工业网络协议——入门手册
工业网络协议——入门手册
工业网络对于工厂的运营而言至关重要。工业网络汇集了成千上万用于控制和监测的终端节点，通常会在恶劣的环境下运行，所以对于连接性能和通信有着严格的要求。
工业网络协议构成了工业网络设备之间通信的基础，而在过去的几十年里人们开发了很多工业特有的网络协议，每种协议都针对特定用途和环境而设计。下图概括出它的主要应用领域以及今天在这些领域中的各种可用协议。工业物联网 (IIoT) 的出现以及无线和以太网的全新连接能力，正在改变这类协议的环境。公共和私有企业云、操作系统以及业务领域的整合具有新的价值，它为在工业环境中保持协议协调提供了新的机会。
在本入门手册中，我们将探究工业环境中所使用的一些关键协议，并对促使这类协议演变从而支持下一代工业环境的新兴趋势进行评价。
工业网络
工业协议环境的基础是工业通信网络中的各种数据采集层和聚合层。典型的工业网络有四层：
1.现场层——这个层面由大量的传感器和执行器节点构成。传感器节点通常会收集环境或过程控制信息，并将它们传送回控制器或用于监控。执行器会将从控制器接收的指令转化为现场设备电机的实际动作。
2.控制层——即逻辑控制器，可以是分布式的，也可以是集中式的，它们对传感器/执行器的数据进行汇总，然后输送到更大规模的工厂控制系统。通常还可以使用可编程逻辑控制器 (PLC) 或分布式控制系统 (DCS) 为工厂中的特定域组提供局部控制。它们会执行逻辑、排序、计时、计数和计算等各类机器或过程指令，通过数字或模拟模块进行控制。
3.监督层——这个层面包括配备人机界面的各类工厂控制系统，用于管理工厂运营。监控和数据采集 (SCADA) 系统向操作人员报告各类信息，提供针对警报的连续远程监控以及整个托管系统的综合视图。这个层面的主要功能还包括数据处理、日志记录和历史趋势分析等。
4.执行与规划层——负责工程和生产的执行。生产执行系统 (MES) 会负责执行资源和设备调度，并制定在制品 (WIP) 操作规范以及一般工作计划。这个层面是业务优先级和操作系统之间的接口。采购、库存、需求规划以及预测管理等与企业和规划相关的职能，是这个层面中企业资源规划 (ERP) 系统所负责的关键职能。
协议和连接要求会随整个网络层次上的应用需求、可靠性要求以及带宽等因素发生变化。选择协议时需考虑下列几个因素：
- 终端节点电源：传感器和执行器的终端节点是工厂控制系统的关键输入，需要持续供电。因此会同时使用来自电池和电源的电力。由于某些协议会比其他协议消耗更多的电力，因此能否使用电源会影响到这些协议的使用。举例来说，Wi-Fi 对电力有着很高的要求，因此通常不太适合使用电池供电的远程节点，而且频繁更换电池的费用会很高。
- 供电线路：现代化工厂的面积可达几平方公里，如果使用超长的电线连接终端节点，费用通常会很高昂。当传感器节点处于难以到达的位置时，如安装在烟道上的二氧化碳传感器，问题会更加棘手。如果电力需求能够得到有效满足，那么无线协议可能更适合这类需求。此外，可以让中间控制点 (PLC) 靠近末端节点，从而节省布线。由于控制层和传感器层的协议通常并不通用，所以协议的选择可能会受到工厂中间控制程度的影响。
- 运行环境：工业基础设施和设备经常会遭受日晒雨淋或者暴露在腐蚀性环境中。此外，安全性和风险容限也非常严格，需要作专门的考虑。必须选择那些既不影响通信可靠性，又能够承受这类环境要求的协议。适宜的工作温度范围，振动和噪声的影响，抗干扰能力以及湿度的负面影响，这些都是协议选择时需要考虑的重要因素。
- 丢包率：某些协议与其他协议相比具有更强的适应性，可以极大地缓解由于数据拥塞、误码或连接不良等传输问题导致的数据丢失。虽然丢失部分数据不会对非关键的应用或节点造成负面影响，但对于反应堆堆芯这样的关键应用而言，传输过程中则不能出现数据丢失。
- 吞吐量：数据传输的类型和大小对协议的选择有着极大的影响。如果是用于传递开/关状态的简单二进制数据，可以将就使用低成本、低吞吐量的协议。然而，传输相机中的图像数据则需要能容纳更多数据的协议。
- 实时/确定性：部分工业应用不允许通信过程有任何延迟。那些非实时或者不能将数据包立即传送出去的协议都不符合此类要求。这种考虑通常被用于印证在工业环境下不能使用 TCP/IP 等经典计算机网络协议。
- 网络范围、负载和架构：数据在网络中传输的距离，网络中节点的数量以及网络架构本身都会对协议的选择产生重大的影响。在某些网络架构中，网络拥塞、吞吐量和数据丢失等问题都会变得突出。协议的选择往往决定了工厂能否高效地运营。
- 安全性：工业网络需要同时防范无意和恶意的威胁。与网站和其他 IT 宕机不同，安全漏洞损害的不仅仅是金钱和声誉。如果网络没有受到足够的保护（如未被加密），而又网络遭受攻击时，人类安全和国家安全都有可能会受到威胁。
