工業(yè) 4.0 的通信協(xié)議

2021-07-16

工業(yè) 4.0 的通信協(xié)議

IIoT 是所謂的智能工廠(chǎng)的基礎，即第四次工業(yè)革命的新型先進(jìn)制造單元。智能傳感器、超快速連接、人工智能算法是這種工業(yè)電子新視角的支柱。通信協(xié)議是允許在智能設備之間或設備與服務(wù)器（有時(shí)是云服務(wù)）之間交換信息的主要因素。以下是最常用協(xié)議的概述和分析，可幫助您了解何時(shí)采用一種協(xié)議而不是另一種協(xié)議。

通信協(xié)議是計算機網(wǎng)絡(luò )的基礎，計算機網(wǎng)絡(luò )是具有處理能力并能夠通過(guò)物理通信手段（有線(xiàn)系統或無(wú)線(xiàn)系統）遠程交換數據和信息的設備組。

ISO 標準國際組織采用了 OSI（開(kāi)放系統互連）模型，現在稱(chēng)為 ISO/OSI 模型，它定義了構成網(wǎng)絡(luò )堆棧的層。

ISO/OSI 模型

該模型旨在允許通過(guò)數據包交換在計算機網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)節點(diǎn)之間進(jìn)行數據交換。ISO/OSI 模型的架構是由 7 個(gè)邏輯層組成的堆棧，其中每一層都處理解決特定的通信問(wèn)題；通過(guò)這種方式，每一層的任務(wù)都得到了很好的定義，一層的數據包構成了更高層的信息有效載荷，它會(huì )添加一個(gè)元數據頭來(lái)執行其功能。

ISO/OSI模型的層次，從低到高依次是：

1 – 物理電平：定義了通信的物理方式、電壓電平和傳輸信號的波形。

2 – 數據鏈路層：允許發(fā)送同步數據流，檢查（并可能解決）錯誤，以便為下一層提供可靠的傳輸通道。

3 – 網(wǎng)絡(luò )層：允許使用數據通道而不考慮使用的傳輸介質(zhì)，并負責尋址和路由功能。

4 – 傳輸層：允許透明和可靠的數據傳輸，它建立和維護連接。

5 – 會(huì )話(huà)級：它維護應用程序之間的連接。

6 – 表示層：它處理應用程序之間通信的標準化，并提供諸如加密或數據壓縮之類(lèi)的服務(wù)。

7 – 應用程序級：它允許將用戶(hù)應用程序與網(wǎng)絡(luò )流連接起來(lái)。

圖 1：ISO/OSI 模型層

現場(chǎng)總線(xiàn)

工業(yè)界長(cháng)期以來(lái)一直使用所謂的現場(chǎng)總線(xiàn)或有線(xiàn)通信線(xiàn)路。它們專(zhuān)為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中的傳感器、執行器和智能系統之間的數據交換而設計。

2020 年，HMS Industrial Networks 估計使用此類(lèi)通信的設備將增加 30%。

最著(zhù)名和最常用的現場(chǎng)總線(xiàn)之一是 PROFIBUS（過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)），它創(chuàng )建于 80 年代后期。西門(mén)子是參與開(kāi)發(fā)這項技術(shù)的公司之一，后來(lái)在 IEC 61158 中公開(kāi)并標準化。 PROFIBUS 是一種單主多從現場(chǎng)總線(xiàn)，其規范包括物理、數據鏈路的實(shí)現和應用層。物理層可以是標準的 RS485 總線(xiàn)（阻抗適配 150 歐，波特率 9.6 kbps 到 12 Mbps，距離可達 1200 m）、曼徹斯特總線(xiàn)或光纖（在這種情況下連接距離可達到 15 公里），而數據鏈路層需要使用主從令牌環(huán)協(xié)議。

在同一時(shí)期，博世設計并實(shí)現了 CANBUS（控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)），這是一種基于消息交換的強大協(xié)議。CANBUS 旨在用于汽車(chē)領(lǐng)域，該領(lǐng)域需要減少布線(xiàn)并獲得不受電氣干擾的通信。物理線(xiàn)路是差分總線(xiàn)，并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)由地址優(yōu)先機制保證（所有節點(diǎn)在發(fā)送的同時(shí)監聽(tīng)信道：如果它們注意到更高的信道上有優(yōu)先級消息，它們會(huì )立即中斷傳輸，釋放通道）。CANBUS 指定了物理層 (ISO 11898)、傳輸層和應用層（其中詳細介紹了過(guò)濾和消息處理）。

