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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新基建浪潮下，工业正在迎来美好通信时代。

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。

工业正在迎来美好的通信时代。

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。

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，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。

▲ ST为工业有线通信提供丰富解决方案

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。

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。

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。

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。

工业以太网

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。

▲ ST支持20多种工业通信协议

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)。

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。

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。

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。

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。

工业无线通信技术

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。

▲ 工业4.0应用场景中的无线连接

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。

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。

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。

▲ ST为工业无线连接提供丰富解决方案

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。

▲ ST LoRa解决方案

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。

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。

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。

射频识别技术

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。

▲ ST NFC/RFID 标签和读卡器解决方案

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。

面向未来的工业通信规范

OPC UA+TSN

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ST赋能工业4.0时代

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。

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。