2.2.2 数据传输技术

1.工业现场总线通信技术

（1）现场总线 现场总线（Fieldbus）在20世纪80年代末90年代初发展形成，是用于现场总线技术过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信等技术为主要内容的综合技术，已经成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通信网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定、多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通信技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

（2）现场总线技术的特点 工业界一般把20世纪50年代前的气动信号控制系统称为第一代控制系统，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代控制系统，把数字计算机集中式控制系统称为第三代控制系统，而把20世纪70年代中期以来的集散式控制系统（Distributed Control System, DCS）称为第四代控制系统，把现场总线系统称为第五代控制系统。现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）作为新一代控制系统，一方面突破了DCS采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。

现场总线技术的特点如下：

1）系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同厂家的产品组成大小随意的系统。

2）互可操作性与互用性。互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点、点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

3）现场设备的智能化与功能自治性。现场设备的智能化和功能自治性是将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

4）系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

5）对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线同轴电缆、光缆射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

（3）典型现场总线技术 目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为三类：传感器总线（Sensorbus），属于位传输；设备总线（Devicebus），属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。主流的工业现场总线包括以下几种：

1）INTERBUS现场总线。INTERBUS是德国菲尼克斯（Phoenix）公司推出的较早的现场总线，于2000年2月成为国际标准IEC 61158。INTERBUS采用国际标准化组织（ISO）的开放系统互连（OSI）的简化模型，即只有物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛应用于汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。

2）DeviceNet现场总线。DeviceNet是一种低成本的通信总线。它将工业设备（如限位开关、光电传感器、阀组、电动机起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通信，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。

DeviceNet是一种简单的网络解决方案，它在提供多厂家同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet不仅使设备之间以一根电缆互相连接和通信，更重要的是它给系统带来的设备级的诊断功能，该功能在传统的I/O上是很难实现的。

DeviceNet是一个开放的网络标准，规范和协议都是开放的。DeviceNet的主要特点是：短帧传输，每帧的最大数据为8B；无破坏性的逐位仲裁技术；网络最多可连接64个节点；数据传输波特率为125kbit/s、250kbit/s、500kbit/s；点对点、多主或主/从通信方式；采用CAN的物理和数据链路层规约。

3）CAN总线。CAN是控制器局域网络（Control Area Network）的简称，最早由德国博世（BOSCH）公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO制定为国际标准，得到了摩托罗拉（Motorola）、英特尔（Intel）、飞利浦（Philips）、西门子（Siemens）、日本电气（NEC）等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在ISO的OSI模型基础上，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和最上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1Mbit/s（通信距离小于40m），直接传输距离最远可达10km（通信速率低于5kbit/s），可挂接设备最多可达110个。

CAN总线的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8B，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，CAN总线具有的自动关闭功能可以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN总线支持多种方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其他节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。

2.OPC UA技术

（1）OPC UA基本概念OPC统一架构（OPC UA）是OPC基金会为过程自动化及其他领域的数据通信提出的新标准。OPC基金会基于微软分布式组件对象模型（Distributed Component Object Model, DCOM）的OPC规范（如DA、HAD和A&E）非常成功，预计未来几年，OPC UA将会取而代之，由于其平台独立性并使用了先进的Web Service技术，相比于OPC, OPC UA将在更广泛的行业与应用中使用。它可以被部署在设备、DCS、MES以及ERP系统中，该规范的最小集合允许使用安全方式访问统一的地址空间，另外，OPC UA通信使用二进制编码提供高性能的解决方案，速度相比传统的可扩展标记语言（Extensible Markup Language, XML）数据交互得到了显著提升。OPC UA体系结构依旧为C/S（客户端/服务器）结构，但其通信是基于万维网服务描述语言（Web Services Description Language, WSDL）格式的消息传递机制，而非二进制数传输，其中，OPC UA客户端包括应用程序、客户端应用程序接口（Application Programming In-terface, API）、OPC UA协议栈、OPC UA等部分，服务器则包括应用程序、地址空间、服务器API、真实对象、发布/订阅实体等。OPC UA的客户端与服务器通过各自的API来实现数据交换，各自底层协议栈将来自应用程序的API调令转化为消息格式在底层通信实体中传输，反之亦然。

