为什么工业现场要搞那么多不同的通讯协定

这个疑问比拟大，我就方便说一说工业畛域外面有不拘一格的通讯协定的关键要素和工业总线的开展历史。

关键观念来自于这本书：书名：Industrial Communication Technology Handbook 版本：第二版 作者：Richard Zurawski。

IEC在1985年曾经想象经过委员会来确定一种惟一的规范化的总线系统，来一致工厂和流程智能化的网络江湖。

然而经过14年的技术和政治奋斗，最终失败了。取而代之的是妥协的产物IEC 61158和IEC 61784-1。咱们来看下IEC 61158规范的画风：

经过各个国度代表长达十几年的争执，最终的总线规范不是一种，而是20种！

惊不惊喜，意不异常？

这就相当于原本地球联盟想要创立一个新的环球语，让一切人不要再从幼儿园到大学辛辛劳苦学外语，结果各国争执了十几年，最终制订的地球言语规范是罗列了二十种如今大家正在经常使用的最盛行的言语。

上方正派答题。

工业和智能楼宇等畛域存在许多种现场总线规范，关键由于如下4个要素：

其中要素1、2是最关键的要素，是内因，要素3、4是无所谓要素，同时也是外因。

首先咱们直观感触下有哪些现场总线：

要素一、工业现场有各种网络拓扑类型

工业总线是数字化的通讯规范，用于取代模拟信号传输，让更多的消息可以在现场设施和高层的控制系统之间启动双向传输。

那双向传输数据是在哪两端之间启动双向传输呢？咱们看下工厂的智能化金字塔模型：

从上图咱们可以看到，工厂里的网络按如实践业务其实分为6层。比如最底层的传感器和口头器须要与PLC或CNC等控制器启动衔接，PLC、CNC与设施主控制器之间也须要组网；更下层的车间里的一切设施须要经过网络相互通讯，在车间级上方是工厂级、企业级的消费消息的网络。

OSI模型提出的年代，有许多计算机网络系统相互不兼容。要是想在不同计算机网络之间相互通讯，就须要投入许多不凡的软件和配件去做网络适配。OSI模型就是要处置这个疑问。

ISO引入了放开系统的概念。放开系统蕴含遵照一组规范的软件组件和配件组件。其实这个与如今的AWS云计算是雷同的情理。AWS经过提供规范化的API接口和服务。边缘计算EdgeX框架和IIC的架构也是雷同的设计思绪。而放开系统定义了规范的软件接口和配件，有了这些规范，就可以保障不同厂商的设施可以相互兼容相互通讯。

为了简化数据传输这个复杂的疑问，OSI模型驳回了严厉的层级化的分层模型。

OSI模型有三个关键的概念：

现场总线协定也是依据ISO/OSI模型来建模的。然而在大局部状况下，实践只用了1、2、7层。这是从MAP的失败中吸取的经验。要是完整成功7层模型，要的资源要多得多，也没法高效的成功。因此MiniMAP和后续的IEC总线规范就只要三层结构：物理层、数据链路层和运行层。

简化的协定层栈反映了许多智能化运行中的实践状况。许多总线都是独立的网络，用中继器最多用网桥来裁减。因此，网络层和传输层（关键用于路由和端到端控制）就不用要了。其余省略掉的层也是雷同情理。总线协定不是太复杂的。因此会话和示意层也不是必需的。

然而也不是一切的总线系统都是1、2、7层架构。有几种总线，明白定义了其余层。特意是在智能楼宇畛域，状况有点不凡。由于智能楼宇外面节点数量泛滥，总线要有才干允许层级化的网络拓扑结构，比如三号楼/二夹层/3号新风系统/某控制器/…。

因此智能楼宇总线只要三层就不正当了。

EIB和KNX就有网络和传输层，用于在层级化的网络拓扑结构中路由和端到端控制。

BACnet有网络层，这个网络层对它很关键，由于BACnet是个高层协定，须要控制多种低层协定和链路，比如以太网、基于RS-485的MS/TP和LonTalk。关于这种异构的网络，一个一致的网络层就很关键。

