用于工业 4.0 的通信协议都有哪些
IIoT 是所谓的智能工厂（第四次工业革命的新型先进制造单元）的基础。智能传感器、超高速连接和人工智能算法是这一工业电子新视角的支柱。通信协议是智能设备之间或设备与服务器（有时是云服务）之间交换信息的主导因素。以下是最常用协议的概述和分析，可帮助您了解何时应采用一种而非另一种协议。
通信协议是计算机网络的基础，计算机网络是一组具有处理能力的设备，能够通过物理通信手段（有线系统或无线系统）远程交换数据和信息。
ISO 标准国际组织采用 OSI（开放系统互连）模型，即现在的 ISO/OSI 模型，该模型定义了构成网络堆栈的各层。
ISO/OSI 模型
该模型旨在通过分组交换实现计算机网络两个节点之间的数据交换。ISO/OSI 模型的结构是一个由 7 个逻辑层组成的堆栈，其中每一层都要解决一个特定的通信问题；这样，每一层的任务都有明确的定义，一层的数据包构成了上一层的信息有效载荷，而上一层将添加一个元数据头，这对执行其功能至关重要。
ISO/OSI 模型的层级从低到高如下：
1 - 物理层：定义通信的物理方式、电压电平和传输信号的波形。
2 - 数据链路层：允许发送同步数据流，检查（并可能解决）错误，以便为下一层提供可靠的传输通道。
3 - 网络层：允许使用数据通道，而无需考虑所使用的传输介质，并负责寻址和路由功能。
4 - 传输层：允许透明、可靠的数据传输，建立并维护连接。
5 - 会话层：维护应用程序之间的连接。
6 - 表达层：处理应用程序之间的标准化通信，并提供加密或数据压缩等服务。
7 - 应用程序级：允许用户应用程序与网络流连接。
现场总线
工业领域使用所谓的现场总线或有线通信线路由来已久。它们专门用于工业网络中传感器、执行器和智能系统之间的数据交换。
据 HMS 工业网络公司估计，2020 年使用这种通信方式的设备将增加 30%。
最著名、最常用的现场总线之一是 PROFIBUS（过程现场总线），它诞生于上世纪 80 年代末。西门子是参与这项技术开发的公司之一，后来这项技术在 IEC 61158 中公开并标准化。PROFIBUS 是一种单主多从的现场总线，其规范包括物理层、数据链路层和应用层的实施。物理层可以是标准的 RS485 总线（阻抗调整为 150 欧姆，波特率从 9.6 kbps 到 12 Mbps 不等，连接距离可达 1200 米）、曼彻斯特总线或光纤（连接距离可达 15 千米），而数据链路层则需要使用主从令牌环协议。
在同一时期，博世设计并实施了 CANBUS（控制器区域网络总线），这是一种基于信息交换的强大协议。CANBUS 用于汽车领域，因为该领域需要减少布线，并获得不受电气干扰的通信。物理线路是一条差分总线，并发访问由地址优先机制（所有节点在同时传输时都会监听信道：如果它们发现信道上有优先级更高的信息，就会立即中断传输，释放信道）来保证。CANBUS 规定了物理层（ISO 11898）、传输层和应用层（其中详细规定了过滤和报文处理）。
MODBUS 是另一种较早的（在某些方面受到限制的）现场总线，是 70 年代末为使用 PLC 的工业应用而创建的多从属单主协议。在 MODBUS 规范中，物理输出是一个线圈（指继电器的线圈），而输入是一个离散元件或触点；随着时间的推移，虚拟输入和输出（寄存器）也被添加进来，但由于其实施简单，MODBUS 仍然是工业领域使用最广泛的总线之一。当我们谈论 MODBUS 时，我们指的是一种已被移植到多种物理总线上并有多种实现方式的协议。最常见的是 MODBUS RTU，它依赖于 RS485 总线，波特率从 4800 bps 到 115200 bps 不等，可由带有串行通信线路的简单微控制器实现。
工业以太网
工业以太网（IE）是指在工业环境中使用以太网协议。使用该技术的设备通过增加适合流程和工业环境的功能来实现以太网层，例如适合温度和机械需求的组件以及低延迟（实时）协议。工业以太网的使用正在迅速增长，并继续从现场总线中抢夺市场份额。
