常见的工业通讯协议有哪些(IT与OT融合的标志性事件「物女心经」)

Posted 2023-05-25

篇首语：成功无须解释，失败却有许多托辞。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了常见的工业通讯协议有哪些(IT与OT融合的标志性事件「物女心经」)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

常见的工业通讯协议有哪些(IT与OT融合的标志性事件「物女心经」)

刚刚过去的11月，对于工业互联网而言并不平凡，发生了很多可能一石激起千层浪的标志性事件。这些事件均由IT企业引领，积极将IT与OT推向融合。

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物女皇：一键三连

这是我在【物女心经】专栏写的第270篇文章。

刚刚过去的11月，对于工业互联网而言并不平凡，发生了很多可能一石激起千层浪的标志性事件。这些事件均由IT企业引领，积极将IT与OT推向融合。

第一件，开源软硬件平台Arduino发布了其首款具有工业物联网功能的微型PLC。该PLC可以借助Arduino大量灵活、易用的开源软硬件资源，实现快速部署。这款产品的问世，推动工业控制系统的白盒化更进一步。

第二件，Marvell推出了一系列旨在将标准以太网引入工业环境的芯片，搭载多种安全功能并提供对TSN时间敏感网络的支持。该系列芯片的发布具有里程碑式的意义，表明标准互联网协议IP进入工业体系的时机趋近成熟，IT与OT正在走向真正的融合。

第三件，Analog Devices、ARM、亚马逊云服务、贝加莱、施耐德电气和德州仪器等公司，正在一起合作基于开源实时操作系统FreeRTOS构建OPC UA over TSN。这项行动的重点是将OPC UA over TSN的能力进一步下沉，从控制器、工业PC、HMI等设备，继续下探到功耗和算力更加受限的传感器和执行器，也就是将OPC UA over TSN这条IT企业直达工业现场的特快通道，修建得更加彻底。

这些事件在国内鲜有报道，这篇文章我们分别来进行解读。

白盒化，工业控制的开源征程

工业中一直存在设备、协议、操作系统、编程软件紧密绑定的情况。自从在1970年代PLC（可编程逻辑控制器）和DCS（分布式控制系统）进入工业领域之后，控制层的自动化硬件和软件结构从未变动，一直围绕着捆绑式的自动化硬件和软件在演进。

这与1970年代的小型计算机市场非常类似，当时几乎每一个小型机的供应商都是以硬件软件捆绑的应用方式和软件工具，以及自己的渠道伙伴和软件供应商进入和占领市场。

工业设备的白盒化这个趋势在很多场景中发生，典型的包括流程工业、离散控制等。

在流程工业，开放过程自动化架构OPA标准化现场设备的基本输入输出，及监管控制功能块的执行。在离散控制，统一自动化平台UAP让控制器可以最大限度的采用通用化的硬件，推进硬件与软件解耦，并使得通讯走向标准化。

Arduino推出的这款名为Opta的可编程逻辑控制器（PLC），推动工业控制系统的白盒化更进一步。

Opta的基本功能包括支持标准IEC 61131-3 PLC语言，通过Modbus TCP（以太网）和Modbus RTU（串行RS485）进行现场总线集成，通过标准以太网、Wi-Fi、BLE实现工业互联网连接，通过Arduino Cloud进行实时远程监控，支持OTA固件更新和设备管理。

根据Arduino业务负责人在LinkedIn帖子上发布的信息，Opta售价将低于200欧元，精简版本的起步价为122欧元。

工程师们展示了使用Opta实现工业自动化和楼宇控制的案例。比如将Opta与称重传感器、视觉系统结合使用，完成包装箱在传送带上的运输和填充。

Opta使用网络时间协议NTP进行时钟同步，并自动在包装上打印时间信息。Opta的实时监控通过BLE接入本地HMI，或者直连Arduino Cloud完成。其内置的机器学习算法可以检测异常情况的发生，并基于预测性维护来确保产线无忧。

工业设备白盒化的推进，亦将对行业格局产生深远影响。通过其搭载的多种连接功能和机器学习，Opta的推出解锁了大量IT工程师实现OT工业控制的能力，也让很多OT工程师能够轻松调用丰富的IT资源。

车同轨，IT与OT走向真正融合

时间敏感网络对于工业领域的应用至关重要。日常生活中，几乎每个人都使用过标准以太网或者Wi-Fi网络进行通信，在我们下载超大文件或者进行语音通话的过程中，可能会出现丢包、变慢或卡顿的情况。这些问题在平时可能没什么大不了，但是一旦类似问题发生于工厂车间，就可能导致严重事故或者人身危险。

