最详细的工业网络通讯技术与协议总结解读（现场总线、工业以太网、工业无线）

黎峰吖

工业网络协议构成了工业网络设备之间通信的基础，而在过去的几十年里人们开发了很多工业特有的网络协议，每种协议都针对特定用途和环境而设计。

前面我们总结了工业领域常用的一些总线与协议：
最全整理工业通讯上的领域各种总线+协议+规范+接口—数据采集与控制

史上最全网络通讯(IIOT、工业控制、5G、区块链)协议全景图

对于很多非专业人士或者行业小白来说，可能不够体系，因此今天我们再从现场总线，工业以太网，工业无线三个方面，来整体阐述工业网络与常用协议，期待让IT和OT专业人士和小白都能有一个比较清晰的认识~

01 工业网络与协议综述

02 现场总线、工业以太网和工业无线总结

03 IT/OT网络与工业网络的规划与选型

01 工业网络与协议综述

工业网络对于工厂的运营而言至关重要。工业网络汇集了成千上万用于控制和监测的终端节点，通常会在恶劣的环境下运行，所以对于连接性能和通信有着严格的要求。

下图概括出它的主要应用领域以及今天在这些领域中的各种可用协议。工业物联网 (IIoT) 的出现以及无线和以太网的全新连接能力，正在改变这类协议的环境。

但是对于非业内人士和小白来说，面对各种杂乱的工业协议，总是充满了无奈，因此在今天的入门介绍中，我们将探究工业环境中所使用的一些关键协议，并对促使这类协议演变从而支持下一代工业环境的新兴趋势进行评价。

首先，工业网络最典型的架构还是下图的制造业金字塔，美国标准院推荐了一种常用的参考模型（ISA-95），用于开发自动化企业和控制系统之间的接口。它为信息交换提供了标准，减少了 MES- ERP 集成的费用，与产品的生命周期管理协同工作。由于可以提供生产能力和状态，提高了生产制造的灵活性，提供了一套信息集成的架构和标准模型。这样定义了 ERP 和 MES 的界限和信息流。

关于其中的工业网络层级，我们前面就专门进行了介绍，让大家先有一个比较宏观的概念，对于理解自动化，信息化和数字化也有很好的帮助~

工业通讯网络层级全解读，解析工业网络的自动化金字塔

总的来说，可以分为以下几个层级：

1.现场层——这个层面由大量的传感器和执行器节点构成。传感器节点通常会收集环境或过程控制信息，并将它们传送回控制器或用于监控。执行器会将从控制器接收的指令转化为现场设备电机的实际动作。

2.控制层——即逻辑控制器，可以是分布式的，也可以是集中式的，它们对传感器/执行器的数据进行汇总，然后输送到更大规模的工厂控制系统。通常还可以使用可编程逻辑控制器 (PLC) 或分布式控制系统 (DCS) 为工厂中的特定域组提供局部控制。它们会执行逻辑、排序、计时、计数和计算等各类机器或过程指令，通过数字或模拟模块进行控制。

3.SCADA层——这个层面包括配备人机界面的各类工厂控制系统，用于管理工厂运营。监控和数据采集 (SCADA) 系统向操作人员报告各类信息，提供针对警报的连续远程监控以及整个托管系统的综合视图。这个层面的主要功能还包括数据处理、日志记录和历史趋势分析等。

4.执行与规划层——负责工程和生产的执行。生产执行系统 (MES) 会负责执行资源和设备调度，并制定在制品 (WIP) 操作规范以及一般工作计划。这个层面是业务优先级和操作系统之间的接口。采购、库存、需求规划以及预测管理等与企业和规划相关的职能，是这个层面中企业资源规划 (ERP) 系统所负责的关键职能。

02 现场总线、工业以太网和工业无线总结

工业网络的严格要求在历史上推动了各种私有协议和应用专属协议的产生。有线和无线网络都有专属的协议集。尽管可用的协议有很多，但大多数有线协议都遵循两个标准：现场总线或者工业以太网。

在当代，无线连接降低网络成本的潜力日益凸显，Wi-Fi、蜂窝网络、蓝牙以及 ZigBee 等协议都得到不同程度的应用。 此外，IO-Link，一种串行接口点对点协议，在智能传感器之类的应用中也在逐渐普及。不过随着工业互联网、工业4.0等概念的深入人心，纷繁复杂的各种工业总线，协议等制约了整个设备联网，数据采集的进程~

下面列举了一些工业领域非常想见的工业通讯协议。整体上讲，工业通讯分为有线通信和无线通信。其中有线通讯技术包括了现场总线，工业以太网等工业无线则包括了Wi-FI、LoRA等等我们常见的协议下面我们就现场总线、工业以太网和工业无线三个方面来和大家探究下~

