装配技术是美妙的，但不是完美的。在某种程度上，每种技术过程都有缺点。
通常，问题与连接设置有关，无论是简单的机器，还是制造商在一个或多个工厂中实现工业物联网(IIoT)所使用的最先进设备。在后一种情况下，挑战水平与需要连接的机器、控制、执行器、工具和传感器的数量直接相关。
Weidmüller Interface GmbH & Co. KG的工业以太网无源战略产品经理Klaus Leuchs说:“自动化有几个层次，最下面的两个控制和场是与制造商实施工业物联网最相关的。”“问题是，公司在每个级别都有不同的系统，这导致了设备之间的通信中断和更高的基础设施成本。”
Leuchs指出，工业以太网多年来一直是控制级设备(包括plc)的既定通信手段。然而，在现场层面，传感器、执行器和硬件占主导地位，仍然需要带接口卡的现场总线网络。使用以太网时，需要使用网关连接两个级别。为了通过所有自动化级别获得无缝通信，需要在现场级别使用以太网。
“在今年的汉诺威工业博览会上，当我们讨论在其现场级设备中实现单对以太网(SPE)的必要性时，来自制造商的反馈是积极的，”SPE的制造商Leuchs指出。“兴趣来自世界各地的公司，他们非常愿意这样做。我们希望在2023年或2024年的某个时候看到大幅增长。”
无论这种情况是否发生或何时发生，制造商在创建未来工厂时仍然需要实现与最新通信标准和协议兼容的组装设备，以确保最佳性能。其中最需要理解的是工业以太网、Profinet、IO-Link、CC-Link和OPC UA。
工业以太网
工业以太网不是一个简单的标准，而是一个涵盖性术语，指的是一组基于标准以太网硬件(物理和数据链路层)、Internet协议(网络和传输层)和专有应用层的以太网协议。常用的以太网协议包括EtherCAT、Ethernet /IP、Profinet和SERCOS III。
Leuchs解释说:“办公室使用的标准以太网并不适合工厂车间，因为我们需要更快的响应时间，以及电缆和连接器的容易安装。”“通过以太网协议，制造商可以创建一个确定性的环境，在这个环境中，预设数量的数据可以保证在特定的时间和地点为特定的操作发送和接收。”
这些协议通过使用一种称为开放软件/修改以太网的体系结构来实现确定性。该体系结构基于标准以太网和附加的硬件，每个协议使用不同的硬件和传输机制。
工业以太网与标准以太网的另一个不同之处在于使用了坚固的电缆和连接器，以承受恶劣的环境条件。这种设备可能还需要特定的屏蔽、接地和过滤来处理工厂设置的电磁噪声。
Leuchs说，近年来工业物联网和工业4.0的重要性日益增加，要求在现场级别采用以太网解决方案。自2019年11月成立以来，SPE系统联盟一直致力于这方面的工作，包括系统和组件标准化，特别强调连接器。
“向SPE发展的趋势是不可否认的;唯一的讨论点是将使用哪种连接器标准，以及哪种连接器最符合该标准，”Leuchs认为。“我们的观点是，IEC 63171-2/-5标准提供了最广泛的产品组合，并得到多个连接器制造商的支持。有各种各样的候选连接器，但我们的SPE补丁电缆的优点是，它符合IEC 63171-2，是所有SPE连接器中最紧凑的。”
DeviceNet于20世纪90年代引入，多年来一直很受欢迎，因为它是一个设备级网络，具有支持多个供应商的开放协议。然而，在过去十年中，更好的交换技术的出现，以及以太网/IP的健壮性的提高，导致了DeviceNet的实际消亡。许多制造商正在将这些网络转换为以太网/IP，以方便维护和增加控制。
Profinet
PI北美执行董事Michael Bowne表示:“尽管全球工厂已经安装了超过6600万Profibus(过程现场总线)网络设备，Profinet(过程现场网络)协议为制造商提供了装配线上设备之间更快、更灵活的通信。”各公司都知道这一点，这就是为什么自2016年以来，profinet兼容设备的销量每年都超过profibus兼容设备的销量。”
