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

　　導(dǎo)語(yǔ)

　　工業(yè)通信是工業(yè)4.0的核心，也是自動(dòng)化系統(tǒng)的核心。可以把工業(yè)通信簡(jiǎn)單地分為4個(gè)層面：自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部的橫向通信、與下層現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)技術(shù)和虛擬化。

　　會(huì)“說(shuō)話”的工廠

　　以一個(gè)制造汽車(chē)的工廠為例，看看工業(yè)通信如何幫助工廠會(huì)“說(shuō)話”。

　?。?）在焊裝車(chē)間，機(jī)械臂為車(chē)身焊接頂蓋。當(dāng)兩個(gè)機(jī)械臂固定好頂蓋后，他們可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和電纜“告訴”同伴：可以開(kāi)始激光焊接了。此外，安裝玻璃、車(chē)座以及車(chē)門(mén)也可用這種方法實(shí)現(xiàn)“對(duì)話”。（2）工廠中的移動(dòng)設(shè)備，尤其旋轉(zhuǎn)設(shè)備不適合有線通信，而工業(yè)無(wú)線Wi-Fi能解決這一難題。總裝車(chē)間，吊具抓握車(chē)身到達(dá)指定位置后，軌道通過(guò)工業(yè)無(wú)線交換機(jī)“通知”吊具：現(xiàn)在可以下降，與底盤(pán)相連了。（3）通過(guò)標(biāo)簽和讀寫(xiě)器，RFID使機(jī)械臂能識(shí)別不同型號(hào)的車(chē)身，為其安裝不同的車(chē)門(mén)，使“混線生產(chǎn)”成為可能。（4）在北京工廠，一個(gè)機(jī)械手臂發(fā)出需要維護(hù)的信號(hào)。通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)，在上海家中的工程師收到通知。通過(guò)電腦連入控制器，啟動(dòng)光學(xué)旁路繼電器，“屏蔽”需要維護(hù)的機(jī)械臂，使其他機(jī)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(wú)線通信、射頻識(shí)別、遠(yuǎn)程無(wú)線通信是工業(yè)應(yīng)用往往會(huì)同時(shí)采用的通信手段，而這幾種通信方式又有很多不同的標(biāo)準(zhǔn)，其中的復(fù)雜性可見(jiàn)一斑。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)

　　工廠自動(dòng)化控制器、工業(yè)驅(qū)動(dòng)器、電網(wǎng)管理、醫(yī)療保健設(shè)施和交通運(yùn)輸系統(tǒng)等領(lǐng)域都要求可靠、實(shí)時(shí)、無(wú)差錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)連接。這些應(yīng)用既可以使用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)第3版正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定10種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議有PROFIBUS、DeviceNet、CAN、 InterBus和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線等。

　　在工業(yè)應(yīng)用中，維護(hù)用的低速現(xiàn)場(chǎng)總線常使用RS-485；過(guò)程處理一般用快速現(xiàn)場(chǎng)總線，如CAN。CAN總線很簡(jiǎn)單、可靠性高，可以做很多事情；PROFIBUS速率高，但復(fù)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(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng) TCP/IP 協(xié)議與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)系統(tǒng)特別適合硬實(shí)時(shí)性要求；對(duì)于SERCOSIII，盡管它的市場(chǎng)份額比較小，但是，它在高速運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。每種協(xié)議分別對(duì)應(yīng)于各種特定的需求，因此對(duì)硬件平臺(tái)的要求也會(huì)相應(yīng)地有所不同。

　　大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)并不要求PLC周期時(shí)間必須少于若干毫秒。對(duì)于這些應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可在集成了標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)施。

　　在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，高同步性和短延遲時(shí)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(shí)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(lái)首次能與四核可編程實(shí)時(shí)單元（PRU）相結(jié)合來(lái)處理兩個(gè)工業(yè)協(xié)議。（點(diǎn)擊觀看培訓(xùn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（real-time OS）基本函數(shù)的高速運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)響應(yīng)和高精度通信控制。

