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工业通信:打开智能工厂大门的超级钥匙

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gaosmile 发布时间:2020-5-14 12:41
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1 C5 K: f" Q* I5 \新基建浪潮下,工业正在迎来美好通信时代。$ T3 U1 p3 {6 x  D, I* Q
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以5G、人工智能、工业互联网、物联网等为代表的新基建已成为当今的风口和未来的方向,其中又尤以工业互联网与工业4.0的建设首当其冲。工业互联网将与“新基建”其他领域融合发展,围绕网络、平台、安全层进行布局。而网络是实现工业互联网的基础,有望率先落地。

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工业正在迎来美好的通信时代。
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当今工业通信主流技术
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工业通信是工业4.0的核心,可简单地分为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
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。现场总线、工业以太网、工业无线技术是目前工业通信领域的三大主流技术。这三大技术将现场总线、以太网、嵌入式技术和无线通信技术融合到控制网络中,在保证系统稳定性的同时,又增强了系统的开放性和互操作性,从而有助于企业加快新品开发、降低生产成本、完善信息服务。
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现场总线


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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,于1984年正式提出。它不仅简化了系统的结构,还使整个控制系统的设计、安装、投运、检修维护都大大简化,给工业自动化带来一场深层次的革命,近十多年来在工业控制领域得到了迅速发展,并且在工业自动化系统中得到了广泛的应用。传统的现场总线协议有PROFIBUS、DeviceNet、CAN、InterBus和基金会现场总线等。很多公司也推出其各自的现场总线技术,彼此的开放性和互操作性难以统一。* [- n8 o1 [" w

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▲ ST为工业有线通信提供丰富解决方案

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目前世界上存在着大约四十余种现场总线,目前的工业总线网络可归为三类:485网络、HART网络、FieldBUS现场总线网络。

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485网络:RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式,特点是实施简单方便,支持RS485的仪表多。RS485的转换接口不仅便宜而且种类繁多。在低端市场上,RS485/MODBUS仍将是最主要的工业组网方式。
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HART网络:HART是由艾默生提出的一个过度性总线标准,主要特征是在4-20毫安电流信号上面叠加数字信号,但该协议并未真正开放,主要被国外几家大公司垄断。从长远来看,由于HART通信速率低、组网困难等原因,HART仪表的应用将呈下滑趋势。

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FieldBus现场总线网络:现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信的网络,支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化,使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进,形成新型的网络通信的全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。然而,到目前为止,现场总线还没有形成真正统一的标准,ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在。
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工业以太网

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现场总线标准大战正酣之时,以太网进入了控制领域,“工业以太网”诞生。以太网传输速率更快,近年来发展势头盖过了现场总线。但工业以太网也同样陷入了标准之争,如Ethernet/IP,Profinet,ModbusTCP,EtherCAT,Powerlink等,而且这些网络在不同层次上基于不同的技术和协议,其背后都有不同的厂商阵营在支持,形成了多种以太网技术并存的局面。

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▲ ST支持20多种工业通信协议

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EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,最初由德国倍福自动化有限公司研发。EtherCAT 为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准,同时,它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。它的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余和功能性安全协议(SIL3)。

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Ethernet/IP 是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准 UDP/IP 与 TCP/IP 协议之上,利用固定的以太网硬件和软件,为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。
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Profinet由 PROFIBUS 国际组织推出,是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新,它为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案,囊括了如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题,并且作为跨供应商的技术,可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如 PROFIBUS)技术,保护现有投资。

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MODBUS/TCP 是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的 MODBUS 系列通讯协议的派生产品。它覆盖了使用 TCP/IP 协议的 “Intranet”和“Internet”环境中 MODBUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如 PLC,I/O 模块,以及连接其它简单域总线或 I/O 模块的网关服务的。
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POWERLINK=CANopen+Ethernet:POWERLINK 融合了以太网的蓬勃发展和 CANopen这两项技术的优点和缺点,即拥有了 Ethernet 的高速、开放性接口,以及 CANopen 在工业领域良好的 SDO 和 PDO 数据定义,物理层、数据链路层使用了 Ethernet 介质,而应用层则保留了原有的 SDO 和 PDO 对象字典的结构。POWERLINK具有开放且独立的标准技术,对于任何一个以太网硬件产品都适用,支持任何拓扑类型,循环周期仅为 100 微秒,网络抖动小于 1 微秒,完全满足实时性和确定性的高标准要求。

