發布日期：2022-07-14 點擊率：53
通信作為工業4.0的自動化系統中至關重要的子系統，其主要挑戰不是通信系統的實時性能，而是把通信要求所涵蓋范圍的所有網絡進行無縫的集成，這些網絡包括從有嚴格確定性要求的就地控制網絡，到工廠內部的運行操作管理網絡，到企業生產的計劃調度網絡，并延伸到全球連接的跨企業的通信;以及基于網絡通信的自組態和各類網絡管理的集成。還有的挑戰是，在生產技術的生命周期和信息技術的生命周期存在巨大差異的情況下，如何制定不同以往的升級遷移、集成和維護的策略。
當前通信在推進工業4.0發展面臨的問題是，現有的工業通信技術雖然打下了良好的基礎，但仍遠遠不能在技術和成本上滿足工業4.0的要求;而正在發展中的技術如5G、NFV(網絡功能虛擬化)等還有待于試驗驗證和推廣，至少在近期內還不會在工業制造中產生實際上的影響。
盡管如此，這也沒有妨礙工業4.0中的通信技術的有效發展，德國工業界正在多頭推進。首先是德國工業4.0平臺作為德國工業界協調推進工業4.0國策的組織機構，其下的第一工作組(負責參考架構)下設一個小組，專門針對“基于網絡的通信”，為基于網絡的通信解決方案未來的發展和標準化進行規劃。明確基于網絡通信的主要要求，評估現有的有關標準和規范，或者正在開發中的標準和規范。為了構造基于網絡通信的各種場景和要求，該小組勾畫了有關的推薦和參考模型，作為RAMI4.0的一個補充。其次是由DIN、DKE和VDE聯合發布的工業4.0標準化路線圖的第三版，專門開辟通信章節，討論有線通信和無線通信的現狀，實現工業4.0意義的通信需要在標準化方面開展的工作及建議。還有由Fraunhofer和VDMA發布專門針對中小型企業的工業4.0通信導則(基于開放平臺通信統一架構OPC UA)，幫助他們選擇正確的方法和步驟實施工業通信的升級遷移。
用于工業4.0的基于網絡的通信
用于工業4.0的基于網絡的通信定義如下：為賦予兩個或多個工業4.0基本單元建立通信關系的能力，用于工業4.0的基于網絡的通信需要把所有有關的的技術、網絡和協議都加以涵蓋。工業4.0的基于網絡的通信，其應用必須經由符合工業4.0的界面，使端對端的通信具備信息交換和對話的能力。網絡資源的利用也可以通過非符合工業4.0的界面加以配置。
值得注意的是，在RAMI4.0內分析基于網絡的通信有兩個視角：1)從使用通信的視角看，出于用戶數據傳輸功能的通信需要，在此情形下與管理殼的接口承擔通信設施支持有關數據存取的組態。2)從如何實施通信的視角看，作為數據傳輸功能提供者的通信能力的體現，并為信息交流提供服務質量QoS，在此情形下管理殼將通信設施加以隱藏。
將基于網絡通信作為工業4.0必須使用的“科目“，實際上就是通信的使用。這體現在RAMI4.0的兩個維度，即生產組織及其設備按其層級遞階的維度和生命周期和價值流的維度。正如圖1所示，表現為哪些科目需要通信交換數據。
為了交換數據和信息，或者為提供和使用遠程設備的功能，工業4.0的基本單元必須具有通信能力。為此必須對工業4.0的基本單元規定描述應用通信要求的特性。這些特性是要傳輸的數據類型和長度、要求的性能、所提供的或所期望的信息/功能層之間的接口，以及基于網絡的通信(串行或并行、緩沖區或FIFO先進先出、服務或協議)。這些特性是工業4.0基本單元管理殼中通信子模型的元素項。基于這些工業4.0基本單元通信子模型的特性值，可以實現適當的基于網絡的通信系統。至于網絡中的各種設備，并沒有必要作為工業4.0的基本單元。然而，由工業4.0基本單元所提供的特性，譬如說在物聯網的意義上，也可以支持涉及具有相當寬泛應用范圍的基于網絡的通信。
圖1：基于網絡的通信是RAMI4.0必須使用的科目
將基于網絡的通信作為工業4.0的“目標”，實際上就是基于網絡的通信必須承擔工業4.0需要的通信。這體現在RAMI4.0的另一維度，即如何實現由實體資產及其功能集合映射為虛擬表達制造過程的維度。正如圖2所示，在此維度中表述怎樣來實施通信的目標。
基于網絡的通信系統的設計、集成和生命周期管理系統，將被看作與其它資產一樣，與符合工業4.0要求的工業自動化系統相關。因此，為了開發管理殼AS的內容，將按照RAMI4.0的模型的組成元素考慮。這使得網絡的持久穩固的管理和應用，會按照生產過程經常變化的要求賦能。這僅僅是在基于網絡通信作為工業自動化系統的一部分的場合所要求的。
