从灰暗走向高光 ：工业4.0通讯的新纪元

随着6g于6月6日颁发5g营业执照，中国5g的发展并不古怪。中国移动2019预计将流入192亿人民币，三大运营商预计将建立80,000至90,000个基站今年（美国目前只有几千），相关数据显示ICToperator5g的数字收益有望在2026年超过1.2万亿美元，其中约2,340亿美元将来自相应的垂直制造业。

 工业正迎来美好的通信时代，工业4.0背后所需的通信系统也开始浮出水面。 工业4.0的新通信 工业4.0首先定义了自己的顶级架构RAMI，它从三个维度叙述了工业4.0的框架并代表了工业4.0上德国的总体学说，中型公司可以在整个系统中找到自己的位置。这是前所未见的融合洪流，需要将虚拟和真正的一切（包括所有全人类，机器，软件和硬件）连接在一起，需要一种新的通信定义来实现这种集成。从西门子和其他国外工业巨头的实践来看，它基本上是基于这种全球化建设的交流框架。

 从忧郁到聚焦：工业4.0通讯的新纪元 图1：工业4.0架构RAMI和通信 （来源：弗劳恩霍夫IOSB-INA和VDMA共同出版的“工业4.0通讯指南”） 但是，作为工业4.0系统中至关重要的子系统的通信不仅需要完成通信系统的实时性能-这很容易被误会为最重要的一点，而更大的挑战是无缝集成所有涵盖的网络。这些网络包括具有严苛确定性要求的本地控制网络，内部工厂运营管理网络，企业生产蓝图和调度网络，并扩展到具有世界连接的跨企业网络。通讯和基于通讯的自组织;网络通讯状况和各种网络管理的集成;同时，有必要制订与以前的升级，迁移，集成和保障不同的复杂实时方针;考虑可能与上游和下游相联系并联络在一起的公司。 要将数据从最底层传感器传输到云，数据需要有多个通道。从工厂车间到最高级别的企业高管，如何通过网络和连接的管道实现无缝的数据通信和集成已成为现实。*现场挑战。 工业4.0需要新的通信方式OPCUA和TSN应声出出。 数字工厂的通信优胜者 从前，工厂里四处都有机器。它们已经存在了很多年，但是它们生成的信息是相互隔绝的。

他们很少“交谈”，很少使用。但是，在离散工厂或过程自动化工厂中，信息交换具有各种不同的流类型和传输要求。自动化控制设备与工厂级系统和应用之间存在垂直通信要求，并且控制器，控制器和现场设备（例如执行器，传感器和驱动器）以及输入和输出之间存在一定程度的通信要求。过去，各种类别的现场总线和工业以太网已经首肯了这些不同的通信需要，从而将流量分为了单独的网络。数据“自治”的这种数据治理状况的形成具有其历史必然性，但目前正成为限制所有互连的“轭”。 OPCUA作为工厂级别的世界语建筑物设备出现。 近年来，开放平台通信OPCUA统一框架标准的开发始终处于领先地位。在2017年底，德国机械制造协会VDMA和弗劳恩霍夫IOSB发布了如何介绍OPCUA及其对中小型机器制造企业性的方针。该指南明确强调OPCUA并不是另一个标准。

自动实时通信，但建立附加通信通道的工具，用于在信息岛的当前设备之间以及由不同制造商生产的整个设备之间提供机器和组件统一通信。 OPCUA不能替代现有的通讯协议，而是一种实现统一通讯对话的工具，换句话说，这次来的人不是为田地而战，而是具有说服力的使者。设备从黑暗的地方，甚至黑暗的角落，始终到光辉的一天。 从传感器到设备再到云，这是火焰山的凶险方法。在此过程中需要解决的问题包括：统一语义（各种通关文牒），实时（快速操作），大数据传输（大尺码），大量并发（拥挤），异构数据（不同的肤色）。OPCUA是面向服务的体系构造SOA，它标准了机器数据（例如设备描述），测量值，参数和控制变量），已经成为xitian学习的重要法宝，但只能解决顶部的问题。对于底部的数据，就像来自峡谷的许多军队一样。网络系统如何参与？ 时间敏感的网络TSN已经存在，它提供了一种网络弹性确保机制来响应不同数据响应速度要求的特点。例如，在现代工厂控制中，存在大量的实时数据通信和控制，由许多监视器进行监视以及各种无线数据以形成现场数据形式。拥挤的跑道充满了结构化的实时信息和非结构化的信息（例如音频和视频流）以及其他不同类别的数据，需要较高的数据同步精度。