（2）OPC UA软件架构 由上可知，OPC UA体系架构为C/S模式，其中提供信息的应用程序被称为UA服务器，需求信息的应用程序被称为UA客户端。与经典OPC相比，OPC UA多数应用是在一个应用程序中包含UA服务器及UA客户端，原因在于越来越多的UA服务器被直接集成在设备中，而UA客户端同时也是一个可以配置的UA服务器。一个典型的OPC UA应用软件架构可由如图2-33所示的三个软件层次组成。整个完整协议栈可使用C/C++、.NET或Java实现，虽然OPC UA不限定使用的编程语言及应用开发平台，但目前只能在这些环境下使用OPC UA协议栈。其中，一个OPC UA应用程序是一个要公开或使用OPC UA数据的系统，它一般包含该应用程序的指定功能，以及OPC UA协议栈和软件开发工具包（Software Development Kit, SDK），由此可知，实现OPC UA公共功能的客户端或者服务器SDK是应用层的一部分，因为OPC UA协议栈只实现通信通道，同时，OPC UA SDK大大减少了开发工作，并促进了OPC UA应用更为快速的互操作性。

（3）OPC UA的优势特点OPC UA作为一种面向服务架构（Service-Oriented Architecture, SOA）的、跨平台的数据交互解决方案，相比传统的OPC，具有诸多特点及其独特的优势。因此，未来OPC UA不仅能够实现底层设备的信息采集、设备互操作等横向信息的集成，同时也可实现设备与上层的数据采集与监视控制（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）系统、MES、ERP以及云端的垂直通信，将会作为工业4.0的基础性标准技术得以广泛应用。其诸多优点表现如下：

1）可经过因特网防火墙的标准化通信。OPC UA基于优化TCP的二进制协议来完成数据交换，同时也支持Web以及Http服务，区别以往OPC能在防火墙上打开端口的方式，通过集成的安保机制确保通信安全。

2）禁止非授权信息访问。为确保OPC UA通信机制的安全，防止出现非授权信息访问造成数据破坏或污染的问题，OPC UA提出一种基于World Wide Web标准，并通过用户鉴权、加密传输、电子签名等方式来实现。

3）数据安全与可靠性。OPC UA作为一种工业标准化通信规范，其安全性主要体现在可配置的超时、自动错误检查以及自动恢复重建等机制，时刻保持对OPC UA客户端与服务器之间的通信监视；OPC UA具备一定的系统冗余度，在C/S模式下的通信过程中一旦发生数据丢失，也可以实现现场恢复等功能，属于高可靠性通信机制。

4）平台独立性。OPC UA作为一种面向服务的技术，相比传统OPC，不再局限于只能基于Windows的分布式组件对象模型（DCOM），因此，允许OPC UA的应用程序运行在智能设备以及控制器上，可以做到嵌入式OPC UA，甚至可以运行在DCS以及SCADA系统上，以及企业级水平的MES与ERP系统之上。

5）统一对象模型与地址空间。OPC UA定义了统一的数据与服务模型，使得数据组织更加简便与灵活，针对传统OPC服务器的三种类型访问方式：数据访问（DA）、历史数据访问（HDA）、报警和事件（A&E）实现了对象模型的统一，使得在同一地址空间公开当前数据、事件通知以及两者的历史信息，这样仅用一个组件便可以完成对上述三种类型数据的访问，配置以及通信时间大大缩短。

3.无线网络通信技术

（1）无线传感器网络通信技术 随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，产生了基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。这些智能化的传感器与可编程控制器（PLC）、读卡器或其他设备之间互相连接，形成一个无线传感器控制网络，作为信息系统内管理、收集数据的工具。IEEE 802.15.4是描述低速串无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议，目前，ZigBee、WirelessHART和MiWi是遵循该协议的三种短程通信技术。下面以应用最为广泛的ZigBee网络为例，介绍无线传感器网络通信技术。

ZigBee通信技术具有以下特点：

1）功耗低。该技术工作周期较短，收发信息功耗较低且采用休眠模式。

2）数据传输可靠性高。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。

3）网络容量大。一个ZigBee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

4）时延小。该技术针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延典型值为15ms。

5）兼容性。ZigBee网络可与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用载波侦听多路访问-冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA）方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。

6）安全性。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

7）实现成本低。ZigBee网络模块的初始成本较低。

ZigBee网络拓扑结构可根据应用的需要组织成星形网络，如图2-34所示，也可以组织成点对点网络。在星形结构中，所有设备都与中心设备个人局域网（Personal Area Network, PAN）网络协调器通信，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星形网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。