　　集成片上EtherCAT節(jié)點(diǎn)的英飛凌XMC4800系列微控制器，用戶不再需要專(zhuān)門(mén)的EtherCAT ASIC、外部存儲(chǔ)器和時(shí)鐘晶體。具備出色實(shí)時(shí)能力的XMC4800系列將加快聯(lián)網(wǎng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。

　　推薦模塊：

　　西門(mén)子VD模塊，能幫助工廠在PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)電纜上傳輸PROFINET數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更快速、智能的通信。

　　短距離無(wú)線通信

　　無(wú)線通信在工業(yè)自動(dòng)化中越來(lái)越流行，可讓用戶更輕松地安裝和連接移動(dòng)設(shè)備或難以接近的設(shè)備。Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee不單是在智能家居這類(lèi)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(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。

　　工業(yè)傳感器或制動(dòng)器對(duì)功耗要求高、占據(jù)空間大且實(shí)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(wú)線微控制器，TI為任何應(yīng)用提供跨越所有主要標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的無(wú)線連接解決方案。無(wú)論是從事工業(yè)、汽車(chē)還是物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)，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HD工業(yè)Wi-Fi模塊的完整參考設(shè)計(jì) 推薦產(chǎn)品：研華的工業(yè)級(jí)無(wú)線解決方案，其包括WLAN、移動(dòng)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(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備服務(wù)器。

　　射頻識(shí)別

　　工業(yè)識(shí)別可謂是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，其能夠?yàn)樯a(chǎn)、物流過(guò)程實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的信息。

　　從大型設(shè)備到零部件甚至小螺絲釘，通過(guò)標(biāo)簽和讀寫(xiě)器，RFID都能夠識(shí)別。據(jù)悉，RFID標(biāo)簽安裝在寶馬英國(guó)工廠每條引擎線上。

　　除了RFID，NFC也可在工業(yè)市場(chǎng)一展所長(zhǎng)。如果生產(chǎn)線上的機(jī)器都配備了NFC IC，工作人員可使用平板電腦來(lái)讀取NFC標(biāo)簽。無(wú)論何種情況，標(biāo)簽均均可向機(jī)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(wú)線重新配置。

　　推薦IC：不用多說(shuō)，射頻識(shí)別以及NFC解決方案當(dāng)然找恩智浦更靠譜。

　　推薦產(chǎn)品：西門(mén)子大容量RFID電子標(biāo)簽與可移動(dòng)手持讀寫(xiě)器。

　　遠(yuǎn)程無(wú)線通信

　　對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)線（如3G、4G）來(lái)說(shuō)，跨城市甚至跨國(guó)的通信都非難事。

　　案例：通用電氣（GE）與中國(guó)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(tái)與中國(guó)電信的電信基礎(chǔ)設(shè)施和增值服務(wù)對(duì)接，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體解決方案，推動(dòng)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(wú)論工業(yè)設(shè)備以何種方式進(jìn)行通信，都不能忽略一個(gè)重要環(huán)節(jié)，即工業(yè)網(wǎng)關(guān)這類(lèi)產(chǎn)品。其中，工業(yè)網(wǎng)關(guān)或工業(yè)路由器用于將信號(hào)定向到所需的端口，網(wǎng)關(guān)可以在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、無(wú)線與有線接口，或者以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換；工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可將多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)轉(zhuǎn)換器 （或橋）用于實(shí)現(xiàn)兩種不同通信技術(shù)之間的轉(zhuǎn)換，例如現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)或無(wú)線協(xié)議；現(xiàn)場(chǎng)總線到以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種在以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議之間進(jìn)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(jī)，其實(shí)全球首家基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)冗余環(huán)網(wǎng)的產(chǎn)品。

　　研華工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(yǔ)

　　對(duì)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?zhuān)ヂ?lián)是根本。當(dāng)然，安全性是工業(yè)通信以及整個(gè)工業(yè)4.0不能忽略的問(wèn)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(zhuān)題中重點(diǎn)關(guān)注。工業(yè)通信的價(jià)值不僅體現(xiàn)在技術(shù)上，還體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)上，例如思科這樣的IT企業(yè)也進(jìn)入到工業(yè)中，提供云服務(wù)等。人們對(duì)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(jìn)，助力工業(yè)4.0。