IIoT 是所謂的智能工廠的基礎(chǔ)，這是第四次工業(yè)革命的新型先進(jìn)制造單元。智能傳感器、超快速連接、人工智能算法是這一工業(yè)電子新視角的支柱。通信協(xié)議是允許在智能設(shè)備之間或設(shè)備與服務(wù)器（有時是云服務(wù)）之間交換信息的主要因素。以下是最常用協(xié)議的概述和分析，可幫助您了解何時采用一種而不是另一種。

通信協(xié)議是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是具有處理能力的設(shè)備組，能夠通過物理通信方式（有線系統(tǒng)或無線系統(tǒng)）遠(yuǎn)程交換數(shù)據(jù)和信息。

ISO 標(biāo)準(zhǔn)的國際組織采用了 OSI（開放系統(tǒng)互連）模型，現(xiàn)在稱為 ISO/OSI 模型，它定義了構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)堆棧的層。

ISO/OSI 模型

該模型旨在允許在具有分組交換的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ISO/OSI 模型的體系結(jié)構(gòu)是一個由 7 個邏輯層組成的堆棧，其中每一層處理解決特定的通信問題；這樣，每一層的任務(wù)都被很好地定義了，一層的數(shù)據(jù)包構(gòu)成了更高層的信息負(fù)載，它將添加一個執(zhí)行其功能所必需的元數(shù)據(jù)頭。

ISO/OSI 模型的層級，從最低到最高，如下所示：

1 – 物理電平：定義通信的物理方式、電壓電平和傳輸信號的波形。

2 – 數(shù)據(jù)鏈路層：允許發(fā)送同步數(shù)據(jù)流，檢查（并可能解決）錯誤，以便為下一層提供可靠的傳輸通道。

3 – 網(wǎng)絡(luò)級：允許使用數(shù)據(jù)通道而不用考慮所使用的傳輸介質(zhì)，并負(fù)責(zé)尋址和路由功能。

4 – 傳輸層：允許透明和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它建立和維護(hù)連接。

5 – 會話級：它維護(hù)應(yīng)用程序之間的連接。

6 – 表示層：它處理應(yīng)用程序之間通信的標(biāo)準(zhǔn)化，并提供諸如密碼學(xué)或數(shù)據(jù)壓縮之類的服務(wù)。

7 – 應(yīng)用程序級：它允許將用戶應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)流連接起來。

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現(xiàn)場總線

工業(yè)界長期使用所謂的現(xiàn)場總線或有線通信線路。這些專為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器、執(zhí)行器和智能系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換而設(shè)計。

據(jù) HMS Industrial Networks 估計，到 2020 年，使用此類通信的設(shè)備數(shù)量將增加 30%。

最著名和最常用的現(xiàn)場總線之一是 PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線），它創(chuàng)建于 80 年代后期。西門子是參與該技術(shù)開發(fā)的公司之一，該技術(shù)后來在 IEC 61158 中公開并標(biāo)準(zhǔn)化。PROFIBUS 是一種單主多從現(xiàn)場總線，其規(guī)范包括物理、數(shù)據(jù)鏈路的實現(xiàn)和應(yīng)用層。物理層可以是標(biāo)準(zhǔn)的RS485總線（阻抗150歐姆，波特率9.6kbps~12Mbps，距離可達(dá)1200m）、曼徹斯特總線或光纖（這種情況下連接距離可達(dá)到 15 公里），而數(shù)據(jù)鏈路層需要使用主從令牌環(huán)協(xié)議。

在同一時期，博世設(shè)計并實現(xiàn)了 CANBUS（控制器局域網(wǎng)總線），這是一種基于消息交換的健壯協(xié)議。CANBUS 被創(chuàng)建用于汽車領(lǐng)域，在該領(lǐng)域需要減少布線并獲得不受電氣干擾的通信。物理線路是差分總線，并發(fā)訪問由地址優(yōu)先級機(jī)制保證（所有節(jié)點在同時傳輸?shù)耐瑫r監(jiān)聽通道：如果它們注意到通道上有更高優(yōu)先級的消息，它們立即中斷傳輸，釋放通道）。CANBUS 規(guī)定了物理層 （ISO 11898）、傳輸層和應(yīng)用層（其中詳細(xì)介紹了過濾和消息處理）。

