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工業(yè) 4.0 的通信協(xié)議
工業(yè) 4.0 的通信協(xié)議
IIoT 是所謂的智能工廠的基礎(chǔ)，即第四次工業(yè)革命的新型先進制造單元。智能傳感器、超快速連接、人工智能算法是這種工業(yè)電子新視角的支柱。通信協(xié)議是允許在智能設(shè)備之間或設(shè)備與服務(wù)器（有時是云服務(wù)）之間交換信息的主要因素。以下是最常用協(xié)議的概述和分析，可幫助您了解何時采用一種協(xié)議而不是另一種協(xié)議。
通信協(xié)議是計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，計算機網(wǎng)絡(luò)是具有處理能力并能夠通過物理通信手段（有線系統(tǒng)或無線系統(tǒng)）遠程交換數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備組。
ISO 標準國際組織采用了 OSI（開放系統(tǒng)互連）模型，現(xiàn)在稱為 ISO/OSI 模型，它定義了構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)堆棧的層。
ISO/OSI 模型
該模型旨在允許通過數(shù)據(jù)包交換在計算機網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)交換。ISO/OSI 模型的架構(gòu)是由 7 個邏輯層組成的堆棧，其中每一層都處理解決特定的通信問題；通過這種方式，每一層的任務(wù)都得到了很好的定義，一層的數(shù)據(jù)包構(gòu)成了更高層的信息有效載荷，它會添加一個元數(shù)據(jù)頭來執(zhí)行其功能。
ISO/OSI模型的層次，從低到高依次是：
1 – 物理電平：定義了通信的物理方式、電壓電平和傳輸信號的波形。
2 – 數(shù)據(jù)鏈路層：允許發(fā)送同步數(shù)據(jù)流，檢查（并可能解決）錯誤，以便為下一層提供可靠的傳輸通道。
3 – 網(wǎng)絡(luò)層：允許使用數(shù)據(jù)通道而不考慮使用的傳輸介質(zhì)，并負責尋址和路由功能。
4 – 傳輸層：允許透明和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它建立和維護連接。
5 – 會話級：它維護應(yīng)用程序之間的連接。
6 – 表示層：它處理應(yīng)用程序之間通信的標準化，并提供諸如加密或數(shù)據(jù)壓縮之類的服務(wù)。
7 – 應(yīng)用程序級：它允許將用戶應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)流連接起來。
圖 1：ISO/OSI 模型層
現(xiàn)場總線
工業(yè)界長期以來一直使用所謂的現(xiàn)場總線或有線通信線路。它們專為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、執(zhí)行器和智能系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換而設(shè)計。
2020 年，HMS Industrial Networks 估計使用此類通信的設(shè)備將增加 30%。
最著名和最常用的現(xiàn)場總線之一是 PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線），它創(chuàng)建于 80 年代后期。西門子是參與開發(fā)這項技術(shù)的公司之一，后來在 IEC 61158 中公開并標準化。 PROFIBUS 是一種單主多從現(xiàn)場總線，其規(guī)范包括物理、數(shù)據(jù)鏈路的實現(xiàn)和應(yīng)用層。物理層可以是標準的 RS485 總線（阻抗適配 150 歐，波特率 9.6 kbps 到 12 Mbps，距離可達 1200 m）、曼徹斯特總線或光纖（在這種情況下連接距離可達到 15 公里），而數(shù)據(jù)鏈路層需要使用主從令牌環(huán)協(xié)議。
