工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域最活躍的方向之一，也是支撐智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。隨著新一輪工業(yè)革命的到來(lái)，現(xiàn)已成為自動(dòng)化領(lǐng)域熱點(diǎn)，尤其自動(dòng)化工廠的建設(shè)，更是離不開(kāi)高效、快速的通訊網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在工業(yè)常用的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)有哪幾種，都有什么特點(diǎn)？這篇文章來(lái)揭曉。

Ethernet/IP

Ethernet/IP是一個(gè)面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議，在CI和ODVA公布EtherNet/IP規(guī)范一年之后，羅克韋爾自動(dòng)化發(fā)布了第一代基于EtherNet/IP的產(chǎn)品，主要集中在Allen-BradleyControlLogix、ProcessLogix、PLC-5、SLC-500系列控制器上?，F(xiàn)在，越來(lái)越多的廠商已經(jīng)或者正在計(jì)劃推出他們自己的EtherNet/IP產(chǎn)品。

EtherNet/IP協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議發(fā)送“顯性”報(bào)文，每個(gè)信息包中不僅包含有具體應(yīng)用程序數(shù)據(jù)，還包含有對(duì)這些數(shù)據(jù)的解釋，以及如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的信息。由于EtherNet/IP協(xié)議充分利用了TCP/IP和UDP/IP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，將其融合在同一網(wǎng)絡(luò)中，使得EtherNet/IP不僅能用于普通的信息處理，還能用于傳輸對(duì)時(shí)間有苛刻要求的控制信息。

PROFINET

PROFINET由西門子公司和Profibus用戶協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)，具有多制造商產(chǎn)品之間的通訊能力，自動(dòng)化和工程模式，并針對(duì)分布式智能自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。其應(yīng)用結(jié)果能夠大大節(jié)省配置和調(diào)試費(fèi)用。PROFINET系統(tǒng)集成了基于Profibus的系統(tǒng)，提供了對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)投資的保護(hù)。它也可以集成其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。

PROFINET是一種支持分布式自動(dòng)化的高級(jí)通訊系統(tǒng)。除了通訊功能外，PROFINET還包括了分布式自動(dòng)化概念的規(guī)范，這是基于制造商無(wú)關(guān)的對(duì)象和連接編輯器和XML設(shè)備描述語(yǔ)言，是唯一使用已有的IT標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有定義其專用工業(yè)應(yīng)用協(xié)議的總線。它的對(duì)象模式的是基于微軟公司組件對(duì)象模式(COM)技術(shù)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)上所有分布式對(duì)象之間的交互操作，均使用微軟公司的DCOM協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)TCP和UDP協(xié)議，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。

EtherCAT

EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的開(kāi)發(fā)構(gòu)架的實(shí)時(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議，2003年被引入市場(chǎng)，2007年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并于2014年成為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于設(shè)置了相同循環(huán)時(shí)間的其他總線系統(tǒng)，EtherCAT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常能減少25%-30%的CPU負(fù)載。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面沒(méi)有任何限制，最多65535個(gè)節(jié)點(diǎn)可以組成線型、總線型、樹(shù)型、星型或者任意組合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

利用分布時(shí)鐘的精確校準(zhǔn)EtherCAT提供了有效的同步解決方案，在EtherCAT中，數(shù)據(jù)交換完全基于純粹的硬件設(shè)備。由于通訊利用了邏輯環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和全雙工快速以太網(wǎng)而又有實(shí)際環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，“主站時(shí)鐘”可以簡(jiǎn)單而精確地確定對(duì)每個(gè)“從站時(shí)鐘”的運(yùn)行補(bǔ)償，反之亦然。分布時(shí)鐘基于該值進(jìn)行調(diào)整，這意味著它可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)提供信號(hào)抖動(dòng)小、精確的時(shí)鐘。

OPCUA

OPCUA是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域比較常用的的通信協(xié)議，是應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)連接的標(biāo)準(zhǔn)。目前，OPC基金會(huì)正在大力推動(dòng)新一代技術(shù)OPCUA的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，它有解決諸多工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的通信問(wèn)題的潛質(zhì)。

