工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議現(xiàn)狀

　　在工業(yè)通信現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)品牌 PLC 廠家制造的 PLC 都支持一種或多種工業(yè)通信協(xié)議，如 PROFINET、PROFIBUS、EtherCAT、EtherNet/IP、CC-Link、CClink IE、DeviceNet、CANopen 等。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備與 PLC 交互數(shù)據(jù)，需要遵循各品牌 PLC 的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的一些設(shè)備由于應(yīng)用較為簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量較小，仍然只采了用如 RS485/RS232/CAN 等基本的串行協(xié)議，傳統(tǒng)的自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)如下所示，多種網(wǎng)絡(luò)并存：

　　工業(yè)通信協(xié)議經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，涌現(xiàn)出了很多類(lèi)型的協(xié)議，每種通信協(xié)議由不同的 PLC 廠家所支持，從 HMS 2025 年工業(yè)通信協(xié)議市場(chǎng)份額報(bào)告中，可以看出通信協(xié)議仍然是百花齊放的狀況。

　

　　隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展需要，新生產(chǎn)場(chǎng)地項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)劃布局更加系統(tǒng)，在高端的制造業(yè)如半導(dǎo)體、鋰電、汽車(chē)等行業(yè)，常要求現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)整體的規(guī)劃需求滿(mǎn)足簡(jiǎn)單統(tǒng)一的要求，盡量減少工業(yè)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的種類(lèi)，控制系統(tǒng)的子設(shè)備則被要求盡可能的支持與 PLC 統(tǒng)一的通信協(xié)議接口，盡可能一網(wǎng)到底，設(shè)備為了能夠和不同品牌廠家的 PLC 通信，那么設(shè)備本身就需要同步支持各類(lèi)工業(yè)通信協(xié)議。

　

　　設(shè)備如何支持工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信？

　　那么對(duì)于不支持網(wǎng)絡(luò)工業(yè)通信協(xié)議的設(shè)備如何集成到 PLC 控制系統(tǒng)中，在以往的應(yīng)用案例中，設(shè)備（比如僅支持串口通信的設(shè)備）與 PLC 通信，較多情況下采用工業(yè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的方案去滿(mǎn)足，網(wǎng)關(guān)方案存在的幾方面問(wèn)題如下:

　　•第一成本高，網(wǎng)關(guān)是被在工業(yè)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，有較高的產(chǎn)品附加值，因此有相對(duì)較高的價(jià)格。

　　•第二靈活度低，網(wǎng)關(guān)作為通用品，與產(chǎn)品的適配性不高，現(xiàn)場(chǎng)常需要進(jìn)一步的 PLC 編程才能完整的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自定義的通信協(xié)議時(shí)序與功能要求。

　　因此總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于周期較短的項(xiàng)目中、成本不敏感的設(shè)備，出貨量小的設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換需求，網(wǎng)關(guān)仍然是一個(gè)非常好的通信集成方案，而無(wú)需做任何產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

　　

　　但是從如果設(shè)備出貨量較大，且同時(shí)需要交互的數(shù)據(jù)量較大，通信功能較為靈活，而產(chǎn)品所應(yīng)用的行業(yè)要求支持工業(yè)通信協(xié)議，那么網(wǎng)關(guān)方案不管是從成本上還是靈活度上都存在明顯的欠缺。

　　此時(shí)設(shè)備對(duì)于工業(yè)通信協(xié)議接口的集成就是非常必要的了，現(xiàn)有的解決方案中，有一種比較簡(jiǎn)單的方式，設(shè)備開(kāi)發(fā)人員可以在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，做一些改動(dòng)，通過(guò)在產(chǎn)品內(nèi)嵌體積較小的工業(yè)通信模塊實(shí)現(xiàn)“內(nèi)嵌的定制網(wǎng)關(guān)”，幫助產(chǎn)品快速實(shí)現(xiàn)各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通信協(xié)議。

　　多協(xié)議設(shè)備工業(yè)通信開(kāi)發(fā)解決方案？

　　那么對(duì)設(shè)備開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，如果本公司的設(shè)備需要支持多種工業(yè)通信協(xié)議有什么好的方案？

　　

　　自己開(kāi)發(fā)顯然是不太現(xiàn)實(shí)的，協(xié)議的種類(lèi)多樣，需要面臨協(xié)議棧細(xì)節(jié)的研究、通信穩(wěn)定性、一致性認(rèn)證等一系列問(wèn)題，比較好的方式是采用成熟的商用方案。