- 可伸缩性和可扩展性：可伸缩性和可扩展性也是需要考虑的重要因素。当需要频繁添加新节点或者改变网络配置时，某些实施过程可能会耗费大量的资金。此外，可以将某些网络（如 ZigBee）的架构设计成出现故障后立即进行自组织和自我修复，从而让增加或者删除新节点的过程变得既快速又廉价。
尽管通用协议更适合需要实时和低延迟的高层，但是无论处于哪个网络层级，上述这些因素都会起作用。
工业协议环境
工业网络的严格要求在历史上推动了各种私有协议和应用专属协议的产生。有线和无线网络都有专属的协议集。尽管可用的协议有很多，但大多数有线协议都遵循两个标准：现场总线或者工业以太网。在当代，无线连接降低网络成本的潜力日益凸显，Wi-Fi、蜂窝网络、蓝牙以及 ZigBee 等协议都得到不同程度的应用。 此外，IO-Link，一种串行接口点对点协议，在智能传感器之类的应用中也在逐渐普及。
现场总线
现场总线是一系列工业计算机网络协议的总称，主要用于实时分布式控制，其标准为 IEC 61158。现场总线协议解除了之前只有两个设备可以通过串行连接（如 RS 232）相互通信的约束。只需在控制器级别上提供一个通信点，就可以让数百个模拟和数字节点同时使用现场总线协议进行通信。支持菊花链、星形、环形、分支形和树形网络拓扑。现场总线的最大优势在于它可以大幅缩减工厂的供电线路。下表罗列出这个系列中的各种协议及其相应特点。它们各自的优点、缺点以及适用性也有提及。简单可靠是现场总线最重要的特征，这也使得它成为工业网络协议的首选。
工业以太网：
这里是指使用标准以太网协议实现自动化或过程控制。为经受住恶劣的工业环境而辅以经久耐用连接器和丰富的温度开关，这类协议已经得到了广泛的部署，特别是在确定性交付不那么严格的情况下。使用光纤以太网可以减少电噪声的问题，并且可以提供电气隔离，防止设备损坏。由于以太网协议中经常发生数据冲突，所以工业以太网会使用全双工通信标准之类的方式，避免数据冲突对传输时间造成不可接受的影响。下表罗列出这个系列中的各种协议及其相应特点。它们各自的优点、缺点以及适用性也有提及。以太网拥有更高的性能以及与办公网络集成的能力，这两者是推动它发展的主要因素。
无线协议：
无线技术为节省网络运营成本和简化安装带来了新的机遇。虽然这类协议仍处于发展的早期阶段，但是越来越多的人认为它会是工业网络的未来。它的主要优点是不需要布置供电线路，而且能够连接更多监测和控制点。如今，传感器和测量装置是无线协议的主要使用对象。最常见的工业自动化无线技术包括 802.11.x Wi-Fi、蓝牙、蜂窝网络、无需许可证的私有 ISM 频段无线电以及 WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA 以及 ZigBee 等基于 802.15.4 的协议。Wi-Fi 的使用通常伴随着工业以太网的部署，并且通常作为通信的第二支柱与以太网共存。蓝牙则用于替代点对点（如在 HMI 解决方案和现场设备之间）的布线。蜂窝网络通常用于工厂之间的回程通信，远程 SCADA 应用中远程设备的连接，以及机械设备和机器人的第三方访问。下表罗列出这个系列中的各种协议及其相应特点。它们各自的优点、缺点以及适用性也有提及。随着数据分析和物联网带来新的可能性，无线协议将在工业环境中继续成长。
市场开发
基于现场总线的各种协议方案已经存在了几十年，它们代表了目前正在使用的大部分协议。分析人士估计，55-65% 的工业连接是由现场总线技术提供的，其年增长率约为 7%。 工业以太网连接已经成为主流，并且在被越来越多地使用。预计以太网节点的增长速度将超过传统连接的增长速度。然而，以太网的采用率低于预期，这主要是由于现场总线带来的安全性、适应性和使用习惯。 总体而言，工业利益主体不愿意让他们的运营环境发生剧烈的变化，因为如果出现故障就可能带来灾难性的后果。大多数分析人士预测，以太网的渗透率在 30% 到 40% 之间，其增长率在 20% 以内。工业应用中无线设备的安装基数为 4%，而且预计将以 30% 的复合年增长率快速增长。在工业自动化领域，为支持多种应用，大多数无线物联网设备的主要供应商都提供运用各种无线技术的一系列解决方案。
随着更加智能而且成本更低的设备开始激增，现代以太网协议所赋予的数字融合的价值在不断攀升，分析人士普遍预测以太网和无线设备将会更多地被人类利用。物联网、普适传感和数据增长是行业变革的最大动力。对于行业从业者而言，可以对每个控制点和监测点进行单独监控的潜能，以及收集大量数据以提前制定预防性维护计划的能力，都让他们很感兴趣。企业系统和操作系统的集成具有非常重要的意义和价值。大多数企业都在利用公共和私有云的运作模式来降低自身 IT 基础设施的总体拥有成本。云范式也有可能会在下一代控制系统中得到应用。随着以收集大量数据为基础的新策略越来越流行，目前对数据吞吐量和安全性的限制因素将不再适用。
虽然很难对一种技术的消亡进行预测，但现场总线设备庞大的安装基数及其相应的专家社区表明，以太网、现场总线和无线技术将在未来的很多年里共存。