可以使用TSN功能根据信息传输的优先级进行协调，以确保复杂现场条件下各种通信的协调。 从忧郁到聚焦：工业4.0通讯的新纪元 图2：将各种数据压缩到跑道上 可以说TSN在数字全世界中为乌龟和野兔建立了新的地方。乌龟和野兔在同一条赛道上的标准不再是关于谁快和谁慢，而是辨认数据多样性的合理选择。 目前，TSN已经达到实际上使用所需的技术成熟度，并且具有TSN功能的网络组件，通讯处理器，软件和网络管理系统都已可用，其实TSN并不是全新的技术来自AVnu联盟AVB（AudioVideoBridging）音频和视频桥所开发的协议。AVB协议旨在提供具有低延迟的时间同步和带宽预留的流媒体功能，以确保实现音频和视频数据。TSN是AVB的演进，它在原有法则的基础上从根本上扩展了该标准的范围，功能和应用。2017年，工业互联网联盟（IIC）和Avnu联盟宣告将协同推广TSNopen标准的设备部署，这也意味着TSN已在业界赢得广泛认可。 这样，OPCUA坐落较高的位置，而TSN主要座落较低的位置，这两者组成了地板和天花板之间的相互回音。 

 从忧郁到聚焦：工业4.0通讯的新纪元 图3：基于TSN增强行业沟通（来源：西门子） TSN增强了以太网功能，使其更合适工业应用。即使在高网络负载条件下，TSN也可以在机器和工厂之间实现更强大，更可靠的以太网通信。这种可靠性使汽车自动化应用成为可能，并且机械工程和其他行业具有显著的优势。 5g工厂数据视图 OPCUA是基于TSN作为物理层和数据链路层的应用层协议，而以太网是对现有数据链路层协议的改进，目前可以在工厂连接以太网通过有线连接。目前，大多数OPCUA都在有线以太网上运转。但是，作为盼望已久的5G作为无线通信的基本载体，它在工业领域引起了新的创新。利益。 在以引领行业未来而有名的2019年德国汉诺威工业博览会中，5G*以特别展区的形式出现，许多公司进行了集中介绍和介绍。@nz之间的主要区分之一@和上一代蜂巢网络是物联网可以直接应用于机器与5g之间的通信。包括5g和工业5g在内的无线通信将大大提高智能工厂的灵活性，多功能性和生产率。 国际标准化组织3gpp定义了三个主要的5g场景，每个场景都与制造业有关。增强的移动宽带eMBB可用于高流量的高速移动宽带服务，例如增强或虚拟现实3D/超高清video，以及用于智能抄表，智能农业，过程自动化等的大规模机器通信mMTC。超可靠的低延迟通信物联网可用于无人驾驶，工业自动化控制，URLLC，远程制造和其他需要低延迟和高可靠性连接的服务。在所有工业应用中，运动控制都应极具挑战性和苛刻性，这取决移动机器人。 从忧郁到聚焦：工业4.0通讯的新纪元 图4：5g的三种主要方案在未来工厂中的应用（来源：ZVEI） 新的数据自治依次已准备就绪。 看来工厂中的无线数据正处于打算炒锅的情况。5g在制造业中的应用已成为一种期望。一些公司期望将来将5g集成到工业应用中。 但是请稍等，我需要倒一些冷水。5G仍在工厂中，并且仍在奋斗追寻年青的现场应用时代。实质上，这三种主要状况的频率资源不能同时进行。使用标准协议和工业应用进行通信和自适应仍然是相对现实的。 与有线通信系统相比之下，无线系统可以快速突破技术和经济限制，未来在工业生产中将使用大量低成本传感器和执行器，除了有效性的无线系统之外别无选择。.bluetooth和无线局域网都在开发低成本构造，但到目前为止，解决诸如抗干扰，信息安全和响应时间等问题的机制非常有限。单个无线工业解决方案仅限于少数几个频带。因为它只能容纳少量的传感器和执行器，所以不太可能产生不错的经济效果。因此，5g在工业应用中饰演重要角色可能需要5到10年的时间。 ICT当前的清晰度和支持不可避免地会影响舆论的判断。可以统一“设备+连接+云”的意念太简便了。