OPCUA具有諸多優(yōu)勢(shì)

1)具有訪問(wèn)統(tǒng)一性，有效地將現(xiàn)有的OPC規(guī)范(DA、A&E、HDA、命令、復(fù)雜數(shù)據(jù)和對(duì)象類型)集成進(jìn)來(lái)，成為現(xiàn)在的新的OPCUA規(guī)范。

2)OPCUA規(guī)范可以通過(guò)任何單一端口進(jìn)行通信。這讓穿越防火墻不再是OPC通信的路障，并且為提高傳輸性能，OPCUA消息的編碼格式可以是XML文本格式或二進(jìn)制格式，也可使用多種傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，比如：TCP和通過(guò)HTTP的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3)OPCUA的標(biāo)準(zhǔn)冗余模型也使得來(lái)自不同廠商的軟件應(yīng)用可以同時(shí)被采納并彼此兼容。

4)OPCUA訪問(wèn)規(guī)范明確提出了標(biāo)準(zhǔn)安全模型，每個(gè)OPCUA應(yīng)用都必須執(zhí)行OPCUA安全協(xié)議，這在提高互通性的同時(shí)降低了維護(hù)和額外配置費(fèi)用。

5)OPCUA軟件的開(kāi)發(fā)不再依靠和局限于任何特定的操作平臺(tái)。

Devicenet

Devicenet是90年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于CAN(ControllerAreaNetwork)技術(shù)的開(kāi)放型、符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)，最初由美國(guó)Rockwell公司開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

Devicenet的許多特性沿襲于CAN，CAN總線是一種設(shè)計(jì)良好的通信總線，它主要用于實(shí)時(shí)傳輸控制數(shù)據(jù)。DeviceNet的主要特點(diǎn)是：短幀傳輸，每幀的最大數(shù)據(jù)為8個(gè)字節(jié)；無(wú)破壞性的逐位仲裁技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)最多可連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)傳輸波特率為125kb/s、250kb/s、500kb/s；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多主或主/從通信方式；采用CAN的物理和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約。

HART

HART是由艾默生提出的一個(gè)過(guò)度性總線標(biāo)準(zhǔn)，主要特征是在4-20毫安電流信號(hào)上面疊加數(shù)字信號(hào)，但該協(xié)議并未真正開(kāi)放，要加入他的基金會(huì)才能拿到協(xié)議，而加入基金會(huì)要一定的費(fèi)用。HART技術(shù)主要被國(guó)外幾家大公司壟斷，近些年國(guó)內(nèi)也有公司在做，但還沒(méi)有達(dá)到國(guó)外公司的水平。

現(xiàn)在有很多智能儀表帶有[HART圓卡]，支持HART通訊功能。但從國(guó)內(nèi)情況來(lái)看，還沒(méi)有真正用到這部分功能來(lái)進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，最多只是利用手操器對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難等原因，HART儀表的應(yīng)用將呈下滑趨勢(shì)。

CC-Link

CC-Link即控制與通信鏈路系統(tǒng)，2005年7月CC-Link被中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。由三菱為主導(dǎo)的多家公司共同推出，是一種開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線，其數(shù)據(jù)容量大，通信速度多級(jí)可選擇，能夠適應(yīng)于較高的管理層網(wǎng)絡(luò)到較低的傳感器層網(wǎng)絡(luò)的不同范圍。

一般情況下，CC-Link整個(gè)一層網(wǎng)絡(luò)可由1個(gè)主站和64個(gè)從站組成。網(wǎng)絡(luò)中的主站由PLC擔(dān)當(dāng)，從站可以是遠(yuǎn)程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機(jī)界面、變頻器及各種測(cè)量?jī)x表、閥門等現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備。且可實(shí)現(xiàn)從CC-Link到AS-I總線的聯(lián)接。CC-Link具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速度，最高可達(dá)10Mb/s。CC-Link的底層通信協(xié)議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播-輪詢的方式進(jìn)行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設(shè)備站之間的瞬間通信。

