工业自动化通信协议（自动化在通信工程中的应用）

想象一下，一个可以弯曲和转动的机械臂，每个轴都配备了非常精确的电机驱动器、传感器或机器视觉，就像演奏一首运动交响曲一样。但如果没有“命令”告诉系统的每个组件何时以及如何执行各自的操作，机械臂可能会发出刺耳的碰撞声和金属摩擦声。

在实时控制系列之前的文章中，我们研究了用于传感、驱动和处理的实时控制(RTC) 仪器。而要将它们连接起来，都需要借助“命令”：实时通讯。在本文中，我们将以基于实时通信和控制的工业4.0作为讨论的起点。

自动化大数据发展的驱动因素

受疫情影响，无需人工干预的工厂运营模式广泛流行。大数据（《牛津词典》将其定义为非常大的数据集，可以通过计算分析揭示模式、趋势和关联，特别是与人类行为和交互相关的数据）的收集和适当分发可以实现数字孪生、计量、服务计费和预测性维护支持。例如，拥有可用的大数据可以监控机械臂的性能和系统健康状况，以及数据速率、温度、湿度、振动等，从而开发出基于人工智能预测未来性能和健康状况的模型，该人工智能使用大数据来预测未来的性能和健康状况。学习（数字孪生）。为了充分利用这些优势，有必要将信息技术(IT) 和运营技术(OT) 结合起来，以支持互联网协议(IP) 以及RTC 系统边缘。从逻辑上讲，这就是所谓的IT和OT融合。

在以太网中，开放系统互连(OSI) 模型的网络和传输层支持传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)，因此以太网本质上能够支持IPv4（和IPv6）。除此之外，能够确定地传输所需的信息量，这就是工业以太网正在成为工业自动化融合领域事实上的通信标准的原因。传统现场总线目前仍用于与边缘设备通信，因为现有基础设施通常使用两线协议并且不支持本机TCP/IP。图1 说明了工业自动化中当前的通信方法。

图1：工业自动化中当前的通信方式

工业通信的实施方式已经开始发生变化。单对以太网(SPE) 保留了现有的两线系统架构，同时支持工业以太网更快的速度和优势。先进的现场诊断支持分布式和集中式监控和操作。当然，SPE 能够重用使用多个现有现场总线构建的现有两线基础设施，从而简化了融合驱动的升级并显着降低了成本。

了解有关以太网的更多信息

尽管以太网是开放的并且在企业应用中无处不在，但它还不能用于实时应用，因为IT以太网帧的传输是“尽力而为”且不受监管的；无论如何，都会发生错误。它很烦人。当涉及到实时OT 时，错误可能会造成严重后果，甚至是危险的。 RTC系统需要使用可靠的通信作为系统的“命令”，以确保系统按预期运行，从而避免产品故障或造成系统损坏或人身伤害。由于IT 以太网通常用于企业或消费者环境，因此它很少遇到环境挑战。相比之下，RTC 系统通常位于恶劣的环境中。

工业以太网是由对稳健、确定性行为的需求驱动的，例如在宽温度范围、嘈杂和肮脏的环境下的可靠性以及更高的数据速率。工业以太网具有确定性和稳健性，可提供额外的带宽和固有的IP 连接以充分利用RTC 系统。

让我们看一下时序特性以及它们如何应用于以太网物理层(PHY)。

时序特性的重要性

RTC 系统具有三个重要的时序特征：

延迟。在这种情况下，需要考虑延迟，例如传播延迟：从数据进入系统、子系统或子系统组件到离开的时间长度。例如，TI 的DP83826E 10Mbps/100Mbps 以太网PHY 的往返延迟为208ns。较低的延迟可以缩短周期时间或总线上有更多节点。

肯定。如果数据每次经过系统的到达时间差异很大，那么延迟多低也无济于事。到达时间的这种变化是决定论。较低的抖动表明良好的确定性。低确定性意味着您需要在系统中构建更少的空间来适应不断变化的延迟。图2 显示了DP83826E 的延迟(208ns) 和确定性(2ns)。 EtherCAT 等实时以太网协议可以利用以太网PHY 的低且确定性延迟特性。

图2：延迟及其决定论

同步。将整个系统或几个完整系统的时序结合在一起也有一些优点。为了在确保安全操作的同时最大化效率和吞吐量，不同的子系统可能需要准确地“知道”另一个子系统何时执行操作。工业以太网协议都支持某种同步。时间敏感网络(TSN) 是适合RTC 系统的时间同步示例。电气和电子工程师协会(IEEE) 1588v2 精密时间协议(PTP) 可帮助多个设备保持彼此同步。 IEEE 802.1as，也称为通用PTP (gPTP)，可以进一步促进RTC 等时间敏感应用的同步。

结论

成功的RTC 和通信部署是工业4.0 的基石。但这不仅仅是实现工业4.0。借助确定性、同步和低延迟的通信PHY 和工业以太网协议，所有乐器都可以组合起来演奏一首优美的音乐。

审稿人：彭静