当然有时也会须要3-6层的特定配置。这种状况下会把所需的配置放到2层或7层。关于IEC 61158总线规范，3和4层的配置可以放在2层或7层，而5、6层的配置总是放在7层。

总线外面协定结构最复杂的应该是LonWorks。哪怕如今关键用于智能楼宇，它其实设计为一个运行畛域有关的通用的控制网络。它与普通的高效的惯例总线相比，更像局域网。在LonTalk协定里，定义了OSI的一切7层，虽然第6层配置很少。第3层网络层配置特意丰盛，允许许多类型的数据链路（智能楼宇畛域数据链路种类特意多）、允许许多地址寻址形式、初级路由配置、允许许多通讯对象，不光可以传输环节数据和网络治理，还可以文件传输。

工控畛域中罕用的总线系统中，ControlNet和P-NET比拟特意，它们都成功了3层和4层。

要素二、工业现场须要传输的数据的特点不同

从总线须要传输的数据特点来看，也有许多种。有的数据要务实时性高，有的数据是周期性的，有的则是突发的，有的数据是消费数据，有的数据是治理数据，有的数据是在总线上走隧道.......

这些差异也选择了无法能用一种总线体系来传输各种不同特点的数据：

不同层面的业务需求是不同的，因此须要依据实践的运行场景对相应的总线协定启动优化设计。

要素三、技术提高和市场需求造成发生新的总线规范

2000年后，由于以太网的开展和控制器对实时性提出更高的要求，许多原来基于串口的总线，改为以太网网络，就有了Modbus/TCP、ProfiNET、EtherCAT等总线规范。

同时由于这段期间WSN无线传感网的技术开展，HART总线也发生了无线版本——Wireless-HART。

要素四、不同企业和国度要制订自己的现场总线规范，经过规范获利

都说一流企业定规范，可见规范的关键性。关于规范制订企业来说，可以经过规范获利。

从1980起，随着PLC和智能传感器和口头器的技术提高，智能化行业有了很大的开展。对布线紧凑的进一步要求，加上微电子行业的开展，曾经足够撑持公用总线的开展。不同的运行需求催生了不同的总线系统，过后智能化公司设计开发总线规范也是行业趋向和时尚的事件，就像如今每个工控公司都在搞工业物联网一样。

对总线概念了解的几个廓清

工厂里车间里有各种各样的网络，以太网、无线、工业总线等，相互通讯很艰巨。

普通的计算机网络有Area的概念，如局域网Local Area Network，个域网PAN Personal Area Network，广域网WAN。工厂里也有Area的概念，比如CAN就是控制器局域网络Controller Area Network。

工业现场的许多传感器总线没有复杂的网络拓扑结构，因此网络层、传输层都不须要。同一个总线也会随着技术提高和运行行业需求而不时的开展演变不同的版本，典型的就是CAN总线规范。看一个总线规范好不好，首先要基于其运行场所，其无所谓联合该总线发生的时代背景来了解其设计的年代和理念。

总线规范能否在市场上成功，不是遵照适者生活的形式，而是看总线规范提出者的市场占有率。这个提出者可以是工业巨头如西门子、施耐德和他们的一班Partner小弟公司，也可以是许多工控公司和IT公司结盟组成的规范委员会。方便的将总线分为现场传感器口头器的总线和机器/消费流程总线是失误的，实践分类比这个复杂。

总线的最早来源其实是航空和汽车行业，前面才运行到工业现场和智能楼宇等畛域。每种工业总线的处置方案都是聚焦于处置特定疑问的，在设计时会综合思考性能、牢靠性、配件老本、软件老本、灵敏性、治理方便性等各种要素。