现场总线是一系列工业网络协议的总称，主要用于实时分布式控制，目前的工业总线网络可归为485网络和FieldBUS现场总线网络。我们先说一说RS 485和与它关系密切的RS 422和RS 2325之间的特点：
现场总线相比传统I/O通信的最大优势在于它可以大幅缩减工厂的供电线路。下表罗列出了常见现场总线各种协议及其相应特点。它们各自的优点、缺点以及适用性也有提及。简单可靠是现场总线最重要的特征，在工业以太网兴起之前，它成为了工业网络的首选

原文链接：http://www.zizhiguanjia.net/zixun/1586.html

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1.   工业物联网通信领域三大主流技术的分类说明：
    工业以太网、现场总线、工业无线是目前工业物联网通信领域的三大主流技术；将现场总线、以太网、无线技术融合到控制网络中，保证了系统的稳定，增强了系统的开放性和互操作性，完善了信息服务；
1.1.  工业以太网：
    速度快,可达100MBPS~1GBPS,可传送大数据包，通过网线（专用4对双绞线）或光纤通信，用于控制器、人机界面、编程器、现场总线网关等设备之间通信，以太网缺点：IO模块需以太网接口，模块成本高；通信距离短<100米，换光纤，需光端机，增加成本；布线为星型拓扑结构，布线麻烦，布线成本高；需多网口交换机，成本高；基于以太网技术的Ethernet、Profinet总线协议，可以通过网线串接连接，但布线、接口成本更高，“串接连接”会使一个节点故障会影响其他节点通信。
1.2.  工业无线：
    由于无线通信易受干扰，通信稳定性不确定，工业自动化行业一般都倾向用有线通信；
（1）LoRa无线网络：
   可自组网、自中继、Web页面可视化监控调试的LoRaWeb(Long RangeRadio)远距离无线电网络系统，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。
   通信协议与RS485双绞线总线通信协议网络一样，主要分主模块、从模块；
  一个LoRaWeb网络内只能有一个主模块（LRWMst），多个从模块（LRWSlv），多个中继模块（LRWRpt），主模块通过对从模块的分时轮询进行主模块问从模块答数据通信，是一种低速通信网络；
（2）WiFi无线网络：
   速度快，可达10MBPS~100MBPS,大容量WiFi无线局域网，多节点(1~65532），可Web页面调试，主要分主模块、从模块，主模块和从模块通信方式为并发方式，不需要分时轮询发送，速度快。
1.3.  工业现场总线：
    速度一般1MBPS左右，传送小数据包，通过屏蔽双绞线并接通信，“并接通信”任一个节点故障不会影响其他节点通信，传送距离远，接口成本低，抗干扰能力强，实时性好，用于控制器、现场总线网关、现场总线仪表、现场总线执行机构、变频器、远程IO模块、现场总线中继器等设备之间通信；
（1）现场总线标准：
   目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立；较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN高层协议的CANWeb和CANOpen、DeviceNet、LONWORKS现场总线、PROFIBUS DP现场总线、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE总线等。
（2）现场总线的优点：
一对双绞线上可串接多个控制节点设备， 便于节省现场线缆、安装费用，节省维护开销；
提高了系统的可靠性，为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。
（3）RS485通信总线：
    在国内外广范使用的RS485通信总线，因为只支持单主站\多IO模块排队轮询问答协议，IO模块设备多时，实时性不能保证， RS485长距离通信易丢包、易被干扰，RS485通信不能称为 正真意义上的“现场总线”。
（4）CAN总线：
   CAN总线不是现场总线，CAN总线编程复杂，需对CAN包拆包、并包，对Id的过滤进行设置，并需对通信总线的负载、丢包(通信质量)进行监视管理，以及考虑怎样与用户的控制器交换数据；能封装这些功能的的CAN总线的高层协议是现场总线，如CANWeb、CANOpen、DeviceNet、J1939、ISO11783、CANKingdom、SDS、iCAN等CAN高层协议。


