以5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新基建已成為當(dāng)今的風(fēng)口和未來(lái)的方向，其中又尤以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0的建設(shè)首當(dāng)其沖。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將與“新基建”其他領(lǐng)域融合發(fā)展，圍繞網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全層進(jìn)行布局。而網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，有望率先落地。

工業(yè)正在迎來(lái)美好的通信時(shí)代。

當(dāng)今工業(yè)通信主流技術(shù)

工業(yè)通信是工業(yè)4.0的核心，可簡(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。

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)。現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線技術(shù)是目前工業(yè)通信領(lǐng)域的三大主流技術(shù)。這三大技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、嵌入式技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)融合到控制網(wǎng)絡(luò)中，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的開(kāi)放性和互操作性，從而有助于企業(yè)加快新品開(kāi)發(fā)、降低生產(chǎn)成本、完善信息服務(wù)。

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)，于1984年正式提出。它不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還使整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)、檢修維護(hù)都大大簡(jiǎn)化，給工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)一場(chǎng)深層次的革命，近十多年來(lái)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展，并且在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。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。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，彼此的開(kāi)放性和互操作性難以統(tǒng)一。

?目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場(chǎng)總線，目前的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)可歸為三類：485網(wǎng)絡(luò)、HART網(wǎng)絡(luò)、FieldBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。

485網(wǎng)絡(luò)：RS485/MODBUS是現(xiàn)在流行的一種工業(yè)組網(wǎng)方式，特點(diǎn)是實(shí)施簡(jiǎn)單方便，支持RS485的儀表多。RS485的轉(zhuǎn)換接口不僅便宜而且種類繁多。在低端市場(chǎng)上，RS485/MODBUS仍將是最主要的工業(yè)組網(wǎng)方式。

HART網(wǎng)絡(luò)：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，主要被國(guó)外幾家大公司壟斷。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)。

FieldBus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場(chǎng)總線是連接控制現(xiàn)場(chǎng)的儀表與控制室內(nèi)的控制裝置的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò)，支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字化通信。它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，使自控系統(tǒng)朝著“智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化”的方向進(jìn)一步邁進(jìn)，形成新型的網(wǎng)絡(luò)通信的全分布式控制系統(tǒng)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)。然而，到目前為止，現(xiàn)場(chǎng)總線還沒(méi)有形成真正統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多種標(biāo)準(zhǔn)并行存在。

工業(yè)以太網(wǎng)

現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)正酣之時(shí)，以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域，“工業(yè)以太網(wǎng)”誕生。以太網(wǎng)傳輸速率更快，近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭蓋過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)總線。但工業(yè)以太網(wǎng)也同樣陷入了標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)，如Ethernet/IP，Profinet，ModbusTCP，EtherCAT，Powerlink等，而且這些網(wǎng)絡(luò)在不同層次上基于不同的技術(shù)和協(xié)議，其背后都有不同的廠商陣營(yíng)在支持，形成了多種以太網(wǎng)技術(shù)并存的局面。

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開(kāi)放架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，最初由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)。EtherCAT 為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹(shù)立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，它還符合甚至降低了現(xiàn)場(chǎng)總線的使用成本。它的特點(diǎn)還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余和功能性安全協(xié)議(SIL3)。

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。它建立在標(biāo)準(zhǔn) UDP/IP 與 TCP/IP 協(xié)議之上，利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件，為配置、訪問(wèn)和控制工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備定義了一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議。

Profinet由 PROFIBUS 國(guó)際組織推出，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)。作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，它為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，并且作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線（如 PROFIBUS）技術(shù)，保護(hù)現(xiàn)有投資。

MODBUS/TCP 是簡(jiǎn)單的、中立廠商的用于管理和控制自動(dòng)化設(shè)備的 MODBUS 系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品。它覆蓋了使用 TCP/IP 協(xié)議的 “Intranet”和“Internet”環(huán)境中 MODBUS 報(bào)文的用途。協(xié)議的最通用用途是為諸如 PLC，I/O 模塊，以及連接其它簡(jiǎn)單域總線或 I/O 模塊的網(wǎng)關(guān)服務(wù)的。

