探訪工業4.0之工業通信的技術拆解,會“說話”的工廠

　　導語

　　工業通信是工業4.0的核心，也是自動化系統的核心。可以把工業通信簡單地分為4個層面：自動化系統內部的橫向通信、與下層現場傳感和數據采集層及上層企業管理系統的縱向通信、基于開放標準和統一協議的通信網絡、移動技術和虛擬化。

　　會“說話”的工廠

　　以一個制造汽車的工廠為例，看看工業通信如何幫助工廠會“說話”。

　　（1）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，他們可以通過工業以太網交換機和電纜“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“對話”。（2）工廠中的移動設備，尤其旋轉設備不適合有線通信，而工業無線Wi-Fi能解決這一難題。總裝車間，吊具抓握車身到達指定位置后，軌道通過工業無線交換機“通知”吊具：現在可以下降，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”成為可能。（4）在北京工廠，一個機械手臂發出需要維護的信號。通過電信運營商的服務，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，工業有線通信、短距離無線通信、射頻識別、遠程無線通信是工業應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。

　　現場總線與工業以太網

　　工廠自動化控制器、工業驅動器、電網管理、醫療保健設施和交通運輸系統等領域都要求可靠、實時、無差錯的網絡連接。這些應用既可以使用傳統的現場總線協議，也可以使用新推出的工業以太網協議。

　　現場總線

　　現場總線是一種工業數據總線，是自動化領域中底層數據通信網絡。2003年4月，IEC61158 Ed.3現場總線標準第3版正式成為國際標準，規定10種類型的現場總線。傳統的現場總線協議有PROFIBUS、DeviceNet、CAN、 InterBus和基金會現場總線等。

　　在工業應用中，維護用的低速現場總線常使用RS-485；過程處理一般用快速現場總線，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。

　　工業以太網

　　管理執行系統與廠房設備的垂直集成實現了以太網 TCP/IP 協議與工業現場總線的融合。出現了多種工業以太網協議，包括PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP/IP、EtherCAT、Powerlink和SERCOS III等。

　　IMS和ARC的調研表明大約四分之三的工業以太網使用Ethernet/IP、PROFINET或Modbus/TCP；其次為Powerlink和 EtherCAT，這兩個系統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域扮演著非常重要的角色。每種協議分別對應于各種特定的需求，因此對硬件平臺的要求也會相應地有所不同。

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

　　在運動控制應用中，高同步性和短延遲時間至關重要。Profinet IRT 或 Ethercat 等協議可以滿足上述要求，且適用于具有亞毫秒 PLC 時間的系統。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）相結合來處理兩個工業協議。（點擊觀看培訓視頻http://training.eeworld.com.cn/TI/show/course/580）

　　瑞薩電子R-IN32M3工業以太網通信芯片，其支持支持多種通信協議，在硬件中實現實時操作系統（real-time OS）基本函數的高速運算，實現高速實時響應和高精度通信控制。

　　集成片上EtherCAT節點的英飛凌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系列將加快聯網工業自動化的發展。

　　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數據，實現更快速、智能的通信。

　　短距離無線通信

　　無線通信在工業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備或難以接近的設備。Wi-Fi、藍牙、ZigBee不單是在智能家居這類物聯網應用中互相博弈，在工業互聯網中也是如此。

　　PLC和DCS IO模塊等工業控制設備主要使用IEEE802.11 WLAN和藍牙標準。

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

　　推薦IC：

　　TI SimpleLink無線微控制器，TI為任何應用提供跨越所有主要標準和技術的無線連接解決方案。無論是從事工業、汽車還是物聯網的設計，TI都能提供相應的低功耗解決方案。（ 基于Atmel 32位AVR微控制器和HD工業Wi-Fi模塊的完整參考設計 推薦產品：研華的工業級無線解決方案，其包括WLAN、移動蜂窩網絡、提供IEEE 802.11a/n b/g/n AP，串口至WLAN，串口至移動蜂窩網絡設備服務器。

　　射頻識別

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

　　從大型設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也可在工業市場一展所長。如果生產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）與中國電信戰略合作。

　　通用電氣工業互聯網大數據軟件平臺與中國電信的電信基礎設施和增值服務對接，形成工業互聯網整體解決方案，推動工業互聯網在航空、醫療、能源、工業制造和其他相關行業的應用。

　　工業通信的“關口”

　　無論工業設備以何種方式進行通信，都不能忽略一個重要環節，即工業網關這類產品。其中，工業網關或工業路由器用于將信號定向到所需的端口，網關可以在標準以太網與工業以太網協議、無線與有線接口，或者以太網與現場總線通信協議之間實現轉換；工業以太網交換機可將多個節點連接到一個以太網網絡；工業轉換器 （或橋）用于實現兩種不同通信技術之間的轉換，例如現場總線、工業以太網或無線協議；現場總線到以太網網關是一種在以太網和現場總線通信協議之間進行連接和轉換的設備。

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

　　推薦產品：

　　研祥冗余網管型工業以太網交換機，其實全球首家基于國際標準協議實現冗余環網的產品。

　　研華工業以太網交換機和光電轉換器，從快速以太網到千兆以太網，從雙絞線到光纖及PoE產品。

　　結語

　　對于工業4.0的具體通信方案，不同企業有著不同的詮釋，而互聯是根本。當然，安全性是工業通信以及整個工業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注。工業通信的價值不僅體現在技術上，還體現在經濟和生態系統上，例如思科這樣的IT企業也進入到工業中，提供云服務等。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，將使得工業通信的各種協議及相關產品繼續演進，助力工業4.0。