Profibus & Profinet International (PI)在2003年开发了Profinet，距离BMBF(德国教育和研究部)创建并开始推广Profibus标准已有近25年。Bowne表示，profinet兼容的控制器和设备之间可以轻松地交换数据。控制器可以是plc、分布式控制系统或可编程自动化控制器;设备包括I/O块、视觉系统、RFID阅读器、驱动器、过程仪器、代理甚至其他控制器。
Bowne说:“Profinet很重要，因为它为最终用户提供了更多的工厂功能。”“得益于该协议的先进机制，一个重要的挑战是执行诊断。警报、HMI屏幕、专用工具和标准IT协议都可以帮助制造商进行故障排除，以防止停机。”
同步运动控制和实现人与资产的功能安全是另外两个好处。另一个是通用性，因为该协议可以通过标准的铜或光纤电缆运行，也可以通过Wi-Fi和蓝牙进行无线传输。
由于基于以太网，Profinet以每秒100兆的速度运行，一直到千兆以太网甚至更高。利用基于以太网的通信使该协议能够提供比Profibus更高的带宽和更大的消息大小。
PI每年进行审计，统计新Profibus和Profinet设备的销售情况。2016年，Profinet的销量首次超过Profibus: 360万台，而Profibus的销量为240万台。5年后，根据Bowne的说法，差异更大了:Profinet设备850万台，Profibus设备150万台。
“在许多工厂，制造商必须建立现场总线和以太网网络之间的通信，”Bowne指出。Profibus-to-Profinet代理通过将Profibus设备数据转换到Profinet协议来确保这种通信是无缝的。
IO-Link
随着制造商寻找提高生产效率和减少浪费的方法，传感器在装配线上扮演了一个新的角色。几十年来，传感器只用于提供检测或测量数据，以便PLC处理和运行机器。
如今，io - link兼容的传感器可以测量环境条件，如温度、湿度、环境压力、振动、倾角、工作时间和信号强度。它们还允许操作人员设置报警阈值，这样PLC就可以使用产生的状态监测数据来保持机器平稳运行。
Bowne说:“数据是‘新黄金’，它能使制造商充分利用每一点可能的额外设备效率。”“IO-Link通过将简单的传感器转化为智能传感器，提供了更多有用的数据。例如，IO-Link接近传感器不再简单地告诉操作人员某件物品是否存在。如果流水线上有某种尺寸或颜色的产品，它也会提供一些数据。”
自2006年以来，制造商一直受益于IO-Link兼容的传感器和执行器，当时通过IO-Link联盟和PI的合作论坛开发了接口。IO-Link是一个开放标准(IEC61131-9)，是独立于现场总线的，可以集成到全球所有现场总线系统中。这些特点说明了它在各种规模的制造商和机器制造商中越来越受欢迎。
他们特别喜欢该标准允许传感器、执行器和其他支持IO-Link并连接到主设备的设备之间进行双向和透明的数据交换。Bowne表示，基于广泛使用的三线电缆连接实现点对点通信也非常有吸引力，而且具有成本效益。
其他优势包括标准化和减少布线，以及实时远程配置和监控。后者允许操作人员在装配线上出现问题时进行处理，因此可以在问题升级并导致生产线关闭之前进行解决。
由于数字和模拟传感器的通信介质是相同的，因此安装和调试时间也大大提高。同样重要的是，IO-Link接口可以帮助工程师确定设备是否正常运行，并识别任何故障，或通过在正确的时间更换设备来避免故障。
化工
与工业以太网类似，CC-Link不是一个单一的实体。相反，它是一组开放技术的自动化网络，使众多制造商的设备能够进行通信。
