工业网络通讯技术与协议全面解析：总线、以太网、无线篇

发表时间: 2021-03-11 14:27

写在前面（文中超链接，PPT等仅在微信公众号“智能制造之家”有效）

大家好，我是小智，智能制造之家号主~

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

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

工业以太网：

经过多年的发展，工业以太网已经成为了主流，根据HMS的报告，其市场份额超过了现场总线：

2020工业网络市场份额报告：主流工业以太网、现场总线、工业无线份额对比

工业以太网持续推动工厂的工业互联，并不断蚕食着现场总线的市场份额，总的来说常见的PROFINET、ETHERNET/IP、POWERLINK、ETHERCAT、MODBUS TCP等工业以太网背后都有着西门子、罗克韦尔、施耐德、倍福、三菱、菲尼克斯等传统工业巨头的身影

但无论是以上哪一种工业以太网，我们都可以将他们分为三类：

1.完全基于TCP\UDP\IP，硬件层未更改，采用传统以太网控制器,典型的有标准PROFINET、ETHERNET/IP、MODBUS TCP

2.部分基于TCP\UDP\IP，硬件层未更改，具有Process Data协议，直接由以太网帧进行传输，TCP/UDP依然存在，不过由Timing Layer控制,典型的有PROFINET RT、POWERLINK

3.硬件层更改，使用实时以太网控制器,典型的有PROFINET IRT、CC-LINK IE 、SERCOS III 、ETHERCAT

更详细的解读，前面我们的文章：

技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网

当中就曾经详细解读过，再次不再赘述，当然不论怎么样，前提你得先对以太网有一定的基础认识~

无线协议：

无线技术为节省网络运营成本和简化安装带来了新的机遇。虽然这类协议仍处于发展的早期阶段，但是越来越多的人认为它会是工业网络的未来。它的主要优点是不需要布置供电线路，而且能够连接更多监测和控制点。如今，传感器和测量装置是无线协议的主要使用对象。

最常见的工业自动化无线技术包括 802.11.x Wi-Fi、蓝牙、蜂窝网络、无需许可证的私有 ISM 频段无线电以及 WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA 以及 ZigBee 等基于802.15.4 的协议。Wi-Fi 的使用通常伴随着工业以太网的部署，并且通常作为通信的第二支柱与以太网共存。蓝牙则用于替代点对点（如在 HMI 解决方案和现场设备之间）的布线。蜂窝网络通常用于工厂之间的远程通信，远程SCADA 应用中远程设备的连接，以及机械设备和机器人的第三方访问。下表罗列出了各种协议及其相应特点。随着数据分析和物联网带来新的可能性，无线协议将在工业环境中继续增长。

前面我们也专门系统的分析了工业互联网时代的一些无线协议：

比较工业物联网中的几种主流无线技术

03 IT/OT网络与工业网络的规划与选型

IT、OT与CT的不断融合是这个时代不变的主题，网络作为贯穿IT和OT各个层级的基础，不论是企业网络，工厂网络，控制网络还是现场网络（如下图），也不论是ERP、PLM、SRM、MES/MOM、WMS、SCADA/DCS等等，都需要构建强大的网络，因此网络的规划和选型显得尤为重要~

前面我们就已经分享了工业网络的规划与设计：

如何进行工业网络规划与设计？从工业系统层级谈工业网络的规划原则

总体来说，协议和网络连接要求会随整个网络层次上的应用需求、可靠性要求以及带宽等因素发生变化。在进行网络的规划、设计的时候，都需要考虑以下因素：

•实时/确定性：部分工业应用不允许通信过程有任何延迟。那些非实时或者不能将数据包立即传送出去的协议都不符合此类要求。工业网络与传统IT网络对于网络延时的敏感差异很大，尤其是在一些运动控制的场景下（如下图）显得尤为重要~

•可伸缩性、可扩展性和拓扑：可伸缩性和可扩展性也是需要考虑的重要因素。当需要频繁添加新节点或者改变网络配置时，某些实施过程可能会耗费大量的资金。此外，可以将某些网络（如 ZigBee）的架构设计成出现故障后立即进行自组织和自我修复，从而让增加或者删除新节点的过程变得既快速又廉价。除此之外，在不同的环境和应用下，需要不同的网络架构和拓扑（如下图），因此这也是必须考虑的因素~

•运行环境：工业基础设施和设备经常会遭受日晒雨淋或者暴露在腐蚀性环境中。此外，随着工业互联网时代的到来，安全性和风险需要作专门的考虑。必须选择那些既不影响通信可靠性，又能够承受这类环境要求的网络和总线。适宜的工作温度范围，振动和噪声的影响，抗干扰能力以及湿度的负面影响，这些都是对应的总线、网络和协议选择时需要考虑的重要因素。

•终端节点电源：传感器和执行器的终端节点是工厂控制系统的关键输入，需要持续供电。因此会同时使用来自电池和电源的电力。由于某些网络、总线或协议会比其他协议消耗更多的电力，因此能否使用电源会影响到这些协议的使用。
•供电线路：现代化工厂的面积可达几平方公里，如果使用超长的电线连接终端节点，费用通常会很高昂。由于控制层和传感器层的网络、总线与协议通常并不通用，所以他们的选择可能会受到工厂中间控制程度的影响。
•丢包率：某些协议与其他协议相比具有更强的适应性，可以极大地缓解由于数据拥塞、误码或连接不良等传输问题导致的数据丢失。虽然丢失部分数据不会对非关键的应用或节点造成负面影响，但对于某些关键应用而言，传输过程中则不能出现数据丢失。
•吞吐量：数据传输的类型和大小对协议的选择有着极大的影响。如果是用于传递开/关状态的简单二进制数据，可以将就使用低成本、低吞吐量的协议。然而，传输相机中的图像数据则需要能容纳更多数据的协议。

•网络范围、负载和架构：数据在网络中传输的距离，网络中节点的数量以及网络架构本身都会对协议的选择产生重大的影响。在某些网络架构中，网络拥塞、吞吐量和数据丢失等问题都会变得突出。网络与协议的选择往往决定了工厂能否高效地运营。
•安全性：工业网络需要同时防范无意和恶意的威胁。与网站和其他 IT 宕机不同，安全漏洞损害的不仅仅是金钱和声誉。如果网络没有受到足够的保护（如未被加密），而又网络遭受攻击时，人类安全和国家安全都有可能会受到威胁。

好了，今天就到这里，欢迎拍砖，但是拒绝喷子和杠精，保持空杯心态，保持对新事物的敏感~

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