圖2：基于網絡通信作為工業4.0必須實施的目標
如上所述在工業4.0的環境中，對于有關管理殼的問題，有兩種視角觀察基于網絡的通信。那么就需要為通信資產也建立管理殼，以便將這兩種視角所觀察的問題集成起來。
在工業4.0面向服務架構的環境中，基于網絡的通信的管理殼需要考慮以下先決條件：1)有關工業4.0管理殼的概念 包括描述工業4.0的基本單元特性的公用模型和有關服務質量的信息交換能力;2)工業.4.0服務架構的概念。圖3示出工業4.0服務架構的概念圖。圖中自上而下分別是：平臺管理服務、信息服務、通信服務，所有這些服務均建立在通信基礎架構/資產數字化和服務參與者的基礎之上。表1概括了上述的目標，給出工業4.0服務層級與自動化、ICT和通信管理殼的關系。
圖3：工業4.0服務遞階層級的概念圖
表1：工業4.0服務層級與自動化、ICT和通信管理殼的關系
工業4.0中基于網絡的通信的模型和要求
為了能以結構化的形式確切描述RAMI4.0通信層的相關要求、功能和接口，需要把基于網絡的通信的模型設計為RAMI4.0的擴展和補充。圖4給出的兩維模型中，一個維度是RAMI4.0中所謂的“遞階層級”及其包含的對通信的潛在要求;另一個維度是對通信的時間響應的要求。用在基于網絡的通信中的不同的通信系統，在這兩個維度都有描述。這些不同的通信系統的區別在于它們被用于不同的遞階層級，因而對網絡有著不同的時間響應要求。圖4中用圓柱體表示工業4.0基本單元，這些工業4.0基本單元之間經由特定的網絡相互通信。圓柱體的高度表示所要求的數據傳輸率。圖中處在企業間通信(Connected World)層和企業層(Enterprise)的工業4.0基本單元，使用I4.0網絡3(即時間響應大于100ms的網絡)，它們的數據傳輸率的要求顯然是很高的。而那些處于現場設備層(Field Device)和控制設備層(Control Device)的工業4.0基本單元，運用I4.0網絡1(即時間響應小于1ms的網絡)，它們的數據傳輸率就很低。在這個模型中要點是連接不同網絡的網關(圖中用紅色矩形表示)，這種網關起到將公司內部的局域網連接到網絡提供商的全球網絡的作用。符合工業4.0要求的端對端的連接，就是通過網關在工業4.0網絡內構成。
圖4：RAMI4.0中通信層的模型
表2列舉了工業4.0環境下主要的通信應用場景，包括工廠自動化FA、過程自動化PA、操作運營管理、遠程操作、第三方服務以及包羅全部通信網絡的網管。在典型的自動化應用中所呈現的這些場景，參照了所規定的具有基于網絡通信能力的資產，如物理的或邏輯的通信網絡、端對端的通信關系、任意管理殼的主體(即支持符合工業4.0通信的基本單元)、網絡管理和控制系統聯接等等。這些場景的特點將會在管理殼中所需要的功能中體現。
表2：工業4.0環境下主要的通信應用場景
根據這些參照場景可以歸納出對于基于網絡的通信的基本要求是：信息安全、可用性和服務質量QoS。信息安全包括：1)網絡和數據安全;2)信息安全的識別;3)功能信息安全(參見IEC 61784-3現場總線的功能安全)。可用性是指過程和數據適時可用的性能，以及將過程和數據進行適當運用的能力。得到授權的用戶不可拒絕對信息和系統進行存取。工業4.0要求的服務質量可分為三類，即延遲要求(包括抖動)，數據傳輸的可靠性(例如用最大的位或幀的出錯率)，數據傳輸率的要求。此外，對于無線通信系統還有在解決所用頻譜的共存性問題的同時，還需滿足上述QoS的參數。表3給出幾種有關的服務質量要求的數量范圍。為了在RAMI4.0的環境下把這些要求轉換為符合工業4.0的功能，必須通過管理殼來加以表達。
表3：不同應用場合對服務質量的要求
目前通信技術與基于網絡的通信要求的差距
從大的方面來看，工業4.0所需要的基于網絡的通信與目前所能提供的通信技術之間還存在著明顯的差距。主要表現在以下四個方面：