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工业无线通信技术

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相比有线网络,无线网络具有移动性,没有通信线缆的限制,通信终端可以在通信区域内自由移动或随意布置;组网快速灵活,覆盖面积广,扩展能力强,可以组成多种拓扑结构,十分容易扩展节点。
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▲ 工业4.0应用场景中的无线连接

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工业物联网的无线通信技术主要分为两类:一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术;另一类是LPWAN(low-power Wide-Area Network),即低功耗广域网通信技术。LPWAN又分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、安全性等方面各有差别,因此拥有不同的适用场景。

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ZigBee,于2003年正式提出,是低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信标准,是专为低速率传感器和控制网络而设计的无线网络规范,具有低功耗、低成本,架构简单,时延短,网络容量大,可靠性和安全性高等优点。缺点是抗干扰性差,通信距离短,而且ZigBee协议没有开源。

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蓝牙技术,最早始于1994,由电信巨头爱立信公司研发,是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据。蓝牙不依赖于外部网络、速率快、低功耗,安全性高。缺点是不能直接连接云端,传输速度慢,组网能力弱,而且网络节点少,不适合多点布控。

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▲ ST为工业无线连接提供丰富解决方案

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LoRa,一种基于扩频技术的超远距离、低功耗无线传输方案,为用户提供了一种能实现远距离、长电池寿命、大容量的简单系统,进而扩展传感网络。目前主要在全球免费频段运行,最长距离可达15km,具体取决于所处的位置和天线特性。特点:低功耗,大容量,支持测距和定位,非常适于要求低功耗、远距离、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用,如能停车、车辆追踪、智慧工业、智慧城市、智慧社区等。缺点是传输速率慢,通信频段易受干扰。

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▲ ST LoRa解决方案

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NB-IoT(窄带物联网),聚焦于低功耗广覆盖物联网(IoT)市场。NB-IoT使用授权频段,可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式,与现有网络共存。优势主要有:低功耗,低成本,海量连接,广覆盖;但其低速数据传输、隐私和安全、IT系统的转换时间等问题,都将限制其发展。

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Sigfox,源自法国的Sigfox公司以超窄带技术建设的无线网络,既是一种无线技术,也是一种网络服务。工作在868MHz和902MHz的ISM频段,消耗很窄的带宽或功耗。由于是窄带宽和短消息,因此除了其162dB的链路预算外,还可以达到数公里的长传输距离。对于仅需发送较小的不频繁数据的突发应用,Sigfox是绝佳选择。缺点是数据发送回传感器/设备(下行链路能力)受到严重限制,信号干扰也可能成为问题。

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HaLow,是适合工业物联网应用的新版WiFi,代号是802.11ah,它使WiFi可以应用到更多地方,如小尺寸、电池供电的可穿戴设备,同时也适用于工业设施内的部署,以及介于两者之间的应用。
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射频识别技术

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RFID是实现智能制造的基础,能够为生产、物流过程实时提供准确的信息。从大型设备到零部件甚至小螺丝钉,通过标签和读写器,RFID都能够识别。据悉,RFID标签安装在宝马英国工厂每条引擎线上。
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▲ ST NFC/RFID 标签和读卡器解决方案

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除了RFID,NFC也可在工业市场一展所长。如果生产线上的机器都配备了NFC IC,工作人员可使用平板电脑来读取NFC标签,了解处理和状态信息,并可在流程的任意阶段支持无线重新配置。