最初的CC-Link现场总线网络基于串行通信，于2000年发布。CC-Link IE(工业以太网)出现于2008年，是第一个基于每秒1千兆以太网的开放网络标准。CC-Link合作伙伴协会(CLPA)的全球战略顾问Thomas Burke指出，CC-Link和CC-Link IE都获得了来自IEC、ISO和半导体设备与材料国际的认证。
CC-Link以高速确定的方式处理各种设备之间的控制和生产数据。这些包括工业pc, plc，机器人，伺服，驱动器，阀歧管，数字和模拟I/O模块。伯克还表示，其他设备包括温度和质量流量控制器，以及条形码和RFID阅读器。
CC-Link的主要优点包括具有简单的内存映射体系结构，以及支持大量数据的快速吞吐量。它还允许公司绕过不工作的网络设备，而不中断网络流量。
CC-Link IE以确定的方式跨多个设备集成了通用、同步运动和安全控制通信。它的双绞线拓扑结构增加了系统配置的灵活性，降低了安装成本。综合的诊断功能最大限度地减少控制系统的中断，同时电缆的抗噪声性能确保通信完整性。
为了满足智能工厂日益增长的趋势，CLPA于2018年12月开发了CC-Link IE TSN(时间敏感网络)规范。该规范在开放系统互连模型的第二层运行，支持传输控制协议/互联网协议流量、无线通信以及在标准以太网基础设施上集成第三方网络协议。
伯克说，TSN与使用简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol)接口来排除网络设备故障的诊断软件协同工作很好。该规范还支持对网络事件错误进行时间戳处理，以帮助评估其实际原因。
“TSN发展了传统以太网，而不是颠覆现状，”CLPA成员瑞萨电子(Renesas Electronics)的业务发展经理Arno Stock表示。“这意味着TSN与传统标准兼容，(同时)容纳融合架构产生的更多网络设备和节点。混合TSN和千兆以太网的其他优势包括更短的周期时间，提高控制回路的精度和精确度，以及网络传输各种类型数据的能力，如视频。”
OPC UA
线材加工机制造商几十年来一直在开发专有接口，但这个时代可能很快就要结束了。的原因吗?德国机械工程协会VDMA的一个小组正致力于开发基于OPC统一架构(OPC UA) IEC 62541标准的自动化设备间通信标准。
“全球数千家工厂的设备都与1996年引入的OPC Classic接口兼容，”工业物联网联盟连接任务小组主席、实时创新公司首席解决方案架构师Rajive Joshi博士指出。“幸运的是，有适配器可以弥合这个接口和OPC UA之间的差距，OPC UA为机器人、plc、印刷机和输送机提供统一的规格和跨平台支持。”
OPC基金会在2006年引入OPC UA有几个原因，包括帮助制造商更容易地在装配线上交换设备。乔希说，跨平台、开源的标准还有助于促进这些设备与高级控制和管理系统之间的通信。一个例子是将数据从传感器发送到云端。
“OPC UA的核心目标是设备互操作性和来自HMIs、历史学家、维护系统、制造执行和企业资源规划系统的访问，”Joshi解释道。“在OPC接口出现之前，制造商直接通过供应商提供的专有接口访问设备。不幸的是，这使得公司依赖于他们控制的特定设备。更糟糕的是，像HMIs这样的高级应用程序无法轻松找到、连接或控制工厂中的各种设备。”
据Joshi说，UA版本具有更好的句法数据类型化和语义信息建模功能。它可以在具有受限硬件资源的设备上实现，如传感器和执行器，并具有到数据分发服务(DDS)框架的标准化网关，用于软件集成和自治。
OPC UA将系统软件分为客户端和服务器，在它们彼此通信之前，可能使用X.509 Web标准证书进行身份验证。客户端是连接并控制一个或多个终端设备的软件。服务器通常驻留在设备上，并提供访问设备的方式。每个制造商必须提供一个服务器来连接到特定的设备。