因此在工业领域，用户对于通信的低延迟和确定性有着很严苛的要求，可行方案是通过引入时间敏感网络来解决这个问题。

Marvell新推出了将标准以太网引入工业环境的芯片，具体方案由Prestera交换机和Alaska PHY收发器组成，借助TSN将标准以太网扩展到工厂的车间中。

这一系列芯片的发布，具有里程碑式的意义。一般意义上的工业以太网，都对标准以太网协议进行了某种定制，不是真正意义上的使用以太网以及标准IP技术进行通讯。

该系列芯片的问世表明标准互联网协议IP进入工业体系的时机趋近成熟，一颗芯片可以同时支持IT与OT多种通讯需求，从而降低了成本，IT与OT正在走向真正的融合。根据研究机构预测，到2026年基于TSN的工业以太网交换机，其市场占有率将从不到15%增长到趋近50%，工业以太网的总市场规模也将攀升至17亿美元。

考虑到工业通讯设备的生命周期普遍长达20~30年，因此基于标准IT技术的以太网引入工业尚需时日，不过一旦标准以太网在工业领域普及，将会引发更大范围的变化。

因为IT网络具备更加全面的特性与功能，具有总体拥有成本低、使用简单的明显优势。使用非标准的工业通讯协议，芯片价格在几欧元的量级，而TSN和标准以太网的芯片，售价存在缩减到十分之一的潜力。况且通用的网络、存储、计算资源更为经济，过去庞大的工业网络基础设施投入的必要性正在减弱。

可以预测，TSN与标准IP技术的结合，将为IT与OT的融合建立统一的通讯“高速公路”。

书同文，OPC UA触达现场层

在文章《TSN联手OPC UA，将是阿里、腾讯、华为们直达工业4.0的特快通道》中，我曾经提到过OPC UA over TSN的重要作用。

TSN与OPC UA联手，正在尝试改写工业通讯的底层架构。由TSN与OPC UA铺成的“特快通道”，有可能让一直在工业物联网领域悬空的互联网企业、IT企业们直达工业现场层。

OPC UA是OPC基金会提供的新一代技术，提供安全、可靠并独立于厂商的数据传输，跨越制造层级、生产计划层级和ERP层级。通过OPC UA ，所有需要的数据信息在任何时间、任何地点、对每个授权的应用、每个授权的人员都可使用。这种功能独立于制造厂商的原始应用、编程语言和操作系统等软硬件属性。

OPC UA over TSN，其中TSN解决数据获得的问题，OPC UA解决语义解析的问题。两者搭配，传统工业的金字塔架构在很大概率上会被直接打破，变成扁平化结构，不用再经过层层设备，数据获得可以直接“跳步”贯穿到数据分析和应用。

如今，OPC UA over TSN 又有了最新进展。Analog Devices、ARM、亚马逊云服务、贝加莱、施耐德电气和德州仪器等公司，正在一起合作基于开源实时操作系统FreeRTOS构建OPC UA over TSN。

原本OPC UA 仅能覆盖内含CPU的控制设备，比如PLC、工业PC、HMI人机界面或者SCADA，因其对设备的算力和内存具有较高的要求。而本项行动的重点恰恰是将OPC UA over TSN的能力进一步下沉，从控制器、工业PC、HMI等设备，继续下探到功耗和算力更加受限的传感器和执行器。

该行动将解锁大量的现场设备对OPC UA over TSN的支持，从而在整个工业体系中建立更加广泛的生态系统，也就是将OPC UA over TSN这条IT企业直达工业现场的特快通道，修建得更加彻底。

OPC UA作为一种数据传输的统一格式，无论是传感器层还是云平台层都可以部署，保持全栈信息模型的统一。因为无论产品类型、品牌和功能等差异如何存在，均可轻而易举的实现从下到上的贯穿和整合。

写在最后

白盒化、车同轨、书同文，工业企业如何把握这些机遇？

AI+工业互联网，作为产业智能化的新范式，将怎样推进企业的数字化转型？

后疫情时代，工业企业实现高质量发展的手段有哪些？

为了更好的回答上述问题，2022年12月7日，一年一度的产业盛会【中国AIoT产业年会暨2023智能产业前瞻洞察大典】将在深圳召开。

在年会中，我们即将发布《2023年中国AIoT产业全景图谱——工业互联网子图谱》，并且围绕工业互联网的最新发展趋势，我们特别设置了系列演讲环节，分享和交流前瞻的产业方向、技术趋势以及应用场景实践经验，为产业升级发展提供新价值、提供新动力。