POWERLINK=CANopen+Ethernet：POWERLINK 融合了以太網(wǎng)的蓬勃發(fā)展和 CANopen這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，即擁有了 Ethernet 的高速、開(kāi)放性接口，以及 CANopen 在工業(yè)領(lǐng)域良好的 SDO 和 PDO 數(shù)據(jù)定義，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層使用了 Ethernet 介質(zhì)，而應(yīng)用層則保留了原有的 SDO 和 PDO 對(duì)象字典的結(jié)構(gòu)。POWERLINK具有開(kāi)放且獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，對(duì)于任何一個(gè)以太網(wǎng)硬件產(chǎn)品都適用，支持任何拓?fù)漕愋?，循環(huán)周期僅為 100 微秒，網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)小于 1 微秒，完全滿足實(shí)時(shí)性和確定性的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)

相比有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有移動(dòng)性，沒(méi)有通信線纜的限制，通信終端可以在通信區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)或隨意布置；組網(wǎng)快速靈活，覆蓋面積廣，擴(kuò)展能力強(qiáng)，可以組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，十分容易擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)主要分為兩類：一類是ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等短距離通信技術(shù)；另一類是LPWAN（low-power Wide-Area Network），即低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LPWAN又分為兩類：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。不同的無(wú)線技術(shù)在組網(wǎng)、功耗、通訊距離、安全性等方面各有差別，因此擁有不同的適用場(chǎng)景。

ZigBee，于2003年正式提出，是低成本、低功耗、低功率的短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，具有低功耗、低成本，架構(gòu)簡(jiǎn)單，時(shí)延短，網(wǎng)絡(luò)容量大，可靠性和安全性高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是抗干擾性差，通信距離短，而且ZigBee協(xié)議沒(méi)有開(kāi)源。

藍(lán)牙技術(shù)，最早始于1994，由電信巨頭愛(ài)立信公司研發(fā)，是在兩個(gè)設(shè)備間進(jìn)行無(wú)線短距離通信的最簡(jiǎn)單、最便捷的方法，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)。藍(lán)牙不依賴于外部網(wǎng)絡(luò)、速率快、低功耗，安全性高。缺點(diǎn)是不能直接連接云端，傳輸速度慢，組網(wǎng)能力弱，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少，不適合多點(diǎn)布控。

LoRa，一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線傳輸方案，為用戶提供了一種能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，最長(zhǎng)距離可達(dá)15km，具體取決于所處的位置和天線特性。特點(diǎn)：低功耗，大容量，支持測(cè)距和定位，非常適于要求低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如能停車、車輛追蹤、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等。缺點(diǎn)是傳輸速率慢，通信頻段易受干擾。

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)），聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)。NB-IoT使用授權(quán)頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。優(yōu)勢(shì)主要有：低功耗，低成本，海量連接，廣覆蓋；但其低速數(shù)據(jù)傳輸、隱私和安全、IT系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間等問(wèn)題，都將限制其發(fā)展。

Sigfox，源自法國(guó)的Sigfox公司以超窄帶技術(shù)建設(shè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，既是一種無(wú)線技術(shù)，也是一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，消耗很窄的帶寬或功耗。由于是窄帶寬和短消息，因此除了其162dB的鏈路預(yù)算外，還可以達(dá)到數(shù)公里的長(zhǎng)傳輸距離。對(duì)于僅需發(fā)送較小的不頻繁數(shù)據(jù)的突發(fā)應(yīng)用，Sigfox是絕佳選擇。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)發(fā)送回傳感器/設(shè)備（下行鏈路能力）受到嚴(yán)重限制，信號(hào)干擾也可能成為問(wèn)題。

HaLow，是適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新版WiFi，代號(hào)是802.11ah，它使WiFi可以應(yīng)用到更多地方，如小尺寸、電池供電的可穿戴設(shè)備，同時(shí)也適用于工業(yè)設(shè)施內(nèi)的部署，以及介于兩者之間的應(yīng)用。

射頻識(shí)別技術(shù)

RFID是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，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(xiě)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，了解處理和狀態(tài)信息，并可在流程的任意階段支持無(wú)線重新配置。

面向未來(lái)的工業(yè)通信規(guī)范OPC UA+TSN

現(xiàn)場(chǎng)總線雖然為工業(yè)控制系統(tǒng)帶來(lái)了很多便利，但是不同的總線標(biāo)準(zhǔn)又造成了新的壁壘，使得各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線在物理介質(zhì)、電平、帶寬、節(jié)點(diǎn)數(shù)、校驗(yàn)方式、傳輸機(jī)制等多個(gè)維度都是不同的，因此造成了同一總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以互聯(lián)，而不同總線設(shè)備則無(wú)法互聯(lián)。