PROFINET （过程现场网络）是 2002 年由 IEC 61158 标准化的一项技术，是 PROFIBUS 的一种基于以太网的实现方式。该系统由 IO 控制器（负责自动化）、IO 设备（执行器和传感器）以及可选的 IO 监控器（系统管理软件）组成。
以太网/IP（工业协议）是另一种基于工业以太网的竞争产品，它将通用工业协议（CIP）改编为以太网协议。Ethernet/IP 实现了 ISO/OSI 模型的第 5、6 和 7 级，并将 CIP 对象模型用于自动化流程、不同设备之间的互操作性和实时数据处理。此外，以太网/IP 还智能地使用 TCP/IP（带连接的协议）和 UDP（不带连接的协议），以优化执行和传感的资源和时间。
与 MODBUS RTU 类似，MODBUS TCP（2007 年 IEC 61158 标准化）也用于与现场设备通信，但使用的是工业以太网。该技术解决了许多与其前身 RS485 限制相关的问题，如通信速度、网络上从属节点的最大数量或报告协议异常的能力。尽管有了这些改进，MODBUS TCP 仍保持了其前身的简洁性，这也使其成为工业中使用最广泛的通信协议之一。
无线通信
近年来，工业领域出现了结构化的无线通信。这类技术有很多：经典的 ZigBee（长期用于传感器网络应用）、LoRa 和 LoRaWAN（物理层和上层）、蓝牙和 BLE（可用于网状网络）、6LowPan、DUST、NB-IoT、Thread 只是其中的几个例子。
所有这些技术大多可用于 IIoT 智能设备之间或网关与现场设备之间的连接。至于广域通信，也可以使用 LTE 或新的 5G 等无线技术。
结论
市场可以提供多种连接工业设备的方法，以提高其可配置性、控制和管理能力。COOLNIO的工程师们只需选择最适合各种用例的技术，就能快速开发出尖端、可扩展和面向未来的工业解决方案。
IIoT 是所谓的智能工厂（第四次工业革命的新型先进制造单元）的基础。智能传感器、超高速连接和人工智能算法是这一工业电子新视角的支柱。通信协议是智能设备之间或设备与服务器（有时是云服务）之间交换信息的主导因素。以下是最常用协议的概述和分析，可帮助您了解何时应采用一种而非另一种协议。
通信协议是计算机网络的基础，计算机网络是一组具有处理能力的设备，能够通过物理通信手段（有线系统或无线系统）远程交换数据和信息。
ISO 标准国际组织采用 OSI（开放系统互连）模型，即现在的 ISO/OSI 模型，该模型定义了构成网络堆栈的各层。
ISO/OSI 模型
该模型旨在通过分组交换实现计算机网络两个节点之间的数据交换。ISO/OSI 模型的结构是一个由 7 个逻辑层组成的堆栈，其中每一层都要解决一个特定的通信问题；这样，每一层的任务都有明确的定义，一层的数据包构成了上一层的信息有效载荷，而上一层将添加一个元数据头，这对执行其功能至关重要。
ISO/OSI 模型的层级从低到高如下：
1 - 物理层：定义通信的物理方式、电压电平和传输信号的波形。
2 - 数据链路层：允许发送同步数据流，检查（并可能解决）错误，以便为下一层提供可靠的传输通道。
3 - 网络层：允许使用数据通道，而无需考虑所使用的传输介质，并负责寻址和路由功能。
4 - 传输层：允许透明、可靠的数据传输，建立并维护连接。
5 - 会话层：维护应用程序之间的连接。
6 - 表达层：处理应用程序之间的标准化通信，并提供加密或数据压缩等服务。
7 - 应用程序级：允许用户应用程序与网络流连接。
现场总线
工业领域使用所谓的现场总线或有线通信线路由来已久。它们专门用于工业网络中传感器、执行器和智能系统之间的数据交换。
据 HMS 工业网络公司估计，2020 年使用这种通信方式的设备将增加 30%。
