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，IEEE8