探訪工業(yè)4.0之工業(yè)通信的技術(shù)拆解,會“說話”的工廠

　　導語

　　工業(yè)通信是工業(yè)4.0的核心，也是自動化系統(tǒng)的核心?？梢园压I(yè)通信簡單地分為4個層面：自動化系統(tǒng)內(nèi)部的橫向通信、與下層現(xiàn)場傳感和數(shù)據(jù)采集層及上層企業(yè)管理系統(tǒng)的縱向通信、基于開放標準和統(tǒng)一協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)、移動技術(shù)和虛擬化。

　　會“說話”的工廠

　　以一個制造汽車的工廠為例，看看工業(yè)通信如何幫助工廠會“說話”。

　?。?）在焊裝車間，機械臂為車身焊接頂蓋。當兩個機械臂固定好頂蓋后，他們可以通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機和電纜“告訴”同伴：可以開始激光焊接了。此外，安裝玻璃、車座以及車門也可用這種方法實現(xiàn)“對話”。（2）工廠中的移動設(shè)備，尤其旋轉(zhuǎn)設(shè)備不適合有線通信，而工業(yè)無線Wi-Fi能解決這一難題?？傃b車間，吊具抓握車身到達指定位置后，軌道通過工業(yè)無線交換機“通知”吊具：現(xiàn)在可以下降，與底盤相連了。（3）通過標簽和讀寫器，RFID使機械臂能識別不同型號的車身，為其安裝不同的車門，使“混線生產(chǎn)”成為可能。（4）在北京工廠，一個機械手臂發(fā)出需要維護的信號。通過電信運營商的服務(wù)，在上海家中的工程師收到通知。通過電腦連入控制器，啟動光學旁路繼電器，“屏蔽”需要維護的機械臂，使其他機械臂的通信不受影響。

　　由以上案例可以看出，工業(yè)有線通信、短距離無線通信、射頻識別、遠程無線通信是工業(yè)應(yīng)用往往會同時采用的通信手段，而這幾種通信方式又有很多不同的標準，其中的復雜性可見一斑。

　　現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)

　　工廠自動化控制器、工業(yè)驅(qū)動器、電網(wǎng)管理、醫(yī)療保健設(shè)施和交通運輸系統(tǒng)等領(lǐng)域都要求可靠、實時、無差錯的網(wǎng)絡(luò)連接。這些應(yīng)用既可以使用傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線協(xié)議，也可以使用新推出的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

　　現(xiàn)場總線

　　現(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。2003年4月，IEC61158 Ed.3現(xiàn)場總線標準第3版正式成為國際標準，規(guī)定10種類型的現(xiàn)場總線。傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線協(xié)議有PROFIBUS、DeviceNet、CAN、 InterBus和基金會現(xiàn)場總線等。

　　在工業(yè)應(yīng)用中，維護用的低速現(xiàn)場總線常使用RS-485；過程處理一般用快速現(xiàn)場總線，如CAN。CAN總線很簡單、可靠性高，可以做很多事情；PROFIBUS速率高，但復雜性也高，占用很多CPU資源。

　　工業(yè)以太網(wǎng)

　　管理執(zhí)行系統(tǒng)與廠房設(shè)備的垂直集成實現(xiàn)了以太網(wǎng) TCP/IP 協(xié)議與工業(yè)現(xiàn)場總線的融合。出現(xiàn)了多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP/IP、EtherCAT、Powerlink和SERCOS III等。

　　IMS和ARC的調(diào)研表明大約四分之三的工業(yè)以太網(wǎng)使用Ethernet/IP、PROFINET或Modbus/TCP；其次為Powerlink和 EtherCAT，這兩個系統(tǒng)特別適合硬實時性要求；對于SERCOSIII，盡管它的市場份額比較小，但是，它在高速運動控制領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。每種協(xié)議分別對應(yīng)于各種特定的需求，因此對硬件平臺的要求也會相應(yīng)地有所不同。

　　大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)自動化系統(tǒng)并不要求PLC周期時間必須少于若干毫秒。對于這些應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可在集成了標準以太網(wǎng)MAC外設(shè)的微控制器的軟件中低成本高效率地實施。由于這些應(yīng)用所需的閃存大小適中，因此Modbus TCP等協(xié)議可以在微控制器中實施。

　　在運動控制應(yīng)用中，高同步性和短延遲時間至關(guān)重要。Profinet IRT 或 Ethercat 等協(xié)議可以滿足上述要求，且適用于具有亞毫秒 PLC 時間的系統(tǒng)。在這種情況下，必須使用特定的ASSP或FPGA解決方案。

　　推薦IC：

　　德州儀器Sitara AM437x ARM處理器，有史以來首次能與四核可編程實時單元（PRU）相結(jié)合來處理兩個工業(yè)協(xié)議。（點擊觀看培訓視頻http://training.eeworld.com.cn/TI/show/course/580）

　　瑞薩電子R-IN32M3工業(yè)以太網(wǎng)通信芯片，其支持支持多種通信協(xié)議，在硬件中實現(xiàn)實時操作系統(tǒng)（real-TIme OS）基本函數(shù)的高速運算，實現(xiàn)高速實時響應(yīng)和高精度通信控制。