与星形网络不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任意两个设备之间都可以直接通信。点对点网络也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息、认证设备身份等功能。点对点网络模式可以支持AdHoc网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。不过，一般认为自组织问题由网络层来解决，不在IEEE 802.15.4标准讨论范围之内。点对点网络可以构造更复杂的网络结构，适合于设备分布范围广的应用，如在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用前景。

（2）无线局域网络通信技术 自1977年第一个民用网系统ARCnet投入运行以来，有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。然而，在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。在工业自动化领域，有成千上万的感应器、检测器、计算机、PLC、读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS-232或RS-485。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP，有效地扩展了工业设备的联网通信能力。

无线局域网通信协议可采用IEEE-802.3来实现点对点传输方式或采用IEEE-802.11实现一点对多点传输方式，也可以在普通局域网基础上通过无线集线器（Hub）、无线接入站、无线网桥、无线调制解调器（Modem）及无线网卡等来实现，其中现场以无线网卡使用最为普遍。

利用无线局域网组建自动化工业网络，相比之下具有有线固定网络无法比拟的优势，具体如下：

1）无线网络拓扑更适合工业网络应用。无线局域网支持RS-232工业设备点到点的连接，支持广播网络的拓扑，多个RS-232工业设备可组成对等网络，相互通信（RS-232通信协议无法支持多点通信）。通过C/S的拓扑，每个RS-232工业设备都可以方便、快捷地接入无线网络中，极大地提高了信息处理能力。

2）无须布线，省去了施工的麻烦。无线局域网利用无线电波传输数据信号，适合在难以布线的环境中搭建数据传输网络。在工业现场，铺设的线缆容易受到频繁的触碰损坏，无线网络则保证了网络的安全性。

3）覆盖范围广。无线局域网在开放空间覆盖半径达550m，室内一般覆盖半径为300～400m，通过室外无线设备传输距离可以达到几十千米。

无线局域网现主要应用在远程视频传输、门禁/考勤管理系统、安防管理系统、生产设备联网自动化、电信光纤网络监控、医疗/实验仪器联网自动化、工业/流程联网控制管理等领域。

（3）蓝牙通信技术 蓝牙是由东芝（Toshiba）、爱立信（Ericsson）、IBM、Intel和诺基亚（Nokia）于1998年5月共同提出的短距离无线数字通信的技术标准。蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通信技术，可以支持物体与物体之间的通信，工作频段是全球开放的2.4GHz频段，可以同时进行数据和语音传输，传输速率可达到10Mbit/s，可使在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。蓝牙技术的应用非常广泛而且极具潜力，它可以应用于无线设备（如PDA、手机、智能电话、无绳电话）、图像处理设备（照相机、打印机、扫描仪）、安全产品（智能卡、身份识别、票据管理、安全检查）、消费娱乐（耳机、MP3、游戏）、汽车产品（GPS、ABS、动力系统、安全气囊）、家用电器（电视机、冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机）、医疗健身、建筑等领域。

（4）工业无线网络通信技术的发展趋势 在大数据时代，工业无线网络通信技术是工业互联网技术领域最活跃的主流发展方向，是影响未来制造业发展的革命性技术。工业无线网络通信技术兴起于21世纪初，通过支持设备间的交互与物联，提供低成本、高可靠、高灵活的新一代泛在制造信息系统和环境，推动工业信息化系统的功能扩展与提升，是提高生产效率、提升产品质量、节约能源和降低排放的重要使能技术。为此，工业无线网络通信技术备受到全球先进工业国家的关注。工业无线网络是一种由大量随机分布的、具有实时感知和自组织能力的传感器节点组成的网状（Mesh）网络，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，具有低耗自组、泛在协同、异构互连的特点。工业无线网络通信技术是继现场总线之后工业控制系统领域的又一热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。

无线介质不像有线介质那样处在一种受保护的传输环境之下。在传输过程中，它常常会衰变、中断和发生各种各样的缺陷，诸如频散、多径时延、干扰、与频率有关的衰减、节点休眠、节点隐蔽和与安全有关的问题等。不过这些影响无线传输质量的因素，都可以通过在ISO通信七层模型的各层中采用适当的机制加以克服或减轻。需注意的是，并不是所有的机制都可以与其他的机制相兼容，或者说，有可能对关键性能和属性产生负面影响。因此，通信系统必须根据其具体的应用现实环境，对各层所采用的机制进行组合优化，以求得最好的综合通信性能。

因此，如何在复杂的工业环境中，研究出可靠、保密、克服干扰的无线通信技术，并开发出支持这些无线通信协议的物理层和MAC层的收发器芯片是未来工业无线网络通信技术发展的方向。