2.   国内现场总线的应用状况及问题：
    在大型石化企业，由于投资方为外方或引进设备的原因，现场总线应用比较广泛，如上海赛科（现场仪表设备总共54025台，其中现场总线设备14375台,占26.6%）、南海中海油壳牌（现场仪表设备有大约60000个节点，共使用了16000个左右的现场总线设备）；
    在中小型自动化项目中,特别在以国产仪表、国产DCS、PLC的控制系统，鲜有现场总线产品，偶尔也会配几个“远程IO模块”，几乎没有“现场总线仪表”或“现场总线执行机构”；
    网络搜“现场总线仪表”或“现场总线执行机构”，基本搜不到国内的产品；
   现场总线肯定是自动化发展的趋势，但在国内却发展缓慢，啥原因？一句话，国外的现场总线技术不适应中国国情。
2.1.  开发成本高、开发技术门槛高：
国外的现场总线开发需昂贵的开发工具软件，授权费，开发文档复杂难懂，开发过CANOpen的开发人员一定深有体会的；
2.2.  硬件成本高，没有能正真降低工程成本：
由于国内的现场总线技术基本为国外公司垄断，节点成本高，网关成本高，中继器成本高，甚至连简单的屏蔽通信双绞线都是高价格；有的现场总线开发商为取得垄断高利润，推出专用现场总线芯片，总线接口芯片价格高于设备主芯片是常态，如：Profibus DP现场总线协议芯片SPC3价格需70元，DP程序的开发也比较复杂，PROFINET芯片TPS-1价格需130元，EtherCATIO模块控制芯片AX58100需60元！！！
2.3.  使用、配置、调试、测试、管理不方便：
硬接线的设备调试直观、简单，现场总线设备的调试比较专业，有的还需要专门调试工具，后期最终用户的维护都会比预期麻烦；
建议 将现场总线节点管理功能和实时数据通信功能进行分离，并简化节点管理功能并使能可视化操作，硬件上一体化设计，降低成本；
节点管理功能：含节点列表管理、节点实时数据的监控、强制、远程重启、参数配置、实时自检(IO模块发包数、丢包数、发包间隔时间、实时负载、最大负载、最小负载、温度、断线)等功能；
2.4.  现场总线的可靠性问题： 单总线不可靠
国外一般只有在非常重要的控制系统中才采用冗余设计，国内的控制系统习惯采用冗余设计方案，冗余的现场总线设计成本一般非常贵，单总线大家都会习惯认为不可靠，市场需要一种既支持冗余又价格便宜的总线。
2.5.  和现成控制器接口网关成本高及技术支持不到位：
现场总线最后都得和用户的控制器或计算机高速连接，特别是国产的控制系统，价格合适的网关和与国产控制系统的通信的技术支持是非常重要的。
3.   国产自主CANWeb现场总线网络结构：
    CANWeb现场总线(缩写CNW)结合CAN总线、以太网的优点，将节点管理功能和实时数据通信功能分离，Web页面监控节点通信负载及通信质量，Web页面调试节点及配置参数；不同于主从问答通信，CANWeb是触发小包通信，检测到节点信号变化即发送，实时性更好，通信负载小；用于替代RS485通信，CANWeb节点价格与RS485类似，但驱动节点的数量、通信速度、距离、可靠性大大加强，CANWeb总线为双绞线或光纤串接通信，布线、接口成本低，总线可选冗余、多主站，已应用于高可靠性DCS系统；一根CANWeb现场总线可带99个远程节点模块，实时性强(40米内1000Kbps可达1毫秒响应)，传输距离远(5Kbps可达10公里)，CANWeb总线IO模块比以太网、RS485总线IO模块更适用于大型、分散式控制系统工程；
    CANWeb现场总线基本配置需 1个网关+多个节点，通过CANWeb网关的以太网Web页面，可视化完成节点管理功能：含节点列表管理、节点实时数据的监控、强制、远程重启、参数配置、实时自检(IO模块发包数、丢包数、发包间隔时间、实时负载、最大负载、最小负载、温度、断线)等功能；
    与控制器的实时数据通信功能：CANWeb网关可支持冗余的以太网及RS485_Modbus、Profibus DP、EtherCAT等协议，很容易和PLC、DCS、上位机等设备高速交换通信，提供与控制器及上位软件通信的说明及案例。
    CANWeb网关自动通过CAN总线与串接的多个IO节点模块实时交换数据，并将这些数据分配到CANWeb网关模块存储空间不同的地址中（用户不需要了解CAN协议），用户只需与CANWeb网关模块通信，通过一、二个Modbus命令，就可以监控多个不同的IO模块设备。

现场总线控制系统网络结构分3层：MMI层(人机界面)、控制器层、IO总线层
以太网IP编号（IP最后一个BYTE）的分配：
（1）人机界面MMI层： 101~149
（2）控制器层DPU：01~49，对应冗余模块51~99
（3）IO总线层GW：151~199，对应冗余模块 201~249
IO总线层：通过冗余双光纤可组网成高可靠、分散的FCS系统