最著名、最常用的现场总线之一是 PROFIBUS（过程现场总线），它诞生于上世纪 80 年代末。西门子是参与这项技术开发的公司之一，后来这项技术在 IEC 61158 中公开并标准化。PROFIBUS 是一种单主多从的现场总线，其规范包括物理层、数据链路层和应用层的实施。物理层可以是标准的 RS485 总线（阻抗调整为 150 欧姆，波特率从 9.6 kbps 到 12 Mbps 不等，连接距离可达 1200 米）、曼彻斯特总线或光纤（连接距离可达 15 千米），而数据链路层则需要使用主从令牌环协议。
在同一时期，博世设计并实施了 CANBUS（控制器区域网络总线），这是一种基于信息交换的强大协议。CANBUS 用于汽车领域，因为该领域需要减少布线，并获得不受电气干扰的通信。物理线路是一条差分总线，并发访问由地址优先机制（所有节点在同时传输时都会监听信道：如果它们发现信道上有优先级更高的信息，就会立即中断传输，释放信道）来保证。CANBUS 规定了物理层（ISO 11898）、传输层和应用层（其中详细规定了过滤和报文处理）。
MODBUS 是另一种较早的（在某些方面受到限制的）现场总线，是 70 年代末为使用 PLC 的工业应用而创建的多从属单主协议。在 MODBUS 规范中，物理输出是一个线圈（指继电器的线圈），而输入是一个离散元件或触点；随着时间的推移，虚拟输入和输出（寄存器）也被添加进来，但由于其实施简单，MODBUS 仍然是工业领域使用最广泛的总线之一。当我们谈论 MODBUS 时，我们指的是一种已被移植到多种物理总线上并有多种实现方式的协议。最常见的是 MODBUS RTU，它依赖于 RS485 总线，波特率从 4800 bps 到 115200 bps 不等，可由带有串行通信线路的简单微控制器实现。
工业以太网
工业以太网（IE）是指在工业环境中使用以太网协议。使用该技术的设备通过增加适合流程和工业环境的功能来实现以太网层，例如适合温度和机械需求的组件以及低延迟（实时）协议。工业以太网的使用正在迅速增长，并继续从现场总线中抢夺市场份额。
PROFINET （过程现场网络）是 2002 年由 IEC 61158 标准化的一项技术，是 PROFIBUS 的一种基于以太网的实现方式。该系统由 IO 控制器（负责自动化）、IO 设备（执行器和传感器）以及可选的 IO 监控器（系统管理软件）组成。
以太网/IP（工业协议）是另一种基于工业以太网的竞争产品，它将通用工业协议（CIP）改编为以太网协议。Ethernet/IP 实现了 ISO/OSI 模型的第 5、6 和 7 级，并将 CIP 对象模型用于自动化流程、不同设备之间的互操作性和实时数据处理。此外，以太网/IP 还智能地使用 TCP/IP（带连接的协议）和 UDP（不带连接的协议），以优化执行和传感的资源和时间。
与 MODBUS RTU 类似，MODBUS TCP（2007 年 IEC 61158 标准化）也用于与现场设备通信，但使用的是工业以太网。该技术解决了许多与其前身 RS485 限制相关的问题，如通信速度、网络上从属节点的最大数量或报告协议异常的能力。尽管有了这些改进，MODBUS TCP 仍保持了其前身的简洁性，这也使其成为工业中使用最广泛的通信协议之一。
无线通信
近年来，工业领域出现了结构化的无线通信。这类技术有很多：经典的 ZigBee（长期用于传感器网络应用）、LoRa 和 LoRaWAN（物理层和上层）、蓝牙和 BLE（可用于网状网络）、6LowPan、DUST、NB-IoT、Thread 只是其中的几个例子。
所有这些技术大多可用于 IIoT 智能设备之间或网关与现场设备之间的连接。至于广域通信，也可以使用 LTE 或新的 5G 等无线技术。
结论
市场可以提供多种连接工业设备的方法，以提高其可配置性、控制和管理能力。COOLNIO的工程师们只需选择最适合各种用例的技术，就能快速开发出尖端、可扩展和面向未来的工业解决方案。