MODBUS 是另一種較舊的（并且在某些方面受到限制）現(xiàn)場總線，它是在 70 年代后期為使用 PLC 的工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建的多從單主協(xié)議。在MODBUS規(guī)范中，一個物理輸出是一個線圈（指繼電器的線圈），而一個輸入是一個分立元件或觸點；隨著時間的推移，已經(jīng)添加了虛擬輸入和輸出（寄存器），但由于其實施簡單，MODBUS 仍然是工業(yè)界使用最廣泛的總線之一。當(dāng)我們談?wù)?MODBUS 時，我們談?wù)摰氖且环N已經(jīng)移植到大量物理總線的協(xié)議，并且它有幾種實現(xiàn)方式。最常見的是MODBUS RTU，它依賴于RS485總線，波特率范圍從4800bps到115200bps，可以通過帶有串行通信線的簡單微控制器來實現(xiàn)。

圖 2：Modbus RTU 示例（來源：Control Global）

工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng) （IE） 是在工業(yè)環(huán)境中使用以太網(wǎng)協(xié)議。利用該技術(shù)的設(shè)備通過添加適用于流程和工業(yè)環(huán)境的功能來實現(xiàn)以太網(wǎng)層，例如適合溫度和機(jī)械需求的組件以及低延遲（實時）協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)的使用正在迅速增長，并繼續(xù)從現(xiàn)場總線中搶走市場份額。

PROFINET（過程現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)）是 2002 年由 IEC 61158 標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，是一種基于以太網(wǎng)的 PROFIBUS 實現(xiàn)。該系統(tǒng)由 IO-Controller（負(fù)責(zé)自動化）、IO-Devices（執(zhí)行器設(shè)備和傳感器）以及可選的 IO-Supervisor（系統(tǒng)管理軟件）組成。

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圖 3：工業(yè)以太網(wǎng)連接器（來源：Lutze Inc）

以太網(wǎng)/IP（工業(yè)協(xié)議）是另一個基于工業(yè)以太網(wǎng)的競爭對手，它使通用工業(yè)協(xié)議（CIP）適應(yīng)以太網(wǎng)協(xié)議。以太網(wǎng)/IP 實現(xiàn)了 ISO/OSI 模型的第 5、6 和 7 級，并使用 CIP 對象模型進(jìn)行自動化流程、不同設(shè)備之間的互操作性和實時數(shù)據(jù)處理。此外，Ethernet/IP 智能地利用 TCP/IP（有連接的協(xié)議）和 UDP（無連接的協(xié)議）來優(yōu)化驅(qū)動和傳感的資源和時間。

與 MODBUS RTU 類似，MODBUS TCP（2007 年在 IEC 61158 中標(biāo)準(zhǔn)化）用于與現(xiàn)場設(shè)備通信，但使用工業(yè)以太網(wǎng)。該技術(shù)解決了與其前身對 RS485 的限制相關(guān)的許多問題，例如通信速度、網(wǎng)絡(luò)上從節(jié)點的最大數(shù)量或報告協(xié)議異常的能力。盡管有這些改進(jìn)，MODBUS TCP 仍保持其前身的簡單性，這使其成為業(yè)界使用最廣泛的通信協(xié)議之一。

無線通訊

近年來，結(jié)構(gòu)化無線通信已經(jīng)出現(xiàn)在工業(yè)世界中。這種類型的技術(shù)有很多：經(jīng)典的 ZigBee（長期用于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）、LoRa 和 LoRaWAN（物理層和上層）、藍(lán)牙和 BLE（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的可能性）、6LowPan、DUST、NB- IoT、Thread 只是其中的幾個例子。

所有這些技術(shù)都可以主要用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備之間的連接，或者網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接。至于廣域通信，也可以使用LTE或新5G等無線技術(shù)。

結(jié)論

市場可以提供多種連接工業(yè)設(shè)備的方法，以提高其可配置性、控制和管理能力。工程師只需選擇最適合各種用例的技術(shù)，即可快速開發(fā)出尖端、可擴(kuò)展且面向未來的工業(yè)解決方案。