4.5G技术

5G技术和工业互联网同为当今的前沿技术，虽然分别服务于通信领域和工业领域，但技术的关联性仍然会使它们紧密相连。工业互联网依赖于高速发展的互联网技术，性能优异的5G网络将会有力促进互联网应用的高速发展，也必将对工业互联网的应用产生深远的影响。

工业互联网的重要标志是网络化和智能化，其中的网络化承载着工业制造中的数据流通，智能化支撑着工业制造中的生产过程。网络化依赖于网络的畅通和管理，智能化依赖于像3D打印一样的智能加工与成型。但这些都明显地体现出工业互联网应用仅仅局限于行业圈内。工业互联网应用需要走出制造界，使工业互联网成为移动互联网中的一个环节，通过移动互联网和电子商务系统与消费者互动，只有这样，才有能力使工业互联网为客户量身定制，满足多样化和个性化发展趋势的工业品制造市场的需求，才有能力使工业互联网制造实现高品质、高速度、高效率和高利润的小批量或单批次智能化生产。5G网络将有可能是工业互联网实现这个终极目标的重要推手。

随着网络技术、智能技术和平台管理技术的发展，传统制造产业界以大型工厂为制造单位、以工人群体为制造主体的集中式工厂流水作业制造特征，将会转变为以家庭或小型作坊为制造单位，以专业制造技师为主体的分散式个体定制作业制造特征，甚至会衍生出极富影响力的工业品制造经纪平台，衍生出众多既懂商业经营，又懂工业流程还懂制造技术的工业制造经纪人，催生出众多具有专业技术和精湛制造工艺的工业部件专门制造技师。因为5G平台、5G网络和5G终端在消费者与工业互联网之间架起了一座畅通无阻的桥梁。

可以预见，基于5G网络的工业互联网将会使工业制造完全融入电子商务系统。工业制造仅仅是电子商务中产品制造的末端，电子商务中流通的产品则由工业品制造经纪平台提供，其中显现的产品或许是虚拟的，因为消费者在选择产品时可以对产品提出自己的个性化需求，经纪平台可以根据消费者的需求合理分配产品的不同部件给不同的制造商，通过3D打印或智能制造后又快速转交给经纪平台，由经纪平台组装成消费者所需的具体产品。人们从商务平台上看到的工业产品（包括工业部件）都属于商务平台上的虚拟商品，虽然这些虚拟商品可能压根就不存在，但后工业互联网的网络化和智能制造技术完全可以保证产品的出货时间和质量，传统工业制造中的商品库存或仓储将成为历史。基于5G网络的工业互联网可为智能制造提供全新的网络互联，提供全新的数据采集传输、计算和分析能力，以及新模式、新业态发展的信息服务，将会为企业研发设计、经营决策、组织管理等提供更加丰富、科学的方式方法，为产业链路上下游协同提供新的平台，进而推动整个工业体系的生产方式由粗放低效走向绿色精益、生产组织由分散无序走向协同互通、产业生态由低端初级走向高端完善。5G平台支撑下的工业互联网，必然会带来跨界融合的新特征和众多新技术创新，造就大规模个性定制，催生开放式协同和服务型制造等新模式，从而使新业态得以深度应用和全面普及，推动生产力再一次跃升。5G环境下的工业互联网将会越来越重视个性化需求和多样化服务。

目前，工业互联网的网络化特征主要是：互联网使得工厂机器、控制平台及制造业下游之间保持互联、互通、互动，并借助网络中的云计算、大数据资源，对整个产业制造环节进行分析、设计和动态调整等智能化控制，打造一个开放与智能的工业生态体系，最终达到使整个工业生产零库存、低能耗、个性化与大规模定制共存，以及可对工业系统进行远程维护和优化等目的。显然，此时的工业互联网利用网络化产生的功能，仍局限于工业制造自身领域，若能将网络化功能延伸至服务领域，或将制造与服务高度融合，使工业互联网与客户直接互动追踪产品应用，使工业互联网既能为产品制造前台服务，更能为产品售后服务，这样的全向性网络化体系只有5G网络才有能力承载。5G网络对工业互联网的影响，表面上仅限制在网络传输范围，但本质上却包括了基础网络、业务类型、产业项目和不可预知的领域，甚至可以为工业互联网开拓出一片新的应用天地。5G网络作为一个全域性通信平台，完全有能力引领工业互联网向广阔与纵深同时高速发展。