从 M2M 到有黑匣子工业物联网的迁移

2016 年 8 月 8 日

达格尔比西蒙，RS Components，看上去在如何工业协议 & M2M 通讯机迁移到有黑匣子随着需求的增加为工业自动化。

它是难今天谈论连接的设备，而不引用物联网 （物联网）。但长时间在物联网的构想，工业环境中的设备都已经沟通之前。

这种趋势随着它开创了 M2M 时代 （机器到机器）。这些早期的简单的点对点交流迅速演变的情况下，重新走到一起的办公室离家更近，使车间使用常见的网络。这被称为行业 4.0 和现在，随着那些植物可以从任何地方，任何时候，’ 工业物联网 （有黑匣子） 一词有根深蒂固的。

这自然的进化并不只是反映如何收集和传输的数据呈指数级增长，但也有黑匣子如何允许控制遵循相同的路径。建设有黑匣子严重依赖于很多层面的沟通。很多的基本要求都已经到位，而其他人则只开始出现。从工程的角度看，把所有的互连成一个鲁棒性和可负担得起的形式因素代表种激励开发者的挑战。

广泛的需求

作为一项跨行业倡议，物联网在一般正在处理从多个角度，但似乎很清楚，其实施需要层次结构。互联网提供了理想的中枢进行大规模数据传输，但它并不是理想的实时控制;还有太多的延迟中内置的协议，它使互联网。

简单来说，在连接的家庭所有的器具可能连接和可控使用本地网络，以及作为可访问互联网。它将是可能的但无法使用互联网时控制设备本地;它可能需要几秒钟一盏灯关闭，或一台电视机，换频道，例如。因此，’设备化身’ 的概念势头，在那里每个设备也有一个虚拟的版本在云中。本地，设备是直接控制局域网络。远程控制将在互联网上，它在哪里奉命改变头像交付。这些更改然后将中继到现实世界的同行。这种重复的努力似乎嫌轻佻但它克服了用非确定性网络控制本地设备的局限性。

在工业环境中所面临的挑战雪上加霜的需要 ‘硬实时’ 控制，小包的数据在哪里，已发送接收设备之间。这里的基本要求是数据包到达可靠地，在确定的时间。早期的工业协议已经演化了时间交付，如 HART 协议 （公路可编址远程传感器）。

该协议有的使用传统的 4-20mA 的点对点连接，区分和它现在支持模拟和数字信号在一对导线。物理接口采用频移键控 (FSK)，表示逻辑的 ‘1’ （标记） 为正弦波中心频率的 1.2 千赫和逻辑 ‘0’ （空间） 作为一个正弦波中心频率的 2.2 千赫。这些数字表示可以调制在模拟当前级别范围内的 4 至 20mA，使其工业应用的通用协议。

此外，可以使用合适的 HART 调制解调器提供物理接口，如 A5191HRTPG-XTD 从安森美半导体微控制器 (MCU)，实施议定书 》。这甚至可以实现使用当前的 DAC/ADC 转换器，如果单片机具有 ALU 能够运行生成和识别 FSK 频率所需的算法。

HART 协议也可以用于多点配置中，它仍不可能适合每个工业的应用程序，而几乎可以肯定不会用于网络连接到互联网。这 ‘混合和匹配’ 的适当的协议是在工业控制、 流行，很少有证据表明它更改任何时间很快。

合适的工具做这份工作

使用专门用于互联网通信协议在工业环境中有很大的局限性。延迟，以及它可能有必要在工业环境中，不是受支持的共同网络协议，如 TCP/IP 功能的时间戳事件。

以太网是公共脸的互联网，因为它是它的方式大多数人接口。虽然这是真的，使用以太网的互联网协议并非适合于实时控制，这也是事实，实际上，以太网可以提供一个稳定和可靠的工业网络基础设施时使用正确的协议。

那里有很多针对工业部门使用以太网作为接口的协议。最值得注意的是，也许，是 EtherCAT。这是现在的一部分现场总线家庭由 IEC 61158 规范定义的基于以太网的协议之一。因为它使用相同的物理接口的以太网，可以使用具有以太网 MAC，如从英飞凌 xmc4500 系列单片机实现 EtherCAT 协议。XMC4000 家族基于 ARM 皮质-M，和现在英飞凌的 XMC4800 和 XMC4300 是该行业的第一个微控制器上皮层-M ARM EtherCAT 节点结合片上闪存和混合信号的能力。

在工业的拓扑中，传统上直接由 PLC （可编程逻辑控制器） 控制实际开展的行动 （电动机、 加热器、 泵、 致动器等） 的设备。有黑匣子目前的趋势是向网络 Plc 使用低延迟、 实时的协议，如那些在现场总线的家庭。尽管名称和多年的努力，仍有没有共同的现场总线标准，并引用它的许多协议不一定可互操作。因此，Plc 需要支持多个协议，以便在更加网络化的工业环境下运作。

也许部署最广泛的现场总线技术是 PROFIBUS，但还有很多人包括 PROFINET、 可以和 Modbus。很多微控制器现在集成 CAN 接口，同时添加 Modbus 可以实现使用 UART 和执行议定书 》 中在单片机上运行的应用程序。

软件支持

虽然许多有黑匣子控制部署的协议是在甚至低成本单片机实现相对简单，似乎合理的期望高水平的整合; 发生更有能力的 Mcu 将用于处理更广泛的网络拓扑中的协议。

在这一点上使用的操作系统 （和在工业控制，实时操作系统或 RTO） 很可能是有益的。在单片机上运行实时操作系统在硬件上，现在反映在 32 位体系结构如手臂皮质-M 家族转向的某些规定。

它不是不寻常的单片机系统和处理器供应商现在密切合作与实时操作系统供应商，以确保通信栈和实时内核在其硬件，例如模拟装置和 Micrium 上高效运行。例如 Micrium 的 μ/OS 实时操作系统，哪些功能中间件为 TCP/IP，USB，CAN 总线和 Modbus，密切支持模拟设备可 16/32 位嵌入式处理器。

事实上，更多的实时操作系统供应商现在提供工业控制的协议栈作为中间件集成到他们的技术，体现了高度集成的嵌入式处理器上运行这些工业协议需要。

结论

创建一个工业网络，提供远程控制和维护实时控制需要通信协议的混合物。幸运的是，半导体供应商理解这一点，并已提供一系列设备能够提供的硬件接口和处理使有黑匣子的现实所需功率。很明显，目前在工业领域中使用的协议会尚有黑匣子在一个地方。