太网添加到车辆网络中会为其他行业带来更多机会

自动驾驶汽车是一个复杂的网络系统，从基本的后视镜调整到先进的无人驾驶控制，都可以管理通信。最初，车载通信使用两线总线，将基本通信从微处理器和控制器传输到传感器和小型电机等小端点。随着更先进的功能被引入车辆网络，传统总线系统无法跟上新技术通信所需的带宽需求。由于以太网的灵活性和在企业和工业网络环境中的成功，汽车制造商决定将其作为汽车通信的标准协议。在车辆网络中添加以太网为超越乘用车和商用车的机会打开了大门。

工业车辆制造商利用了以太网所创造的机会。它允许创建特定的应用车辆，包括自动控制，还包括机器人，人工智能和液压系统。人工智能无人机犁地、收割庄稼，并使用机械臂抬起集装箱。

随着越来越多的技术被添加到汽车中，具有自我意识的自动驾驶汽车的整个社区或生态系统将彼此互动。自动驾驶汽车将决定哪些路线、流程和方向是最好的，同时几乎没有人类互动。

亨利·马特尔是现场应用工程师，Antaira技术．由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程、CFE媒体和技术，mhoske@cfemedia.com．

关键词:工业网络，IT/OT集成，工业自动驾驶汽车

考虑一下这个

你的工业通信阻碍了IT/OT集成和工业物联网，工业4.0的实现?