在同一時期，博世設(shè)計并實現(xiàn)了 CANBUS（控制器局域網(wǎng)總線），這是一種基于消息交換的強大協(xié)議。CANBUS 旨在用于汽車領(lǐng)域，該領(lǐng)域需要減少布線并獲得不受電氣干擾的通信。物理線路是差分總線，并發(fā)訪問由地址優(yōu)先機制保證（所有節(jié)點在發(fā)送的同時監(jiān)聽信道：如果它們注意到更高的信道上有優(yōu)先級消息，它們會立即中斷傳輸，釋放通道）。CANBUS 指定了物理層 (ISO 11898)、傳輸層和應(yīng)用層（其中詳細介紹了過濾和消息處理）。
MODBUS 是另一種較舊的（并且在某些方面受到限制）現(xiàn)場總線，一種多從單主機協(xié)議，于 70 年代后期創(chuàng)建，用于使用 PLC 的工業(yè)應(yīng)用。在MODBUS規(guī)范中，物理輸出是一個線圈（指繼電器的線圈），而輸入是一個分立元件或觸點；隨著時間的推移，增加了虛擬輸入和輸出（寄存器），但由于其實施簡單，MODBUS 仍然是工業(yè)界使用最廣泛的總線之一。當我們談?wù)?span> MODBUS 時，我們談?wù)摰氖且环N已移植到多種物理總線的協(xié)議，并且具有多種實現(xiàn)方式。最常見的是MODBUS RTU，它依賴于RS485總線，波特率從4800 bps到115200 bps不等，可以通過帶有串行通信線的簡單微控制器來實現(xiàn)。
圖 2：Modbus RTU 示例
工業(yè)以太網(wǎng)
工業(yè)以太網(wǎng) (IE) 是在工業(yè)環(huán)境中使用以太網(wǎng)協(xié)議。使用該技術(shù)的設(shè)備通過添加適合過程和工業(yè)環(huán)境的功能來實現(xiàn)以太網(wǎng)層，例如適合溫度和機械需求的組件以及低延遲（實時）協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)的使用正在迅速增長，并繼續(xù)從現(xiàn)場總線中搶奪市場份額。
PROFINET（過程現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)）是 2002 年由 IEC 61158 標準化的技術(shù)，是基于以太網(wǎng)的 PROFIBUS 實現(xiàn)。該系統(tǒng)由一個 IO 控制器（負責自動化）、IO 設(shè)備（執(zhí)行器設(shè)備和傳感器）和可選的 IO 管理器（系統(tǒng)管理軟件）組成。
圖 3：工業(yè)以太網(wǎng)連接器
Ethernet/IP（工業(yè)協(xié)議）是另一個基于工業(yè)以太網(wǎng)的競爭者，它使通用工業(yè)協(xié)議（CIP）適應(yīng)以太網(wǎng)協(xié)議。Ethernet/IP 實現(xiàn)了 ISO/OSI 模型的第 5、6 和 7 級，并使用 CIP 對象模型實現(xiàn)自動化流程、不同設(shè)備之間的互操作性和實時數(shù)據(jù)處理。此外，以太網(wǎng)/IP 智能地使用 TCP/IP（有連接的協(xié)議）和 UDP（無連接的協(xié)議）來優(yōu)化驅(qū)動和傳感的資源和時間。
與 MODBUS RTU 類似，MODBUS TCP（2007 年在 IEC 61158 中標準化）用于與現(xiàn)場設(shè)備通信，但使用工業(yè)以太網(wǎng)。該技術(shù)解決了與其前身對 RS485 的限制相關(guān)的許多問題，例如通信速度、網(wǎng)絡(luò)上從節(jié)點的最大數(shù)量或報告協(xié)議異常的能力。盡管有這些改進，MODBUS TCP 仍然保持其前身的簡單性，這使其成為業(yè)界使用最廣泛的通信協(xié)議之一。
無線通訊
近年來，結(jié)構(gòu)化無線通信已經(jīng)出現(xiàn)在工業(yè)界。這種類型的技術(shù)有很多：經(jīng)典的 ZigBee（長期用于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）、LoRa 和 LoRaWAN（物理層和上層）、藍牙和 BLE（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的可能性）、6LowPan、DUST、NB- IoT、Thread 只是幾個例子。
所有這些技術(shù)都可以主要用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備之間的連接，或者網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接。至于廣域通信，也可以使用LTE或新的5G等無線技術(shù)。