工業 4.0 的通信協議

2021-07-16

工業 4.0 的通信協議

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

通信協議是計算機網絡的基礎，計算機網絡是具有處理能力并能夠通過物理通信手段（有線系統或無線系統）遠程交換數據和信息的設備組。

ISO 標準國際組織采用了 OSI（開放系統互連）模型，現在稱為 ISO/OSI 模型，它定義了構成網絡堆棧的層。

ISO/OSI 模型

該模型旨在允許通過數據包交換在計算機網絡的兩個節點之間進行數據交換。ISO/OSI 模型的架構是由 7 個邏輯層組成的堆棧，其中每一層都處理解決特定的通信問題；通過這種方式，每一層的任務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，它會添加一個元數據頭來執行其功能。

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 – 網絡層：允許使用數據通道而不考慮使用的傳輸介質，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 – 會話級：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的服務。

7 – 應用程序級：它允許將用戶應用程序與網絡流連接起來。

圖 1：ISO/OSI 模型層

現場總線

工業界長期以來一直使用所謂的現場總線或有線通信線路。它們專為工業網絡中的傳感器、執行器和智能系統之間的數據交換而設計。

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

最著名和最常用的現場總線之一是 PROFIBUS（過程現場總線），它創建于 80 年代后期。西門子是參與開發這項技術的公司之一，后來在 IEC 61158 中公開并標準化。 PROFIBUS 是一種單主多從現場總線，其規范包括物理、數據鏈路的實現和應用層。物理層可以是標準的 RS485 總線（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協議。

在同一時期，博世設計并實現了 CANBUS（控制器局域網總線），這是一種基于消息交換的強大協議。CANBUS 旨在用于汽車領域，該領域需要減少布線并獲得不受電氣干擾的通信。物理線路是差分總線，并發訪問由地址優先機制保證（所有節點在發送的同時監聽信道：如果它們注意到更高的信道上有優先級消息，它們會立即中斷傳輸，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）現場總線，一種多從單主機協議，于 70 年代后期創建，用于使用 PLC 的工業應用。在MODBUS規范中，物理輸出是一個線圈（指繼電器的線圈），而輸入是一個分立元件或觸點；隨著時間的推移，增加了虛擬輸入和輸出（寄存器），但由于其實施簡單，MODBUS 仍然是工業界使用最廣泛的總線之一。當我們談論 MODBUS 時，我們談論的是一種已移植到多種物理總線的協議，并且具有多種實現方式。最常見的是MODBUS RTU，它依賴于RS485總線，波特率從4800 bps到115200 bps不等，可以通過帶有串行通信線的簡單微控制器來實現。

圖 2：Modbus RTU 示例

工業以太網

工業以太網 (IE) 是在工業環境中使用以太網協議。使用該技術的設備通過添加適合過程和工業環境的功能來實現以太網層，例如適合溫度和機械需求的組件以及低延遲（實時）協議。工業以太網的使用正在迅速增長，并繼續從現場總線中搶奪市場份額。

PROFINET（過程現場網絡）是 2002 年由 IEC 61158 標準化的技術，是基于以太網的 PROFIBUS 實現。該系統由一個 IO 控制器（負責自動化）、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：工業以太網連接器

Ethernet/IP（工業協議）是另一個基于工業以太網的競爭者，它使通用工業協議（CIP）適應以太網協議。Ethernet/IP 實現了 ISO/OSI 模型的第 5、6 和 7 級，并使用 CIP 對象模型實現自動化流程、不同設備之間的互操作性和實時數據處理。此外，以太網/IP 智能地使用 TCP/IP（有連接的協議）和 UDP（無連接的協議）來優化驅動和傳感的資源和時間。

與 MODBUS RTU 類似，MODBUS TCP（2007 年在 IEC 61158 中標準化）用于與現場設備通信，但使用工業以太網。該技術解決了與其前身對 RS485 的限制相關的許多問題，例如通信速度、網絡上從節點的最大數量或報告協議異常的能力。盡管有這些改進，MODBUS TCP 仍然保持其前身的簡單性，這使其成為業界使用最廣泛的通信協議之一。

無線通訊

近年來，結構化無線通信已經出現在工業界。這種類型的技術有很多：經典的 ZigBee（長期用于傳感器網絡應用）、LoRa 和 LoRaWAN（物理層和上層）、藍牙和 BLE（具有網狀網絡的可能性）、6LowPan、DUST、NB- IoT、Thread 只是幾個例子。

所有這些技術都可以主要用于工業物聯網智能設備之間的連接，或者網關與現場設備之間的連接。至于廣域通信，也可以使用LTE或新的5G等無線技術。