工業(yè) 4.0的通信協(xié)議

IIoT 是所謂的智能工廠(chǎng)的基礎(chǔ)，這是第四次工業(yè)革命的新型先進(jìn)制造單元。智能傳感器、超快速連接、人工智能算法是這一工業(yè)電子新視角的支柱。通信協(xié)議是允許在智能設(shè)備之間或設(shè)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)采用一種而不是另一種。

通信協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是具有處理能力的設(shè)備組，能夠通過(guò)物理通信方式（有線(xiàn)系統(tǒng)或無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)）遠(yuǎn)程交換數(shù)據(jù)和信息。

ISO 標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際組織采用了 OSI（開(kāi)放系統(tǒng)互連）模型，現(xiàn)在稱(chēng)為 ISO/OSI 模型，它定義了構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)堆棧的層。

ISO/OSI 模型

該模型旨在允許在具有分組交換的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ISO/OSI 模型的體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)由 7 個(gè)邏輯層組成的堆棧，其中每一層處理解決特定的通信問(wèn)題；這樣，每一層的任務(wù)都被很好地定義了，一層的數(shù)據(jù)包構(gòu)成了更高層的信息負(fù)載，它將添加一個(gè)執(zhí)行其功能所必需的元數(shù)據(jù)頭。

ISO/OSI 模型的層級(jí)，從最低到最高，如下所示：

1 – 物理電平：定義通信的物理方式、電壓電平和傳輸信號(hào)的波形。

2 – 數(shù)據(jù)鏈路層：允許發(fā)送同步數(shù)據(jù)流，檢查（并可能解決）錯(cuò)誤，以便為下一層提供可靠的傳輸通道。

3 – 網(wǎng)絡(luò)級(jí)：允許使用數(shù)據(jù)通道而不用考慮所使用的傳輸介質(zhì)，并負(fù)責(zé)尋址和路由功能。

4 – 傳輸層：允許透明和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它建立和維護(hù)連接。

5 – 會(huì)話(huà)級(jí)：它維護(hù)應(yīng)用程序之間的連接。

6 – 表示層：它處理應(yīng)用程序之間通信的標(biāo)準(zhǔn)化，并提供諸如密碼學(xué)或數(shù)據(jù)壓縮之類(lèi)的服務(wù)。

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

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現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

工業(yè)界長(zhǎng)期使用所謂的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)或有線(xiàn)通信線(xiàn)路。這些專(zhuān)為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器、執(zhí)行器和智能系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換而設(shè)計(jì)。

據(jù) HMS Industrial Networks 估計(jì)，到 2020 年，使用此類(lèi)通信的設(shè)備數(shù)量將增加 30%。

最著名和最常用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一是 PROFIBUS（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)），它創(chuàng)建于 80 年代后期。西門(mén)子是參與該技術(shù)開(kāi)發(fā)的公司之一，該技術(shù)后來(lái)在 IEC 61158 中公開(kāi)并標(biāo)準(zhǔn)化。PROFIBUS 是一種單主多從現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，其規(guī)范包括物理、數(shù)據(jù)鏈路的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用層。物理層可以是標(biāo)準(zhǔn)的RS485總線(xiàn)（阻抗150歐姆，波特率9.6kbps~12Mbps，距離可達(dá)1200m）、曼徹斯特總線(xiàn)或光纖（這種情況下連接距離可達(dá)到 15 公里），而數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了 CANBUS（控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)），這是一種基于消息交換的健壯協(xié)議。CANBUS 被創(chuàng)建用于汽車(chē)領(lǐng)域，在該領(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)先級(jí)機(jī)制保證（所有節(jié)點(diǎn)在同時(shí)傳輸?shù)耐瑫r(shí)監(jiān)聽(tīng)通道：如果它們注意到通道上有更高優(yōu)先級(jí)的消息，它們立即中斷傳輸，釋放通道）。CANBUS 規(guī)定了物理層 （ISO 11898）、傳輸層和應(yīng)用層（其中詳細(xì)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(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，它是在 70 年代后期為使用 PLC 的工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建的多從單主協(xié)議。在MODBUS規(guī)范中，一個(gè)物理輸出是一個(gè)線(xiàn)圈（指繼電器的線(xiàn)圈），而一個(gè)輸入是一個(gè)分立元件或觸點(diǎn)；隨著時(shí)間的推移，已經(jīng)添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(dāng)我們談?wù)?MODBUS 時(shí)，我們談?wù)摰氖且环N已經(jīng)移植到大量物理總線(xiàn)的協(xié)議，并且它有幾種實(shí)現(xiàn)方式。最常見(jiàn)的是MODBUS RTU，它依賴(lài)于RS485總線(xiàn)，波特率范圍從4800bps到115200bps，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(xiàn)。

圖 2：Modbus RTU 示例（來(lái)源：Control Global）

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。利用該技術(shù)的設(shè)備通過(guò)添加適用于流程和工業(yè)環(huán)境的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)層，例如適合溫度和機(jī)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(zhǎng)，并繼續(xù)從現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中搶走市場(chǎng)份額。

PROFINET（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)）是 2002 年由 IEC 61158 標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，是一種基于以太網(wǎng)的 PROFIBUS 實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)由 IO-Controller（負(fù)責(zé)自動(dòng)化）、IO-Devices（執(zhí)行器設(shè)備和傳感器）以及可選的 IO-Supervisor（系統(tǒng)管理軟件）組成。

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圖 3：工業(yè)以太網(wǎng)連接器（來(lái)源：Lutze Inc）

以太網(wǎng)/IP（工業(yè)協(xié)議）是另一個(gè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，它使通用工業(yè)協(xié)議（CIP）適應(yīng)以太網(wǎng)協(xié)議。以太網(wǎng)/IP 實(shí)現(xiàn)了 ISO/OSI 模型的第 5、6 和 7 級(jí)，并使用 CIP 對(duì)象模型進(jìn)行自動(dòng)化流程、不同設(shè)備之間的互操作性和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。此外，Ethernet/IP 智能地利用 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(qū)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(biāo)準(zhǔn)化）用于與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(duì) 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(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量或報(bào)告協(xié)議異常的能力。盡管有這些改進(jìn)，MODBUS TCP 仍保持其前身的簡(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(jié)構(gòu)化無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)出現(xiàn)在工業(yè)世界中。這種類(lèi)型的技術(shù)有很多：經(jīng)典的 ZigBee（長(zhǎng)期用于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）、LoRa 和 LoRaWAN（物理層和上層）、藍(lán)牙和 BLE（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的可能性）、6LowPan、DUST、NB- IoT、Thread 只是其中的幾個(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(shè)備之間的連接，或者網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的連接。至于廣域通信，也可以使用LTE或新5G等無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

結(jié)論

市場(chǎng)可以提供多種連接工業(yè)設(shè)備的方法，以提高其可配置性、控制和管理能力。工程師只需選擇最適合各種用例的技術(shù)，即可快速開(kāi)發(fā)出尖端、可擴(kuò)展且面向未來(lái)的工業(yè)解決方案。