為了改變這一狀況， 21世紀(jì)時(shí)，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)投入工業(yè)使用，當(dāng)時(shí)貝加萊推出了工業(yè)領(lǐng)域的第一個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)POWERLINK。與傳統(tǒng)總線相比，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)層面上，各廠家實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。

然而，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)基于原有的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層），在應(yīng)用層采用了諸如Profibus（現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，由西門子等多家廠商推動(dòng)）、CANopen等協(xié)議，因此實(shí)時(shí)以太網(wǎng)只統(tǒng)一了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的問(wèn)題，在應(yīng)用層面Profibus、CANopen這些協(xié)議各廠家依然無(wú)法互通。

工業(yè)4.0時(shí)代呼喚一種通用的語(yǔ)言，OPCUA誕生了。OPC基金會(huì)在2018年底宣布，它將積極推廣其發(fā)布/訂閱的信息系統(tǒng)（Publish-Subscribe），讓工業(yè)設(shè)備通過(guò)說(shuō)出相同的“協(xié)議”（一組用于交換數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)命令）來(lái)相互通信。OPC UA不是來(lái)取代現(xiàn)有的通訊協(xié)議，而是實(shí)現(xiàn)通訊進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)話的工具，一種為目前尚處于信息孤島的設(shè)備之間建立附加通訊通道的工具。

OPC UA解決了上層問(wèn)題，對(duì)于底層數(shù)據(jù)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN開(kāi)始登場(chǎng)，它專門針對(duì)不同數(shù)據(jù)響應(yīng)速度要求的特點(diǎn)，提供了一種網(wǎng)絡(luò)彈性的保障機(jī)制。在現(xiàn)代工廠控制中，充滿了大量結(jié)構(gòu)化實(shí)時(shí)信息和非結(jié)構(gòu)化信息（如音頻、視頻流）等各種不同類型的數(shù)據(jù)。在控制器之間進(jìn)行通訊時(shí)，利用TSN的功能按信息傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)加以協(xié)調(diào)，從而在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況下保障各種通訊的協(xié)調(diào)一致性。TSN并非全新的技術(shù)，其來(lái)源于AVB（Audio Video Bridging）音視頻橋接，是為保障實(shí)現(xiàn)音頻和視頻數(shù)據(jù)提供時(shí)間同步的、低延遲的和保證帶寬預(yù)留的流媒體功能。2017年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）和Avnu聯(lián)盟宣布聯(lián)手，共同推動(dòng)TSN開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的部署。這也意味著TSN正在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可。

OPC UA和TSN兩種技術(shù)的結(jié)合為在工業(yè)中單一通用的以太網(wǎng)解決方案鋪平了道路。

ST賦能工業(yè)4.0時(shí)代

新基建指明產(chǎn)業(yè)方向，工業(yè)4.0蓬勃發(fā)展。工業(yè)通信是打開(kāi)智能工廠大門的超級(jí)鑰匙，是驅(qū)動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。作為深耕工業(yè)領(lǐng)域多年的半導(dǎo)體技術(shù)專家，ST擁有深厚的工業(yè)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，為工業(yè)通信應(yīng)用提供豐富和完整的解決方案，為中國(guó)的新基建和工業(yè)4.0時(shí)代賦能。

在有線連接方面，ST通過(guò)各種高性能、帶有大量外圍設(shè)備的32位STM32微控制器，提供廣泛的接口IC，支持各類有線連接標(biāo)準(zhǔn)，包括CAN，RS-232和RS-485，IO-Link現(xiàn)場(chǎng)總線等，以及包括UART，CAN，CAN-FD和帶有或不帶有外部收發(fā)器的以太網(wǎng)。

與此同時(shí)，基于STM32微控制器，ST還提供很多面向藍(lán)牙、Sub-GHz、LoRa、NFC、RFID等無(wú)線協(xié)議的無(wú)線解決方案。這些解決方案可通過(guò)STM32進(jìn)行固件安裝、固件更新等，并配以完善的STM32軟件生態(tài)環(huán)境，還可通過(guò)UART、CAN、以太網(wǎng)等與外圍設(shè)備進(jìn)行通信。

ST還通過(guò)提供IO-Link收發(fā)器、STM32微控制器以及保護(hù)器件等一系列解決方案，以幫助滿足IEC 6100對(duì)靜電放電（ESD）、抗突發(fā)和浪涌的要求，并提供一套硬件和軟件評(píng)估工具，以幫助用戶實(shí)施高效的IO-Link網(wǎng)關(guān)。

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