如何從M2M遷移到IIoT

隨著工業(yè)自動化需求的增加，工業(yè)協(xié)議和M2M機(jī)器通信逐漸遷移到IIoT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

如果在沒有引用物聯(lián)網(wǎng)的情況下，現(xiàn)在很多的連接設(shè)備都無法想象。但是，在構(gòu)思物聯(lián)網(wǎng)之前的很久，工業(yè)環(huán)境中的設(shè)備已經(jīng)在進(jìn)行通信了。

隨著發(fā)展，它迎來了機(jī)器到機(jī)器（M2M）的時代。這些早期簡單的點(diǎn)對點(diǎn)交換迅速發(fā)展，使用通用網(wǎng)絡(luò)將車間和后臺更緊密地聯(lián)系在一起。這被稱為工業(yè)4.0，現(xiàn)在，隨著這些工廠隨時隨地都可以訪問，“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）”這個術(shù)語已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位。

這種自然演變不僅反映了數(shù)據(jù)的收集和傳輸是如何呈指數(shù)級增長的，而且還反映了IIoT如何允許控制遵循相同的路徑。構(gòu)建IIoT在很大程度上依賴于通信。許多基本要求已經(jīng)到位，而其他要求才剛剛開始出現(xiàn)。從工程角度來看，將所有這些互連性整合到一個強(qiáng)大且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的外形中，對于開發(fā)人員來說是一個極大的挑戰(zhàn)。

廣泛的要求

作為一項(xiàng)跨行業(yè)的倡議，物聯(lián)網(wǎng)總體上正在從幾個角度加以解決，但似乎很清楚它的實(shí)施需要層次結(jié)構(gòu)?；ヂ?lián)網(wǎng)為海量數(shù)據(jù)傳輸提供了理想的支柱，但它并不適用于實(shí)時控制; 啟用Internet的協(xié)議內(nèi)置了太多的延遲。

簡單來說，在連接的家庭中，所有設(shè)備可以使用本地網(wǎng)絡(luò)連接和控制，并且可以通過因特網(wǎng)訪問。在本地控制設(shè)備時使用互聯(lián)網(wǎng)是可能但不切實(shí)際的; 例如，可能需要幾秒鐘才能關(guān)閉燈光，或者電視需要更換頻道。因此，“設(shè)備頭像”的概念正在獲得動力，其中每個設(shè)備在云中也具有虛擬版本。在本地，設(shè)備直接通過局域網(wǎng)控制。遠(yuǎn)程控制將通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞，在那里它是指示要改變的化身。然后，這些變化將轉(zhuǎn)發(fā)給他們的真實(shí)世界同行。

在工業(yè)環(huán)境中，由于需要“硬實(shí)時”控制，在設(shè)備之間發(fā)送/接收小數(shù)據(jù)包，因此更加復(fù)雜。這里的基本要求是分組在確定的時間內(nèi)可靠地到達(dá)。早期的工業(yè)協(xié)議隨著時間的推移不斷發(fā)展，例如HART協(xié)議（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）。

該協(xié)議具有使用傳統(tǒng)4-20mA點(diǎn)對點(diǎn)連接的區(qū)別，現(xiàn)在它通過一對電線支持模擬和數(shù)字信令。物理接口使用頻移鍵控（FSK），將邏輯“1”（標(biāo)記）表示為中心頻率為1.2kHz的正弦波，將邏輯“0”（空格）表示為中心頻率為2.2的正弦波千赫。這些數(shù)字表示可以在4至20mA范圍內(nèi)的模擬電流水平之上進(jìn)行調(diào)制，使其成為工業(yè)應(yīng)用的通用協(xié)議。

此外，該協(xié)議可以使用微控制器（MCU）實(shí)現(xiàn)，其中合適的HART調(diào)制解調(diào)器提供物理接口。如果MCU具有能夠運(yùn)行生成和識別FSK頻率所需的算法的ALU，則甚至可以使用當(dāng)前的DAC / ADC轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

雖然HART協(xié)議也可以用于多點(diǎn)配置，但它可能仍然不適用于每個工業(yè)應(yīng)用，并且?guī)缀蹩隙ú粫糜谶B接到Internet。這種適當(dāng)協(xié)議的“混合搭配”在工業(yè)控制中是流行的，幾乎沒有證據(jù)表明它很快就會發(fā)生變化。