MODBUS 是另一種較舊的（并且在某些方面受到限制）現場(chǎng)總線(xiàn)，一種多從單主機協(xié)議，于 70 年代后期創(chuàng )建，用于使用 PLC 的工業(yè)應用。在MODBUS規范中，物理輸出是一個(gè)線(xiàn)圈（指繼電器的線(xiàn)圈），而輸入是一個(gè)分立元件或觸點(diǎn)；隨著(zhù)時(shí)間的推移，增加了虛擬輸入和輸出（寄存器），但由于其實(shí)施簡(jiǎn)單，MODBUS 仍然是工業(yè)界使用最廣泛的總線(xiàn)之一。當我們談?wù)?span> MODBUS 時(shí)，我們談?wù)摰氖且环N已移植到多種物理總線(xiàn)的協(xié)議，并且具有多種實(shí)現方式。最常見(jiàn)的是MODBUS RTU，它依賴(lài)于RS485總線(xiàn)，波特率從4800 bps到115200 bps不等，可以通過(guò)帶有串行通信線(xiàn)的簡(jiǎn)單微控制器來(lái)實(shí)現。

圖 2：Modbus RTU 示例

工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng) (IE) 是在工業(yè)環(huán)境中使用以太網(wǎng)協(xié)議。使用該技術(shù)的設備通過(guò)添加適合過(guò)程和工業(yè)環(huán)境的功能來(lái)實(shí)現以太網(wǎng)層，例如適合溫度和機械需求的組件以及低延遲（實(shí)時(shí)）協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)的使用正在迅速增長(cháng)，并繼續從現場(chǎng)總線(xiàn)中搶奪市場(chǎng)份額。

PROFINET（過(guò)程現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )）是 2002 年由 IEC 61158 標準化的技術(shù)，是基于以太網(wǎng)的 PROFIBUS 實(shí)現。該系統由一個(gè) IO 控制器（負責自動(dòng)化）、IO 設備（執行器設備和傳感器）和可選的 IO 管理器（系統管理軟件）組成。

圖 3：工業(yè)以太網(wǎng)連接器

Ethernet/IP（工業(yè)協(xié)議）是另一個(gè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的競爭者，它使通用工業(yè)協(xié)議（CIP）適應以太網(wǎng)協(xié)議。Ethernet/IP 實(shí)現了 ISO/OSI 模型的第 5、6 和 7 級，并使用 CIP 對象模型實(shí)現自動(dòng)化流程、不同設備之間的互操作性和實(shí)時(shí)數據處理。此外，以太網(wǎng)/IP 智能地使用 TCP/IP（有連接的協(xié)議）和 UDP（無(wú)連接的協(xié)議）來(lái)優(yōu)化驅動(dòng)和傳感的資源和時(shí)間。

與 MODBUS RTU 類(lèi)似，MODBUS TCP（2007 年在 IEC 61158 中標準化）用于與現場(chǎng)設備通信，但使用工業(yè)以太網(wǎng)。該技術(shù)解決了與其前身對 RS485 的限制相關(guān)的許多問(wèn)題，例如通信速度、網(wǎng)絡(luò )上從節點(diǎn)的最大數量或報告協(xié)議異常的能力。盡管有這些改進(jìn)，MODBUS TCP 仍然保持其前身的簡(jiǎn)單性，這使其成為業(yè)界使用最廣泛的通信協(xié)議之一。

無(wú)線(xiàn)通訊

近年來(lái)，結構化無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)出現在工業(yè)界。這種類(lèi)型的技術(shù)有很多：經(jīng)典的 ZigBee（長(cháng)期用于傳感器網(wǎng)絡(luò )應用）、LoRa 和 LoRaWAN（物理層和上層）、藍牙和 BLE（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的可能性）、6LowPan、DUST、NB- IoT、Thread 只是幾個(gè)例子。

所有這些技術(shù)都可以主要用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能設備之間的連接，或者網(wǎng)關(guān)與現場(chǎng)設備之間的連接。至于廣域通信，也可以使用LTE或新的5G等無(wú)線(xiàn)技術(shù)。