探访工业4.0之工业通信的技术拆解,会“说话”的工厂

　　导语

　　工业通信是工业4.0的核心，也是自动化系统的核心。可以把工业通信简单地分为4个层面：自动化系统内部的横向通信、与下层现场传感和数据采集层及上层企业管理系统的纵向通信、基于开放标准和统一协议的通信网络、移动技术和虚拟化。

　　会“说话”的工厂

　　以一个制造汽车的工厂为例，看看工业通信如何帮助工厂会“说话”。

　　（1）在焊装车间，机械臂为车身焊接顶盖。当两个机械臂固定好顶盖后，他们可以通过工业以太网交换机和电缆“告诉”同伴：可以开始激光焊接了。此外，安装玻璃、车座以及车门也可用这种方法实现“对话”。（2）工厂中的移动设备，尤其旋转设备不适合有线通信，而工业无线Wi-Fi能解决这一难题。总装车间，吊具抓握车身到达指定位置后，轨道通过工业无线交换机“通知”吊具：现在可以下降，与底盘相连了。（3）通过标签和读写器，RFID使机械臂能识别不同型号的车身，为其安装不同的车门，使“混线生产”成为可能。（4）在北京工厂，一个机械手臂发出需要维护的信号。通过电信运营商的服务，在上海家中的工程师收到通知。通过电脑连入控制器，启动光学旁路继电器，“屏蔽”需要维护的机械臂，使其他机械臂的通信不受影响。

　　由以上案例可以看出，工业有线通信、短距离无线通信、射频识别、远程无线通信是工业应用往往会同时采用的通信手段，而这几种通信方式又有很多不同的标准，其中的复杂性可见一斑。

　　现场总线与工业以太网

　　工厂自动化控制器、工业驱动器、电网管理、医疗保健设施和交通运输系统等领域都要求可靠、实时、无差错的网络连接。这些应用既可以使用传统的现场总线协议，也可以使用新推出的工业以太网协议。

　　现场总线

　　现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。传统的现场总线协议有PROFIBUS、DeviceNet、CAN、 InterBus和基金会现场总线等。

　　在工业应用中，维护用的低速现场总线常使用RS-485；过程处理一般用快速现场总线，如CAN。CAN总线很简单、可靠性高，可以做很多事情；PROFIBUS速率高，但复杂性也高，占用很多CPU资源。

　　工业以太网

　　管理执行系统与厂房设备的垂直集成实现了以太网 TCP/IP 协议与工业现场总线的融合。出现了多种工业以太网协议，包括PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP/IP、EtherCAT、Powerlink和SERCOS III等。

　　IMS和ARC的调研表明大约四分之三的工业以太网使用Ethernet/IP、PROFINET或Modbus/TCP；其次为Powerlink和 EtherCAT，这两个系统特别适合硬实时性要求；对于SERCOSIII，尽管它的市场份额比较小，但是，它在高速运动控制领域扮演着非常重要的角色。每种协议分别对应于各种特定的需求，因此对硬件平台的要求也会相应地有所不同。

　　大多数工业以太网自动化系统并不要求PLC周期时间必须少于若干毫秒。对于这些应用，工业以太网协议可在集成了标准以太网MAC外设的微控制器的软件中低成本高效率地实施。由于这些应用所需的闪存大小适中，因此Modbus TCP等协议可以在微控制器中实施。

　　在运动控制应用中，高同步性和短延迟时间至关重要。Profinet IRT 或 Ethercat 等协议可以满足上述要求，且适用于具有亚毫秒 PLC 时间的系统。在这种情况下，必须使用特定的ASSP或FPGA解决方案。

　　推荐IC：

　　德州仪器Sitara AM437x ARM处理器，有史以来首次能与四核可编程实时单元（PRU）相结合来处理两个工业协议。（点击观看培训视频http://training.eeworld.com.cn/TI/show/course/580）

　　瑞萨电子R-IN32M3工业以太网通信芯片，其支持支持多种通信协议，在硬件中实现实时操作系统（real-TIme OS）基本函数的高速运算，实现高速实时响应和高精度通信控制。

