工业 4.0 的通信协议

2021-07-16

工业 4.0 的通信协议

IIoT 是所谓的智能工厂的基础，即第四次工业革命的新型先进制造单元。智能传感器、超快速连接、人工智能算法是这种工业电子新视角的支柱。通信协议是允许在智能设备之间或设备与服务器（有时是云服务）之间交换信息的主要因素。以下是最常用协议的概述和分析，可帮助您了解何时采用一种协议而不是另一种协议。

通信协议是计算机网络的基础，计算机网络是具有处理能力并能够通过物理通信手段（有线系统或无线系统）远程交换数据和信息的设备组。

ISO 标准国际组织采用了 OSI（开放系统互连）模型，现在称为 ISO/OSI 模型，它定义了构成网络堆栈的层。

ISO/OSI 模型

该模型旨在允许通过数据包交换在计算机网络的两个节点之间进行数据交换。ISO/OSI 模型的架构是由 7 个逻辑层组成的堆栈，其中每一层都处理解决特定的通信问题；通过这种方式，每一层的任务都得到了很好的定义，一层的数据包构成了更高层的信息有效载荷，它会添加一个元数据头来执行其功能。

ISO/OSI模型的层次，从低到高依次是：

1 – 物理电平：定义了通信的物理方式、电压电平和传输信号的波形。

2 – 数据链路层：允许发送同步数据流，检查（并可能解决）错误，以便为下一层提供可靠的传输通道。

3 – 网络层：允许使用数据通道而不考虑使用的传输介质，并负责寻址和路由功能。

4 – 传输层：允许透明和可靠的数据传输，它建立和维护连接。

5 – 会话级：它维护应用程序之间的连接。

6 – 表示层：它处理应用程序之间通信的标准化，并提供诸如加密或数据压缩之类的服务。

7 – 应用程序级：它允许将用户应用程序与网络流连接起来。

图 1：ISO/OSI 模型层

现场总线

工业界长期以来一直使用所谓的现场总线或有线通信线路。它们专为工业网络中的传感器、执行器和智能系统之间的数据交换而设计。

2020 年，HMS Industrial Networks 估计使用此类通信的设备将增加 30%。

最著名和最常用的现场总线之一是 PROFIBUS（过程现场总线），它创建于 80 年代后期。西门子是参与开发这项技术的公司之一，后来在 IEC 61158 中公开并标准化。 PROFIBUS 是一种单主多从现场总线，其规范包括物理、数据链路的实现和应用层。物理层可以是标准的 RS485 总线（阻抗适配 150 欧，波特率 9.6 kbps 到 12 Mbps，距离可达 1200 m）、曼彻斯特总线或光纤（在这种情况下连接距离可达到 15 公里），而数据链路层需要使用主从令牌环协议。

在同一时期，博世设计并实现了 CANBUS（控制器局域网总线），这是一种基于消息交换的强大协议。CANBUS 旨在用于汽车领域，该领域需要减少布线并获得不受电气干扰的通信。物理线路是差分总线，并发访问由地址优先机制保证（所有节点在发送的同时监听信道：如果它们注意到更高的信道上有优先级消息，它们会立即中断传输，释放通道）。CANBUS 指定了物理层 (ISO 11898)、传输层和应用层（其中详细介绍了过滤和消息处理）。

MODBUS 是另一种较旧的（并且在某些方面受到限制）现场总线，一种多从单主机协议，于 70 年代后期创建，用于使用 PLC 的工业应用。在MODBUS规范中，物理输出是一个线圈（指继电器的线圈），而输入是一个分立元件或触点；随着时间的推移，增加了虚拟输入和输出（寄存器），但由于其实施简单，MODBUS 仍然是工业界使用最广泛的总线之一。当我们谈论 MODBUS 时，我们谈论的是一种已移植到多种物理总线的协议，并且具有多种实现方式。最常见的是MODBUS RTU，它依赖于RS485总线，波特率从4800 bps到115200 bps不等，可以通过带有串行通信线的简单微控制器来实现。

图 2：Modbus RTU 示例

工业以太网

工业以太网 (IE) 是在工业环境中使用以太网协议。使用该技术的设备通过添加适合过程和工业环境的功能来实现以太网层，例如适合温度和机械需求的组件以及低延迟（实时）协议。工业以太网的使用正在迅速增长，并继续从现场总线中抢夺市场份额。

PROFINET（过程现场网络）是 2002 年由 IEC 61158 标准化的技术，是基于以太网的 PROFIBUS 实现。该系统由一个 IO 控制器（负责自动化）、IO 设备（执行器设备和传感器）和可选的 IO 管理器（系统管理软件）组成。

图 3：工业以太网连接器

Ethernet/IP（工业协议）是另一个基于工业以太网的竞争者，它使通用工业协议（CIP）适应以太网协议。Ethernet/IP 实现了 ISO/OSI 模型的第 5、6 和 7 级，并使用 CIP 对象模型实现自动化流程、不同设备之间的互操作性和实时数据处理。此外，以太网/IP 智能地使用 TCP/IP（有连接的协议）和 UDP（无连接的协议）来优化驱动和传感的资源和时间。

与 MODBUS RTU 类似，MODBUS TCP（2007 年在 IEC 61158 中标准化）用于与现场设备通信，但使用工业以太网。该技术解决了与其前身对 RS485 的限制相关的许多问题，例如通信速度、网络上从节点的最大数量或报告协议异常的能力。尽管有这些改进，MODBUS TCP 仍然保持其前身的简单性，这使其成为业界使用最广泛的通信协议之一。

无线通讯

近年来，结构化无线通信已经出现在工业界。这种类型的技术有很多：经典的 ZigBee（长期用于传感器网络应用）、LoRa 和 LoRaWAN（物理层和上层）、蓝牙和 BLE（具有网状网络的可能性）、6LowPan、DUST、NB- IoT、Thread 只是几个例子。

所有这些技术都可以主要用于工业物联网智能设备之间的连接，或者网关与现场设备之间的连接。至于广域通信，也可以使用LTE或新的5G等无线技术。