適合工作的正確工具

專門用于因特網(wǎng)通信的協(xié)議的使用在工業(yè)環(huán)境中具有許多限制。除了延遲之外，可能還需要在工業(yè)環(huán)境中對事件加時間戳，這是TCP / IP等常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不支持的功能。

以太網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的“公眾面孔”，因?yàn)樗谴蠖鄶?shù)人與之接口的方式。雖然以太網(wǎng)上使用的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議確實(shí)不適合實(shí)時控制，但實(shí)際上，當(dāng)使用正確的協(xié)議時，以太網(wǎng)也可以提供強(qiáng)大而可靠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

有許多針對工業(yè)部門的協(xié)議使用以太網(wǎng)作為接口。最值得注意的可能是EtherCAT。這只是基于以太網(wǎng)的協(xié)議之一，現(xiàn)在構(gòu)成了IEC 61158規(guī)范定義的現(xiàn)場總線系列的一部分。由于它使用與以太網(wǎng)相同的物理接口，因此EtherCAT協(xié)議可以使用具有以太網(wǎng)MAC的微控制器實(shí)現(xiàn)。

在工業(yè)拓?fù)渲?，?shí)際執(zhí)行動作的設(shè)備（電動機(jī)，加熱器，泵，致動器等）傳統(tǒng)上由PLC（可編程邏輯控制器）直接控制。IIoT的當(dāng)前趨勢是使用低延遲的實(shí)時協(xié)議（例如現(xiàn)場總線系列中的協(xié)議）來網(wǎng)絡(luò)PLC。盡管名稱和多年的努力，仍然沒有共同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，并且引用它的許多協(xié)議不一定是可互操作的。因此，PLC需要支持多種協(xié)議，以便在更加網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行。

也許最廣泛部署的現(xiàn)場總線技術(shù)是PROFIBUS，但還有許多其他技術(shù)，包括PROFINET，CAN和Modbus?，F(xiàn)在許多微控制器都集成了CAN接口，而添加Modbus可以通過UART實(shí)現(xiàn)，并在MCU上運(yùn)行的應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)協(xié)議。

軟件支持

雖然在IIoT中部署用于控制的許多協(xié)議在低成本MCU中實(shí)施起來相對簡單，但期望進(jìn)行高水平整合似乎是合理的。更強(qiáng)大的MCU將用于處理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械母鼜V泛的協(xié)議。

此時，操作系統(tǒng)的使用（以及工業(yè)控制，實(shí)時操作系統(tǒng)或RTOS）可能是有益的。在MCU上運(yùn)行RTOS對硬件提出了某些要求，現(xiàn)在反映在向32位架構(gòu)（如ARM Cortex-M系列）的轉(zhuǎn)變中。

MCU和處理器提供商現(xiàn)在與RTOS供應(yīng)商密切合作以確保通信堆棧和實(shí)時內(nèi)核在其硬件上高效運(yùn)行并不罕見。Analog Devices的Blackfin 16/32位嵌入式處理器得到Micrium的μC/ OS實(shí)時操作系統(tǒng)的密切支持，該系統(tǒng)具有TCP / IP，USB，CAN總線和Modbus等中間件。

對高度集成的嵌入式處理器上運(yùn)行的這些工業(yè)協(xié)議的需求反映在這樣一個事實(shí)上：更多的RTOS供應(yīng)商現(xiàn)在提供用于工業(yè)控制的協(xié)議棧作為集成到其技術(shù)中的中間件。

結(jié)論

創(chuàng)建提供遠(yuǎn)程控制并維持實(shí)時控制的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將需要混合的通信協(xié)議。目前半導(dǎo)體供應(yīng)商了解這一點(diǎn)，并且已經(jīng)提供了一系列能夠提供使IIoT成為現(xiàn)實(shí)所需的硬件接口和處理能力的設(shè)備。同樣清楚的是，目前工業(yè)領(lǐng)域中使用的協(xié)議仍將在IIoT中占有一席之地。

來源：朗銳智科