　　集成片上EtherCAT节点的英飞凌XMC4800系列微控制器，用户不再需要专门的EtherCAT ASIC、外部存储器和时钟晶体。具备出色实时能力的XMC4800系列将加快联网工业自动化的发展。

　　推荐模块：

　　西门子VD模块，能帮助工厂在PROFIBUS标准电缆上传输PROFINET数据，实现更快速、智能的通信。

　　短距离无线通信

　　无线通信在工业自动化中越来越流行，可让用户更轻松地安装和连接移动设备或难以接近的设备。Wi-Fi、蓝牙、ZigBee不单是在智能家居这类物联网应用中互相博弈，在工业互联网中也是如此。

　　PLC和DCS IO模块等工业控制设备主要使用IEEE802.11 WLAN和蓝牙标准。

　　工业传感器或制动器对功耗要求高、占据空间大且实施成本高，IEEE802.15.4 技术（例如ZigBee 或 Wireless-HART）最适合这些产品。

　　推荐IC：

　　TI SimpleLink无线微控制器，TI为任何应用提供跨越所有主要标准和技术的无线连接解决方案。无论是从事工业、汽车还是物联网的设计，TI都能提供相应的低功耗解决方案。（ 基于Atmel 32位AVR微控制器和H&D工业Wi-Fi模块的完整参考设计 推荐产品：研华的工业级无线解决方案，其包括WLAN、移动蜂窝网络、提供IEEE 802.11a/n & b/g/n AP，串口至WLAN，串口至移动蜂窝网络设备服务器。

　　射频识别

　　工业识别可谓是实现智能制造的基础，其能够为生产、物流过程实时提供准确的信息。

　　从大型设备到零部件甚至小螺丝钉，通过标签和读写器，RFID都能够识别。据悉，RFID标签安装在宝马英国工厂每条引擎线上。

　　除了RFID，NFC也可在工业市场一展所长。如果生产线上的机器都配备了NFC IC，工作人员可使用平板电脑来读取NFC标签。无论何种情况，标签均均可向机器和工作人员提供处理和状态信息，并可在流程的任意阶段支持无线重新配置。

　　推荐IC：不用多说，射频识别以及NFC解决方案当然找恩智浦更靠谱。

　　推荐产品：西门子大容量RFID电子标签与可移动手持读写器。

　　远程无线通信

　　对远程无线（如3G、4G）来说，跨城市甚至跨国的通信都非难事。

　　案例：通用电气（GE）与中国电信战略合作。

　　通用电气工业互联网大数据软件平台与中国电信的电信基础设施和增值服务对接，形成工业互联网整体解决方案，推动工业互联网在航空、医疗、能源、工业制造和其他相关行业的应用。

　　工业通信的“关口”

　　无论工业设备以何种方式进行通信，都不能忽略一个重要环节，即工业网关这类产品。其中，工业网关或工业路由器用于将信号定向到所需的端口，网关可以在标准以太网与工业以太网协议、无线与有线接口，或者以太网与现场总线通信协议之间实现转换；工业以太网交换机可将多个节点连接到一个以太网网络；工业转换器 （或桥）用于实现两种不同通信技术之间的转换，例如现场总线、工业以太网或无线协议；现场总线到以太网网关是一种在以太网和现场总线通信协议之间进行连接和转换的设备。

　　推荐IC：飞思卡尔LS1021A/QorIQ P2020/10单核和双核通信处理器。

　　推荐产品：

　　研祥冗余网管型工业以太网交换机，其实全球首家基于国际标准协议实现冗余环网的产品。

　　研华工业以太网交换机和光电转换器，从快速以太网到千兆以太网，从双绞线到光纤及PoE产品。

　　结语

　　对于工业4.0的具体通信方案，不同企业有着不同的诠释，而互联是根本。当然，安全性是工业通信以及整个工业4.0不能忽略的问题，其包含了功能安全与信息安全两方面，我们也将在今后的专题中重点关注。工业通信的价值不仅体现在技术上，还体现在经济和生态系统上，例如思科这样的IT企业也进入到工业中，提供云服务等。人们对可靠性、速率、安全性、成本、易用性等多种特性的不断追求，将使得工业通信的各种协议及相关产品继续演进，助力工业4.0。