随着5g的发展，工业Wifi6也已开始成为一支随时随地起程的数据部队，无缝填补了5g留给的空白。在商贸和贸易领域，已实现wifi6技术的设备供应商愈来愈意识到无线技术在工业控制应用中的特殊性。ICT制造商很难意识到工业领域特性中的这种技术歧异。对于设备漫游的实时性和可靠性问题，ICT公司很难通过上层软件，驱动程序和集中控制来解决。许多机器人和AGV无法形成集中式资源，因此需要从设备端和现场端解决问题。ICT从一开始就表现出不同的立场。这些网络设备并不关切控制，而恰恰是设备制造商和ot公司正在关心的地方。 在上海宝武冷轧车间的无人“黑光工厂”中，重型钢卷吊车在黑暗黑暗的工厂高空静默走动，搬运着十多吨的钢卷。令人震惊。感觉到。在黑暗空间中仍然看不见的是许多自动化制造商提供的控制系统的支持，例如西门子。在许多相近的智能制造场景中，可以发现，如果从未可靠的驱动和控制，定位系统和通信系统的协调，很难说通信技术将获得突破，5g的应用和开发将不在工厂级别。例外。 目前，有线和无线帧将长期存在，或许在未来十年左右，我们可以见到一个更好的集成点。 相近地，OPCUA不是*。OPCUA本质上仅是解决机器之间的互连和互操作性，对于更复杂的软件和软件，数据和数据，人员和系统来说是无能为力的，这意味着除了OPCUA，还有大量的连接协议（例如DDS，oneM2M，HTTP）仍需要补充。OPCUA和TSN也越来越多地转移到此机制。专业交流的构造仍然是工厂交流的基础，需要对设备进行透彻的了解。 满足工业4.0要求的通信不能即刻通用。全盘申请可能需要大概十年的时间。对于一个明智的人来说，这似乎有点长，但是考虑到自动化技术的应用需要30到40年，这已经是一个快速的应用。 一切相互交流，使数字企业愈发可靠 数据的魅力已获得确认。在这个5g时代，各种数据都在爆炸式增长，例如叮当散落的串珠。大块的小串珠落在玉板上，随处飞溅的数据需要聚宝盆才能接收。 物联网platform将要成为美妙的船。与国内工业互联网平台担负的中小企业赋权任务不同，外国已经转向与大型企业的战略性合作。德国大众汽车宣布西门子MindSphere将于今年3月成为大众工业云的集成合作同伴，其122家工厂的各种机器和设备将被集成到工业云中，数据透明性和数据分析将为大众汽车更进一步提高生产奠定技术基础效率。

 这个时代最令人印象深深的事情是大技术并发，例如5g，wifi6.0，NB-IoT和物联网大平台，人工智能和其他通信技术正在交叉开发，呼应了大数据时代。。 万物互联的背后是通信时代。 在精益生产系统中，水蜘蛛位置的出现非常有意义。waterspider是生产线上的一个人，专门从事生产板和材质的准备和交付。这些人被称之为“水蜘蛛”，称它们为悬浮在水面上并快速移动的蜘蛛。一方面，日本人叫Mizusumashi。

日本人将领域推向了极致，另一方面，他们非常善于制作名词。日本是制造业背后的病毒式工业文化。水蜘蛛是重要的角色，它可以提高形势感知能力并纠正本地工作站上缺乏的信息。 在未来的智能工厂中，AGV，移动机器人和其他生产材质将与人力，机器，设备和系统一起使用，并且机器或机器人的位置将随时时有发生变化。工厂对于自我指导和高效的工作流程至关重要。 在这种状况下，出现了“数字水蜘蛛”。鉴于位置+自我交换的看法，实时定位系统RTLS开始进入数字工厂。它具有水蜘蛛的感知特性，但可以直接与负责人的管理软件系统对话并可以给出指示。 一方面，移动机器人和自动导引车AGV等智能系统将随时报告其位置和时间信息；并可以将相关对象（例如工件，固定装置，AGV或机器人）绑定到电子标签。标签信号将由上层系统采集，并测量其位置，然后将信息反馈给电子标签。自动化系统和制造组织。