探訪工業(yè)4.0之工業(yè)通信的技術(shù)拆解,會(huì)“說(shuō)話”的工廠
導(dǎo)語(yǔ)
工業(yè)通信是工業(yè)4.0的核心,也是自動(dòng)化系統(tǒng)的核心??梢园压I(yè)通信簡(jiǎn)單地分為4個(gè)層面:自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部的橫向通信、與下層現(xiàn)場(chǎng)傳感和數(shù)據(jù)采集層及上層企業(yè)管理系統(tǒng)的縱向通信、基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)技術(shù)和虛擬化。
會(huì)“說(shuō)話”的工廠
以一個(gè)制造汽車的工廠為例,看看工業(yè)通信如何幫助工廠會(huì)“說(shuō)話”。
?。?)在焊裝車間,機(jī)械臂為車身焊接頂蓋。當(dāng)兩個(gè)機(jī)械臂固定好頂蓋后,他們可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和電纜“告訴”同伴:可以開(kāi)始激光焊接了。此外,安裝玻璃、車座以及車門也可用這種方法實(shí)現(xiàn)“對(duì)話”。(2)工廠中的移動(dòng)設(shè)備,尤其旋轉(zhuǎn)設(shè)備不適合有線通信,而工業(yè)無(wú)線Wi-Fi能解決這一難題??傃b車間,吊具抓握車身到達(dá)指定位置后,軌道通過(guò)工業(yè)無(wú)線交換機(jī)“通知”吊具:現(xiàn)在可以下降,與底盤相連了。(3)通過(guò)標(biāo)簽和讀寫器,RFID使機(jī)械臂能識(shí)別不同型號(hào)的車身,為其安裝不同的車門,使“混線生產(chǎn)”成為可能。(4)在北京工廠,一個(gè)機(jī)械手臂發(fā)出需要維護(hù)的信號(hào)。通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商的服務(wù),在上海家中的工程師收到通知。通過(guò)電腦連入控制器,啟動(dòng)光學(xué)旁路繼電器,“屏蔽”需要維護(hù)的機(jī)械臂,使其他機(jī)械臂的通信不受影響。
由以上案例可以看出,工業(yè)有線通信、短距離無(wú)線通信、射頻識(shí)別、遠(yuǎn)程無(wú)線通信是工業(yè)應(yīng)用往往會(huì)同時(shí)采用的通信手段,而這幾種通信方式又有很多不同的標(biāo)準(zhǔn),其中的復(fù)雜性可見(jiàn)一斑。
現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)
工廠自動(dòng)化控制器、工業(yè)驅(qū)動(dòng)器、電網(wǎng)管理、醫(yī)療保健設(shè)施和交通運(yùn)輸系統(tǒng)等領(lǐng)域都要求可靠、實(shí)時(shí)、無(wú)差錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)連接。這些應(yīng)用既可以使用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議,也可以使用新推出的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
現(xiàn)場(chǎng)總線
現(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線,是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。2003年4月,IEC61158 Ed.3現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)第3版正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定10種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議有PROFIBUS、DeviceNet、CAN、 InterBus和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線等。
在工業(yè)應(yīng)用中,維護(hù)用的低速現(xiàn)場(chǎng)總線常使用RS-485;過(guò)程處理一般用快速現(xiàn)場(chǎng)總線,如CAN。CAN總線很簡(jiǎn)單、可靠性高,可以做很多事情;PROFIBUS速率高,但復(fù)雜性也高,占用很多CPU資源。
工業(yè)以太網(wǎng)
管理執(zhí)行系統(tǒng)與廠房設(shè)備的垂直集成實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng) TCP/IP 協(xié)議與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的融合。出現(xiàn)了多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,包括PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP/IP、EtherCAT、Powerlink和SERCOS III等。
IMS和ARC的調(diào)研表明大約四分之三的工業(yè)以太網(wǎng)使用Ethernet/IP、PROFINET或Modbus/TCP;其次為Powerlink和 EtherCAT,這兩個(gè)系統(tǒng)特別適合硬實(shí)時(shí)性要求;對(duì)于SERCOSIII,盡管它的市場(chǎng)份額比較小,但是,它在高速運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。每種協(xié)議分別對(duì)應(yīng)于各種特定的需求,因此對(duì)硬件平臺(tái)的要求也會(huì)相應(yīng)地有所不同。
大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)并不要求PLC周期時(shí)間必須少于若干毫秒。對(duì)于這些應(yīng)用,工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可在集成了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC外設(shè)的微控制器的軟件中低成本高效率地實(shí)施。由于這些應(yīng)用所需的閃存大小適中,因此Modbus TCP等協(xié)議可以在微控制器中實(shí)施。
在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中,高同步性和短延遲時(shí)間至關(guān)重要。Profinet IRT 或 Ethercat 等協(xié)議可以滿足上述要求,且適用于具有亞毫秒 PLC 時(shí)間的系統(tǒng)。在這種情況下,必須使用特定的ASSP或FPGA解決方案。
推薦IC:
德州儀器Sitara AM437x ARM處理器,有史以來(lái)首次能與四核可編程實(shí)時(shí)單元(PRU)相結(jié)合來(lái)處理兩個(gè)工業(yè)協(xié)議。(點(diǎn)擊觀看培訓(xùn)視頻http://training.eeworld.com.cn/TI/show/course/580)
瑞薩電子R-IN32M3工業(yè)以太網(wǎng)通信芯片,其支持支持多種通信協(xié)議,在硬件中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real-TIme OS)基本函數(shù)的高速運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)響應(yīng)和高精度通信控制。