1)對無線聯網解決方案的需求強烈——工業4.0要求生產過程不能固定在某個一成不變的場合，它必須能夠適應靈活的組織生產的要求，具有足夠的移動性;還要求生產工具和裝備適應性更強，以及物流的組織必須滿足動態而非靜態的要求。較之有線通信系統來說，無線系統顯然能快速突破技術和經濟上的限制。未來會在工業生產中運用數量巨大的傳感器和執行器，除了使用有效的無線系統，別無替代辦法。如此大規模的商業應用的前景，導致藍牙和無線局域網正在開發低成本的結構，但至今為止僅有非常有限的機制來解決抗干擾、信息安全和響應時間等問題。目前單一的無線工業解決方案局限于很少的頻帶，由于只能容納數量不多的傳感器和執行器，所以不可能有很好的經濟效應。預計未來5至10年內5G將會在工業應用中起到巨大作用。
2)靈活而且安全質量有保證的端對端的通信——工業4.0對于端對端通信的核心要求是靈活、盡可能的安全，以及最廣闊的通信質量保證范圍。通常需要跨越不同的網絡以及不同的網絡運營商，才能完成端對端的通信，并且還要保證最佳的連續性。采用TSN技術的OPC UA(IEC 62541)顯然是很好的選擇，但考慮到OPC UA本質上是為解決設備與設備的聯接而開發的，遠不能滿足工業4.0對軟件與軟件、復雜數據與復雜數據、人與系統等的聯接性的要求，還需要有其它的聯接性協議(如DDS、oneM2M、HTTP)加以完善和互補。
鑒于在端對端通信中網關起著重要作用，在工廠的局域網與廣域網之間符合工業4.0要求的網關必須具有以下屬性：
可組態，且具備基于應用而建立通道的安全協議;以盡可能短的時間建立聯接和斷開聯接;提供監控和分析功能的便捷而靈活的工具;對每個應用程序進行優先級別的管理;在各個不同的網絡運營商之間保證QoS參數的轉化。特別是從中長期來看，與5G的聯接運用網絡分割和網絡功能虛擬化(network function virtualization，NFV)，將會大大有助于提高靈活性。
3)基于網絡的通信的管理殼——要實現工業4.0參考架構模型RAMI4.0中的通信層能力的安全靈活的應用，必須在工業4.0基本單元的管理殼中表達通信基礎結構的功能，這樣才能通過符合工業4.0的通信執行具體應用的請求和重發。因此管理殼必須支持兩種基本的用例：
工業4.0基本單元之間的端對端連接路徑的請求和/或信息交換，具有完善定義的服務質量和信息安全性能，最好是不依賴于所用的特定通信協議。
對新加入的工業4.0基本單元的初始化組態(自動引導)要在第一時間獲得通信基礎架構管理殼的存取，最好是具有最小的預組態輸入。
4)標準化的國際化問題----到目前為止在生產技術和自動化技術中用了許多不同的標準，但大都是國家標準和專業標準。工業4.0要在全球競爭中取勝，建立基于網絡的通信國際化的標準是當務之急。
僅從通信技術的標準化集成的期望來看，目前用于工業4.0的解決方案，明顯存在以下問題：通信裝置的組態接口還無法擺脫對供應商的依賴;缺乏不依賴于通信物理介質的端對端通信的接口(這里可考慮基于意圖的聯網方法);缺乏共存管理的接口，尤其是對于無線網絡沒有共存接口。關鍵是需要與通信網絡建立以下接口：與使用通信層資產的信息交流的接口，與監控信息交換使用狀態的接口，發現符合工業4.0服務主機的接口。
基于意圖聯網(intent-based networking，IBN)是一項正在發展中的技術，可能是今后30年內得以廣泛運用的網絡技術，其核心是結合運用人工智能和機器學習，來實現網絡管理的自動化，極大提高網絡的可用性和靈活性，使最終用戶的網絡業務策略實際實現。根據Gartner的分析，基于意圖的網絡系統是提升網絡基礎設施可用性和敏捷性的中間件產品，其中包含對網絡基礎設施的設計、實施、運行、保障等完整生命周期的管理。
據悉，目前至少70%以上的網絡還是依靠人工通過命令行接口進行管理。IBN的終極目的是建立和實現自管理網絡(self-managing networks)。基于意圖聯網以應用為中心，聚焦于滿足應用軟件從網絡中獲得它所需要的服務。在基于意圖聯網中，網絡配置(provisioning)，或網絡自動化與運行沒有任何關系，它只選擇網絡為應用軟件提供所需要的服務。源于美國的IETF互聯網工程專責小組和ETSI歐洲電信標準化研究所都致力于發展這項新技術。而美國的思科已于2018年6月推出了基于意圖的聯網的軟件平臺。
通信作為工業4.0的資產