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面向未来的工业通信规范
OPC UA+TSN
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现场总线虽然为工业控制系统带来了很多便利,但是不同的总线标准又造成了新的壁垒,使得各个现场总线在物理介质、电平、带宽、节点数、校验方式、传输机制等多个维度都是不同的,因此造成了同一总线标准设备可以互联,而不同总线设备则无法互联。' y9 F8 D- y- Q- h1 P# a
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为了改变这一状况, 21世纪时,实时以太网技术投入工业使用,当时贝加莱推出了工业领域的第一个实时以太网POWERLINK。与传统总线相比,实时以太网统一采用标准的IEEE802.3网络,在这个层面上,各厂家实现了统一。
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然而,实时以太网基于原有的三层网络架构(物理层、数据链路层、应用层),在应用层采用了诸如Profibus(现场总线标准,由西门子等多家厂商推动)、CANopen等协议,因此实时以太网只统一了物理层与数据链路层的问题,在应用层面Profibus、CANopen这些协议各厂家依然无法互通。
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工业4.0时代呼唤一种通用的语言,OPCUA诞生了。OPC基金会在2018年底宣布,它将积极推广其发布/订阅的信息系统(Publish-Subscribe),让工业设备通过说出相同的“协议”(一组用于交换数据的读写命令)来相互通信。OPC UA不是来取代现有的通讯协议,而是实现通讯进行统一对话的工具,一种为目前尚处于信息孤岛的设备之间建立附加通讯通道的工具。
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OPC UA解决了上层问题,对于底层数据,时间敏感网络TSN开始登场,它专门针对不同数据响应速度要求的特点,提供了一种网络弹性的保障机制。在现代工厂控制中,充满了大量结构化实时信息和非结构化信息(如音频、视频流)等各种不同类型的数据。在控制器之间进行通讯时,利用TSN的功能按信息传输的优先级加以协调,从而在复杂的现场情况下保障各种通讯的协调一致性。TSN并非全新的技术,其来源于AVB(Audio Video Bridging)音视频桥接,是为保障实现音频和视频数据提供时间同步的、低延迟的和保证带宽预留的流媒体功能。2017年,工业互联网联盟(IIC)和Avnu联盟宣布联手,共同推动TSN开放标准设备的部署。这也意味着TSN正在工业领域得到广泛认可。
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OPC UA和TSN两种技术的结合为在工业中单一通用的以太网解决方案铺平了道路。

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ST赋能工业4.0时代
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新基建指明产业方向,工业4.0蓬勃发展。工业通信是打开智能工厂大门的超级钥匙,是驱动工业互联网的基础。作为深耕工业领域多年的半导体技术专家,ST拥有深厚的工业行业的经验,为工业通信应用提供丰富和完整的解决方案,为中国的新基建和工业4.0时代赋能。

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在有线连接方面,ST通过各种高性能、带有大量外围设备的32位STM32微控制器,提供广泛的接口IC,支持各类有线连接标准,包括CAN,RS-232和RS-485,IO-Link现场总线等,以及包括UART,CAN,CAN-FD和带有或不带有外部收发器的以太网。

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▲ ST为工业有线通信提供基于STM32 MCU的丰富解决方案
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与此同时,基于STM32微控制器,ST还提供很多面向蓝牙、Sub-GHz、LoRa、NFC、RFID等无线协议的无线解决方案。这些解决方案可通过STM32进行固件安装、固件更新等,并配以完善的STM32软件生态环境,还可通过UART、CAN、以太网等与外围设备进行通信。
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▲ ST IO-Link 解决方案

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ST还通过提供IO-Link收发器、STM32微控制器以及保护器件等一系列解决方案,以帮助满足IEC 6100对静电放电(ESD)、抗突发和浪涌的要求,并提供一套硬件和软件评估工具,以帮助用户实施高效的IO-Link网关。
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收藏 评论3 发布时间:2020-5-14 12:41

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3个回答
李康1202 回答时间:2020-5-14 15:27:35
顶一下
11:493 回答时间:2020-5-14 17:29:57
好分享,学习了。
李康1202 回答时间:2020-5-15 08:56:43

- D0 ~% m; d& J5 m顶一下

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