集成片上EtherCAT節(jié)點(diǎn)的英飛凌XMC4800系列微控制器,用戶不再需要專門的EtherCAT ASIC、外部存儲(chǔ)器和時(shí)鐘晶體。具備出色實(shí)時(shí)能力的XMC4800系列將加快聯(lián)網(wǎng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。
推薦模塊:
西門子VD模塊,能幫助工廠在PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)電纜上傳輸PROFINET數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)更快速、智能的通信。
短距離無(wú)線通信
無(wú)線通信在工業(yè)自動(dòng)化中越來(lái)越流行,可讓用戶更輕松地安裝和連接移動(dòng)設(shè)備或難以接近的設(shè)備。Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee不單是在智能家居這類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中互相博弈,在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中也是如此。
PLC和DCS IO模塊等工業(yè)控制設(shè)備主要使用IEEE802.11 WLAN和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。
工業(yè)傳感器或制動(dòng)器對(duì)功耗要求高、占據(jù)空間大且實(shí)施成本高,IEEE802.15.4 技術(shù)(例如ZigBee 或 Wireless-HART)最適合這些產(chǎn)品。
推薦IC:
TI SimpleLink無(wú)線微控制器,TI為任何應(yīng)用提供跨越所有主要標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的無(wú)線連接解決方案。無(wú)論是從事工業(yè)、汽車還是物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì),TI都能提供相應(yīng)的低功耗解決方案。( 基于Atmel 32位AVR微控制器和H&D工業(yè)Wi-Fi模塊的完整參考設(shè)計(jì) 推薦產(chǎn)品:研華的工業(yè)級(jí)無(wú)線解決方案,其包括WLAN、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、提供IEEE 802.11a/n & b/g/n AP,串口至WLAN,串口至移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備服務(wù)器。
射頻識(shí)別
工業(yè)識(shí)別可謂是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ),其能夠?yàn)樯a(chǎn)、物流過(guò)程實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的信息。
從大型設(shè)備到零部件甚至小螺絲釘,通過(guò)標(biāo)簽和讀寫器,RFID都能夠識(shí)別。據(jù)悉,RFID標(biāo)簽安裝在寶馬英國(guó)工廠每條引擎線上。
除了RFID,NFC也可在工業(yè)市場(chǎng)一展所長(zhǎng)。如果生產(chǎn)線上的機(jī)器都配備了NFC IC,工作人員可使用平板電腦來(lái)讀取NFC標(biāo)簽。無(wú)論何種情況,標(biāo)簽均均可向機(jī)器和工作人員提供處理和狀態(tài)信息,并可在流程的任意階段支持無(wú)線重新配置。
推薦IC:不用多說(shuō),射頻識(shí)別以及NFC解決方案當(dāng)然找恩智浦更靠譜。
推薦產(chǎn)品:西門子大容量RFID電子標(biāo)簽與可移動(dòng)手持讀寫器。
遠(yuǎn)程無(wú)線通信
對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)線(如3G、4G)來(lái)說(shuō),跨城市甚至跨國(guó)的通信都非難事。
案例:通用電氣(GE)與中國(guó)電信戰(zhàn)略合作。
通用電氣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)軟件平臺(tái)與中國(guó)電信的電信基礎(chǔ)設(shè)施和增值服務(wù)對(duì)接,形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體解決方案,推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在航空、醫(yī)療、能源、工業(yè)制造和其他相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用。
工業(yè)通信的“關(guān)口”
無(wú)論工業(yè)設(shè)備以何種方式進(jìn)行通信,都不能忽略一個(gè)重要環(huán)節(jié),即工業(yè)網(wǎng)關(guān)這類產(chǎn)品。其中,工業(yè)網(wǎng)關(guān)或工業(yè)路由器用于將信號(hào)定向到所需的端口,網(wǎng)關(guān)可以在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、無(wú)線與有線接口,或者以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換;工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可將多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò);工業(yè)轉(zhuǎn)換器 (或橋)用于實(shí)現(xiàn)兩種不同通信技術(shù)之間的轉(zhuǎn)換,例如現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)或無(wú)線協(xié)議;現(xiàn)場(chǎng)總線到以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種在以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議之間進(jìn)行連接和轉(zhuǎn)換的設(shè)備。
推薦IC:飛思卡爾LS1021A/QorIQ P2020/10單核和雙核通信處理器。
推薦產(chǎn)品:
研祥冗余網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),其實(shí)全球首家基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)冗余環(huán)網(wǎng)的產(chǎn)品。
研華工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器,從快速以太網(wǎng)到千兆以太網(wǎng),從雙絞線到光纖及PoE產(chǎn)品。
結(jié)語(yǔ)
對(duì)于工業(yè)4.0的具體通信方案,不同企業(yè)有著不同的詮釋,而互聯(lián)是根本。當(dāng)然,安全性是工業(yè)通信以及整個(gè)工業(yè)4.0不能忽略的問(wèn)題,其包含了功能安全與信息安全兩方面,我們也將在今后的專題中重點(diǎn)關(guān)注。工業(yè)通信的價(jià)值不僅體現(xiàn)在技術(shù)上,還體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)上,例如思科這樣的IT企業(yè)也進(jìn)入到工業(yè)中,提供云服務(wù)等。人們對(duì)可靠性、速率、安全性、成本、易用性等多種特性的不斷追求,將使得工業(yè)通信的各種協(xié)議及相關(guān)產(chǎn)品繼續(xù)演進(jìn),助力工業(yè)4.0。