　　通信協(xié)議開(kāi)發(fā)流程

　　應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)多協(xié)議需要，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該規(guī)避對(duì)通信協(xié)議本身的研究，實(shí)現(xiàn)針對(duì)產(chǎn)品升級(jí)所需的“定制網(wǎng)關(guān)”，可以采用專(zhuān)用的多協(xié)議從站模塊可以解決工業(yè)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，以 HMS 公司 Anybus 品牌旗下的 CompactCom M40 為例，該系列模塊僅需一次開(kāi)發(fā)就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)多種工業(yè)通信協(xié)議的支持，對(duì)于體積要求較高的可以采用其板卡形式。

　

　　模塊的集成也十分簡(jiǎn)單，模塊提供 UART/SPI 口（任選其一），接入設(shè)備的主控制器 CPU/MCU，主控制器通過(guò) SPI/UART 接口的與模塊交換數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)者不需要關(guān)心工業(yè)通信協(xié)議本身如何實(shí)現(xiàn)，因此最快一到兩天就可以實(shí)現(xiàn)方案驗(yàn)證。

　

　　如果產(chǎn)品控制器的內(nèi)部空間有限，受限于體積限制，還可以選擇插針或貼片形式的 B40 板卡。

　　B40&B40mini

　　筆者從正點(diǎn)原子旗艦店購(gòu)買(mǎi)了 stm32f407 開(kāi)發(fā)板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由于單片機(jī)的開(kāi)發(fā)板為了方便用戶(hù)學(xué)習(xí)，集成了很多功能接口比如以太網(wǎng)、ADC、紅外收發(fā)，無(wú)線收發(fā)，RS232/RS485/CAN 等設(shè)備接口，此處將單片機(jī)開(kāi)發(fā)板模擬為一個(gè)工業(yè)設(shè)備的控制器，將開(kāi)發(fā)板與廠家提供的 M40 適配板通過(guò)飛線的形式連接二者 SPI 接口。

　

　　如果通過(guò)開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)模擬一款支持各種工業(yè)通信協(xié)議的電機(jī)控制器，通過(guò) M40 實(shí)現(xiàn)工業(yè)通信協(xié)議需要幾步？

　

　　第一步

　　首先打開(kāi) Anybus CompactCom M40 模塊的示例 stm32f407 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序工程，這個(gè)工程中主要實(shí)現(xiàn)了 stm32f407 與 M40 模塊間的 SPI 收發(fā)函數(shù)與 M40 模塊 RESET 引腳的 IO 控制，隨后上電將模塊驅(qū)動(dòng)起來(lái)。

　

　　第二步

　　在 STM32F407 的驅(qū)動(dòng)程序中定義與電機(jī)控制數(shù)據(jù)與狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)的 C 語(yǔ)言變量，隨后 C 語(yǔ)言變量的指針填入 M40 驅(qū)動(dòng)程序中定義好的數(shù)組結(jié)構(gòu)體 const AD_AdiEntryType APPL_asAdiEntryList[]中。到這里工業(yè)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)適配工作基本完成，隨后開(kāi)發(fā)者只需要將精力放在電機(jī)本身的控制業(yè)務(wù)上。

　

　　第三步

　　按照標(biāo)準(zhǔn)流程通過(guò) M40 配套的免費(fèi)設(shè)備描述文件自動(dòng)生成工具（GSD,EDS,ESI 等）生成 PLC 組態(tài)所需的電機(jī)設(shè)備描述文件。配置 PLC 與模塊的通信（這一步是標(biāo)準(zhǔn)流程，具體細(xì)節(jié)可在 PLC 使用說(shuō)明書(shū)中找到）。

　　第四步

　　總的來(lái)說(shuō)通過(guò) Anybus CompactCom 40 升級(jí)工業(yè)通信協(xié)議所需要的工作量并不大，開(kāi)發(fā)者也并不需要做太多的的軟硬件開(kāi)發(fā)適配工作，開(kāi)發(fā)者所作的工作就像是借助一臺(tái)自動(dòng)搭橋機(jī)，去搭一座其自研設(shè)備與 PLC 直接通信的橋梁，一座橋搭成，就可以成為各類(lèi)通信協(xié)議通行的快車(chē)道，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速升級(jí)，以最快的速度適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化，顯然的，開(kāi)發(fā)者在這場(chǎng)產(chǎn)品升級(jí)的需求中，不需要任何的工業(yè)通信協(xié)議基礎(chǔ)，也無(wú)需付出太多的時(shí)間與精力。