　　集成片上EtherCAT節(jié)點的英飛凌XMC4800系列微控制器，用戶不再需要專門的EtherCAT ASIC、外部存儲器和時鐘晶體。具備出色實時能力的XMC4800系列將加快聯(lián)網(wǎng)工業(yè)自動化的發(fā)展。

　　推薦模塊：

　　西門子VD模塊，能幫助工廠在PROFIBUS標準電纜上傳輸PROFINET數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更快速、智能的通信。

　　短距離無線通信

　　無線通信在工業(yè)自動化中越來越流行，可讓用戶更輕松地安裝和連接移動設(shè)備或難以接近的設(shè)備。Wi-Fi、藍牙、ZigBee不單是在智能家居這類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中互相博弈，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中也是如此。

　　PLC和DCS IO模塊等工業(yè)控制設(shè)備主要使用IEEE802.11 WLAN和藍牙標準。

　　工業(yè)傳感器或制動器對功耗要求高、占據(jù)空間大且實施成本高，IEEE802.15.4 技術(shù)（例如ZigBee 或 Wireless-HART）最適合這些產(chǎn)品。

　　推薦IC：

　　TI SimpleLink無線微控制器，TI為任何應(yīng)用提供跨越所有主要標準和技術(shù)的無線連接解決方案。無論是從事工業(yè)、汽車還是物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計，TI都能提供相應(yīng)的低功耗解決方案。（ 基于Atmel 32位AVR微控制器和H&D工業(yè)Wi-Fi模塊的完整參考設(shè)計 推薦產(chǎn)品：研華的工業(yè)級無線解決方案，其包括WLAN、移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)、提供IEEE 802.11a/n & b/g/n AP，串口至WLAN，串口至移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備服務(wù)器。

　　射頻識別

　　工業(yè)識別可謂是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，其能夠為生產(chǎn)、物流過程實時提供準確的信息。

　　從大型設(shè)備到零部件甚至小螺絲釘，通過標簽和讀寫器，RFID都能夠識別。據(jù)悉，RFID標簽安裝在寶馬英國工廠每條引擎線上。

　　除了RFID，NFC也可在工業(yè)市場一展所長。如果生產(chǎn)線上的機器都配備了NFC IC，工作人員可使用平板電腦來讀取NFC標簽。無論何種情況，標簽均均可向機器和工作人員提供處理和狀態(tài)信息，并可在流程的任意階段支持無線重新配置。

　　推薦IC：不用多說，射頻識別以及NFC解決方案當然找恩智浦更靠譜。

　　推薦產(chǎn)品：西門子大容量RFID電子標簽與可移動手持讀寫器。

　　遠程無線通信

　　對遠程無線（如3G、4G）來說，跨城市甚至跨國的通信都非難事。

　　案例：通用電氣（GE）與中國電信戰(zhàn)略合作。

　　通用電氣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)軟件平臺與中國電信的電信基礎(chǔ)設(shè)施和增值服務(wù)對接，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體解決方案，推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在航空、醫(yī)療、能源、工業(yè)制造和其他相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用。

　　工業(yè)通信的“關(guān)口”

　　無論工業(yè)設(shè)備以何種方式進行通信，都不能忽略一個重要環(huán)節(jié)，即工業(yè)網(wǎng)關(guān)這類產(chǎn)品。其中，工業(yè)網(wǎng)關(guān)或工業(yè)路由器用于將信號定向到所需的端口，網(wǎng)關(guān)可以在標準以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、無線與有線接口，或者以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線通信協(xié)議之間實現(xiàn)轉(zhuǎn)換；工業(yè)以太網(wǎng)交換機可將多個節(jié)點連接到一個以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)轉(zhuǎn)換器 （或橋）用于實現(xiàn)兩種不同通信技術(shù)之間的轉(zhuǎn)換，例如現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)或無線協(xié)議；現(xiàn)場總線到以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種在以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線通信協(xié)議之間進行連接和轉(zhuǎn)換的設(shè)備。

　　推薦IC：飛思卡爾LS1021A/QorIQ P2020/10單核和雙核通信處理器。

　　推薦產(chǎn)品：

　　研祥冗余網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機，其實全球首家基于國際標準協(xié)議實現(xiàn)冗余環(huán)網(wǎng)的產(chǎn)品。

　　研華工業(yè)以太網(wǎng)交換機和光電轉(zhuǎn)換器，從快速以太網(wǎng)到千兆以太網(wǎng)，從雙絞線到光纖及PoE產(chǎn)品。

　　結(jié)語

　　對于工業(yè)4.0的具體通信方案，不同企業(yè)有著不同的詮釋，而互聯(lián)是根本。當然，安全性是工業(yè)通信以及整個工業(yè)4.0不能忽略的問題，其包含了功能安全與信息安全兩方面，我們也將在今后的專題中重點關(guān)注。工業(yè)通信的價值不僅體現(xiàn)在技術(shù)上，還體現(xiàn)在經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)上，例如思科這樣的IT企業(yè)也進入到工業(yè)中，提供云服務(wù)等。人們對可靠性、速率、安全性、成本、易用性等多種特性的不斷追求，將使得工業(yè)通信的各種協(xié)議及相關(guān)產(chǎn)品繼續(xù)演進，助力工業(yè)4.0。