在工業4.0的環境下把通信考慮為資產，通過其管理殼在信息世界中進行表達。換言之，通信也是工業4.0的一種基本單元(見圖5)。按照德國標準DIN Spec 91345，管理殼的內容是以子模型表示其特征的，那么在通信資產管理殼中的各種子模型，將包含符合工業4.0的通信的所有信息。
圖5：通信作為工業4.0的一種基本單元
在圖6中示出通信資產子模型細節。數據層為工業4.0的通信(數據傳輸以及數據格式的完善補充)提供服務，而控制層通過精細粒度(附有有關性能)的通信子模型來表達管理服務。如圖6所示通信網絡的網絡管理系統是管理殼的可能的接口。而目前網管系統通常復雜，部分是專用的，而且與其下的網絡架構和網絡設備綁定，沒有必要的靈活性。
圖6：工業4.0基本單元中有關通信子模型的細節
今后，通信網絡將從面向硬件轉向面向軟件。網絡的功能將在統一的傳輸、計算和存貯的基礎架構的基礎上，以虛擬的方式生成，即網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)。計算和存貯的基礎架構可以由集中的或分布式數據中心(云基生產)所控制和掌握。再與軟件定義聯網SDN架構和功能組合起來，則有了新的機會建立靈活的通信網絡，并能邁向實現實時網絡和服務管理。
圖7示出的方法是在通過管理殼運行網絡的概念模型中，運用軟件定義聯網SDN的架構。圖中可見，工業4.0的應用使用網絡通信管理殼與SDN控制器互動，在無需了解SDN用，通信資產中的網絡管理系統其下的控制層所執行的控制細節，相當于由SDN控制器承擔;而數據層的任務由網絡和標準的網絡技術(如TSN)執行，這對應于SDN控制器與SDN的數據路徑之間的增強發現。
圖7：工業4.0基本單元通信子模型SDN的實現方案
如果在真實的工業4.0環境中采用SDN應用表達虛擬的RAMI4.0通信管理殼，那么實行RAMI4.0管理殼的要求必須通過信息交流和交換來實現。這就要求在未來的公共網絡支持基于SDN的信息交流和交換的過程和步驟。傳統的傳輸網絡中由專門的路由器和交換機實現數據轉發和網絡控制。SDN通過一個單獨的基于軟件的SDN控制器實現網絡控制功能的集中化，而路由器和交換機只負責轉發，減少了轉發的成本。SDN控制器可監控絕大部分網絡，輕松識別最優報文路由，在網絡擁堵或者部分癱瘓的情況下尤其有用。由于傳統網絡中的路由器和交換機的路由決策，只局限于部分網絡而不是所有網絡的運行情況，相比而言，SDN控制器的路由決策能力就強得多。
NFV和SDN推動了網絡現代化的發展，軟件化和云化則定義了網絡現代化的路徑。未來通信網絡另一個重要的方法是網絡分割(network slicing)，這是5G中一個關鍵的概念。基于SDN和NFV的原理，可以在相同的物理基礎架構下，運用網絡分割的概念建立不同的邏輯網絡切片。每個網絡切片邏輯上都是一個自給自足的網絡，每項業務都可以擁有一個獨立的網絡切片。例如專門的視頻網絡切片、IoT網絡切片，或者關鍵通信網絡切片(如工業4.0專用網絡切片)等等。當然，也可以將多個相似業務放在一個網絡切片上。這一體現在公共的物理網絡基礎架構上，運行多個虛擬且獨立業務運行的邏輯網絡的概念，其高效率且成本低廉的效果，將徹底改變了現行的實現方法，也使得5G更能適應網絡外部環境的變化，動態調節的性能更佳。總之，5G與網絡分割的組合會使業務客戶與運營商在簽訂服務級別協議(Service Level Agreement，SLA)的前提下，享有其專有的聯接性和數據處理性能，包括數據速度、通信質量、延遲、可靠性、信息安全和服務。
可以預見，工業4.0專用的網絡切片將靈活地建立在工業4.0專用要求的基礎上。網絡分割的詳細機制，包括建立網絡分割存取運行范圍和域，目前正在研究中。德國ZVEI(電氣電子協會)已在內部新設立5G-ACIA(5G連接工業和自動化聯盟，5G Alliance for Connected Industry and Automation)，正在策劃一個有關IMT-2020頻帶(5G技術)和非IMT頻帶(5.8 GHz ISM band)向國際電信聯盟ITU-R聯合體的提議，并將通過德國聯邦網絡代理機構German Federal Network Agency提交。看來有可能在所有共存的應用之間進行有序合作的基礎上，在5G頻帶中專門開辟為工業自動化的專用頻譜。