POWERLINK

POWERLINK“最初是由其原創(chuàng)者貝加萊(B&R)作為私有技術(shù)開(kāi)發(fā)并在2001年推向市場(chǎng)。

之后，自動(dòng)化的專家們決定開(kāi)放此項(xiàng)技術(shù)，這個(gè)協(xié)議在2002年得到公開(kāi)發(fā)布，并成立了POWERLINK的標(biāo)準(zhǔn)化組織EPSG，在這個(gè)組織內(nèi)部，成員共享Know-how并且合作進(jìn)行技術(shù)的推廣，EPSG最重要的決定是完成對(duì)CANopen的集成，它同樣是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，使得它具備了實(shí)時(shí)協(xié)議。

這個(gè)版本的POWERLINK，也因此稱為“以太網(wǎng)上的CANopen”，之后被定義為POWERLINKV2.0版，就是我們今天所指的POWERLINK。

CANopen

德國(guó)Bosch公司于1983年研發(fā)CAN協(xié)議，用于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊。之后稱為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，目前CANopen由非營(yíng)利組織CiA(CANinAutomaion)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的起草及審核工作，基本的CANopen設(shè)備及通訊子協(xié)定定義在CANinAutomation(CiA)draftstandard301.中。針對(duì)個(gè)別設(shè)備的子協(xié)定以CiA301為基礎(chǔ)再進(jìn)行擴(kuò)充，如針對(duì)I/O模組的CiA401及針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的CiA402。

CANopen在歐洲已成為最普通的協(xié)議，任何一家自動(dòng)化公司都有CANopen的通訊接口，也成了低配。低配并不代表不好，只是說(shuō)明其性價(jià)比更高。CANopen定義了完整的同步控制機(jī)制，使其成為主流的運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議，除了在CAN總線上運(yùn)行外，還被搬到了以太網(wǎng)上(CANopenoverEthernet)，形成了著名的PowerLink，EtherCat工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

TSN

現(xiàn)有IT網(wǎng)絡(luò)由IEEE802標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同以太網(wǎng)層和功能的要求，并確保了設(shè)備之間的互操作性。今天，許多工業(yè)供應(yīng)商、IT廠商和芯片提供商加入IEEE802和最近剛成立的AVnu聯(lián)盟，共同更新標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，并為IIoT應(yīng)用的時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)制定了低延遲數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)稱為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time-SensitiveNetworking，簡(jiǎn)稱TSN)，旨在解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一些缺點(diǎn)。AVnu聯(lián)盟與Broadcom、Cisco、Intel和NI等成員公司合作，將通過(guò)認(rèn)證推動(dòng)可互操作生態(tài)系統(tǒng)的建立，這與Wi-Fi聯(lián)盟認(rèn)證產(chǎn)品和設(shè)備是否兼容IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)相似。

TSN的主要優(yōu)勢(shì)包括：帶寬目前工業(yè)控制常用的專用以太網(wǎng)協(xié)議僅限于100Mb的帶寬和半雙工通信。TSN將會(huì)納入各種標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)速率(包括目前正在使用的1Gb、10Gb和400Gb)并支持全工通信。

安全性——TSN對(duì)重要的控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了保護(hù)并集成了最重要的IT安全規(guī)定。分段、性能保護(hù)和時(shí)間可組合性為安全框架增加了多層保護(hù)。

互操作性——通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)組件，TSN可無(wú)縫集成現(xiàn)有棕色地帶應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)的IT網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高易用性。TSN提供的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)芯片集就可以利用批量生產(chǎn)的商業(yè)硅芯片，從而降低了組件的成本，相比使用產(chǎn)量較小且基于ASIC的芯片的專用以太網(wǎng)協(xié)議來(lái)說(shuō)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

延遲和同步——TSN重點(diǎn)考慮了快速系統(tǒng)響應(yīng)和閉環(huán)控制應(yīng)用所需的低延遲通信。它可實(shí)現(xiàn)大約數(shù)十微秒的的確定性傳輸時(shí)間以及數(shù)十納秒的節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步。