工业总线通常状况下是网络化的嵌入式系统，然而在一些状况下也会出现出散布式操作系统的特点。

许多总线只定义了 OSI 7层模型的1、2、7层，即物理层、数据链路层和运行层。要素是网络结构方便，不须要路由配置和端到端的控制。

现场总线开展历史

第一阶段：1970年~1980年 酝酿阶段

现场总线的来源来自四个方面的技术提高：

基于电话网络的数据传输协定，如V.21、X.21等，是现场总线串行数据传输的鼻祖。试验测量仪器和计算机外设的并行总线接口规范化和数据实时传输。电子工程师定义规范化的通讯接口的理念也被现场总线承袭了。另外多个空间上散布的多个试验仪器数据如何多站multidrop实时传输的规范，如用于核物理的计算机智能测量和控制CAMAC规范和电子测试设施总线GPIB，也建设起来了。计算机迷信通常的开展OSI模型自顶向下的分层设计理念，起初成为了现场总线分层设计的外围指点思维。电子技术的开展，集成电路微型化、I2C、微处置器、衔接器技术、RS-485差分信号抗搅扰，成为起初总线规范的配件技术的基石。

在航空航天畛域，由于对接线和重量的限度要求，远在板级总线发明之前，在1973年就曾经有了MIL STD 1553 总线。它是第一种真正的现场总线，首先用于F16战役机上。它曾经有了当代总线的许多特点：

起初，为了降落布线重量和老本，汽车和工控行业自创航空航天畛域的设计，依照相似的想法设计了几种工业总线。关键的有Modbus、GPIB等总线。

第二阶段：1980年~2000年 开展阶段

从1980起，随着PLC和智能传感器和口头器的技术提高，智能化行业有了很大的开展。对布线紧凑的进一步要求，加上微电子行业的开展，曾经足够撑持公用总线的开展。不同的运行需求催生了不同的总线系统，过后智能化公司设计开发总线规范也是行业趋向和时尚的事件，就像如今每个工控公司都在搞工业物联网一样。

1978年Hubert Zimmermann提出了OSI模型，ISO于1984年颁布了ISO/OSI模型规范。ISO/OSI模型是对现场总线最关键的奉献。OSI模型的设计目标是成为一个一切设施厂商都能成功的放开网络模型，来克制经常使用泛滥私有网络模型所带来的集成艰巨。而现场总线也是要处置工厂里的各种异构网络相互通讯的疑问。因此OSI模型很快成为了现场总线设计的指点思维。

1982年GM首先经常使用OSI模型理念，设计了Manufacturing Application Protocol，简称MAP，试图处置工业现场各种层级的网络的通讯疑问。这个协定设计地弱小又灵敏，然而无法防止也变得很复杂，成功老本太高。于是就对这个协定启动了简化，简化的结果就是MiniMAP协定。MiniMAP协定只要1、2、7层，专一于工厂里的底层网络通询疑问，而不是一切层面的通讯都要思考。然而这个协定还是没有取得成功。

起初取得成功的是Manufacturing Message Specification（MMS）协定。它定义了许多形象对象和服务，起初成为许多其余总线协定设计的终点。

许多现场总线的一个特点是依据传统接口来定义，只要最上方的物理层和数据链路层，没有运行层。起初运行层也加上了，这样就可以用于其余畛域。

CAN就是一个这个演变环节的例子：起先CAN用于汽车行业，所以定义了OSI模型的最上方两层就够用了。然而在工控畛域，裁减性和互操作性很关键，高层的配置很关键。于是到了工控畛域，就加上了一层不凡的运行层。CAN一开局没有定义运行层，反而成了许多不同的总线系统（CANopen、SDS、DeviceNet）经常使用CAN作为低层接口的要素。

第三阶段：2000年~如今 兴盛阶段

2000年后，由于以太网的开展和对实时性要求的提高，许多原本基于串口的总线逐渐改为以太网网络，如Modbus/TCP、ProfiNET、EtherCAT等规范。同时，随着无线传感网络（WSN）技术的开展，HART总线也推出了无线版本——Wireless-HART。这些通讯协定在工业现场的运行是为了满足不同设施和系统之间的通讯需求。每种协定都有其特定的长处和实用场景，比如Modbus/TCP实用于方便的数据替换，而EtherCAT则实用于对实时性要求更高的运行。这种多样化的通讯协定使得工业现场的设施能够愈加灵敏地互联互通，提高了消费效率和系统牢靠性。因此，虽然参与了必定的复杂性和老本，但经常使用不同的通讯协定能够更好地满足工业现场的多样化需求，促成了工业智能化技术的开展和运行。