工业通信协议有多少种？

工业通信协议有多少种？

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工业通信协议是工业自动化系统中实现设备间数据交换的关键技术，广泛应用于制造、过程控制、能源管理等领域。从现场总线到工业以太网，从无线通信到新兴标准，工业通信协议种类繁多，各具特色。本文将为您详细介绍工业通信协议的数量、分类及其特点，并推荐适合学习的协议类型。

1、工业通信协议的数量

工业通信协议的数量难以精确统计，但根据国际标准化组织（如IEC、ISO）和行业联盟（如ODVA、PI）的数据，符合国际标准的协议种类接近40-50种。

2、什么是工业通信协议

2.1 概念

工业通信协议是用于在工业自动化系统中实现设备之间数据交换的标准化通信规则和协议。它们被广泛应用于制造、过程控制、能源管理、楼宇自动化等领域。工业通信协议确保不同的设备（如传感器、执行器、PLC、DCS等）能够在工业网络中实现无缝互操作、实时控制和数据传输。

2.2与普通协议的区别

与一般的通信协议（如TCP/IP、HTTP等）相比，工业通信协议有以下几个特点和区别：

• 实时性要求高：工业环境中对实时数据传输和响应速度的要求极高。工业通信协议通常具有确定性和低延迟的特点，确保控制系统在毫秒或微秒级时间内作出响应，如EtherCAT、Profinet和TSN等协议支持实时数据交换。普通通信协议通常关注大数据传输，但实时性要求较低。
• 环境适应性强：工业场景通常面临高温、湿度、干扰、振动等严苛环境，工业通信协议设计时需要具备较高的抗干扰和可靠性。相比之下，普通通信协议更多应用于办公室或家庭等稳定环境中。
• 安全性和冗余机制：工业通信协议往往具有更高的安全性要求，确保关键设备不会因通信中断或数据丢失导致故障。例如，OPC UA提供了复杂的安全加密和认证机制。工业协议还经常采用冗余机制，如双重网络、故障切换等，以保证系统可靠性。普通通信协议虽然有安全机制，但在可靠性上要求不如工业协议严格。
• 数据格式和设备集成：工业通信协议为适应特定行业的需求，定义了标准的数据格式和集成方法。例如，Modbus和Profibus支持与PLC和SCADA系统的无缝集成，而普通协议如TCP/IP和HTTP更适用于互联网、数据传输和用户层通信。
• 多协议并存：工业现场可能有多个通信协议同时存在，用于不同的应用层面或物理层。例如，在同一个工厂中，可能会同时使用Modbus RTU、PROFINET、CANopen等来满足不同设备和层级的需求，而普通网络通常以统一的协议如TCP/IP为主。

3、工业通信协议的分类

3.1 现场总线协议（Fieldbus Protocols）

• Modbus (IEC 61158)：最广泛使用的工业协议之一，主要用于串行通信。它支持主/从（Master/Slave）架构，通过RS-232或RS-485传输。Modbus也有以太网版本（Modbus TCP），使其适合现代工业控制网络。它简单易用，常用于连接PLC、HMI、SCADA等设备。
• Profibus (IEC 61158, IEC 61784)：分为Profibus DP和Profibus PA两个版本，分别用于快速传输和过程自动化控制。Profibus使用RS-485作为物理层，并具有强大的诊断功能，适用于设备层通信和复杂的过程控制网络。
• CANopen (EN 50325-4)：基于控制器局域网络（CAN），是一种用于嵌入式系统的高效通信协议。CANopen适用于工业自动化、医疗设备、汽车等领域，支持实时控制和多种设备节点的网络。
• DeviceNet (ODVA标准)：基于CAN的协议，适合设备层的传感器和执行器的连接。它支持电力和数据共享的4线制连接，常用于汽车制造业和工业自动化。
• AS-Interface (IEC 62026)：一种简单的低成本协议，主要用于连接传感器和执行器。它采用两线制技术，支持数据和电力同时传输，适合简单的自动化任务。
• Foundation Fieldbus (IEC 61158)：适用于过程控制的开放协议，Foundation Fieldbus支持双向通信和设备诊断，广泛应用于石油、化工等行业的过程自动化系统。

3.2 工业以太网协议（Industrial Ethernet Protocols）

• EtherCAT (IEC 61158, IEC 61800-7)：高效的工业以太网协议，适合高精度和高同步性的控制应用，如机器人和运动控制。EtherCAT支持高速数据传输和灵活的拓扑结构。
• PROFINET (IEC 61158, IEC 61784)：Profibus的以太网版本，支持实时控制和非实时数据通信。它广泛用于工厂自动化中，可以与现场总线系统无缝集成。
• EtherNet/IP (IEC 61158, IEC 61784)：基于标准以太网技术，提供高效的实时数据传输，适合过程自动化和离散控制。它支持多种拓扑结构，广泛应用于工业自动化领域。
• POWERLINK (IEC 61158)：实时以太网协议，适用于高性能工业自动化任务。它支持确定性通信，适合需要高可靠性和低延迟的场景，如机床和运动控制。
• Sercos III (IEC 61800-7)：基于以太网的实时通信协议，主要用于运动控制应用。它提供高速、实时数据传输，适合精确的同步控制任务。

3.3 无线通信协议（Wireless Protocols）

• WirelessHART (IEC 62591)：基于HART的无线扩展协议，适合远程传感器网络的监控和控制。它支持无线多跳通信，广泛应用于过程控制中的无线传感器。
• ISA100.11a (IEC 62734)：专为工业环境设计的无线通信协议，主要用于过程自动化和监控。它支持高度可扩展的无线传感器网络，适合复杂的工业场景。
• Zigbee (IEEE 802.15.4)：低功耗、低数据速率的无线协议，广泛应用于家庭自动化和工业控制中。Zigbee适合短距离通信，具有低功耗的特点。

3.4 新兴协议与标准（Emerging Protocols and Standards）

• OPC UA (IEC 62541)：跨平台的通信协议，支持不同设备和系统之间的互操作性。它不仅支持实时数据传输，还提供安全、历史数据存储和复杂的模型描述功能，是工业物联网（IIoT）和工业4.0的重要基础。
• 时间敏感网络（TSN）：扩展以太网的协议，支持确定性通信和精确的时间同步，适合需要低延迟、高可靠性的工业应用，如工厂自动化和交通系统。

3.5 特定行业协议

• BACnet (ISO 16484-5)：楼宇自动化控制领域的主要通信协议，适用于HVAC（暖通空调）、照明控制和安防系统。它支持多种物理层，包括以太网和RS-485。
• MELSECNET：三菱电机的专有协议，广泛应用于三菱的PLC和自动化控制系统中，适合工厂自动化任务。

4、学习哪些工业通信协议？

如果要学习工业通信协议，建议先学习应用最广泛的工业通信协议，目前有以下几种：

• MODBUS：广泛应用于工业自动化，简单易用，支持串行（RTU、ASCII）和以太网（TCP/IP）版本。MODBUS 协议是开放的，规范可免费获取，并且有多个开源实现，如 libmodbus。
• PROFIBUS：主要用于现场总线网络，适合复杂的自动化系统，支持多种数据传输速率。不是完全开源的，尽管有一些文档和参考实现可用。
• CANopen：在嵌入式系统中应用广泛，特别是在运动控制和机器人领域，具有高实时性。CANopen 协议本身是开放的，且有一些开源实现，如 CANopenNode。
• Ethernet/IP：基于以太网技术，广泛用于工业以太网通信，支持大量设备的互联。Ethernet/IP 是开放的，但相应的实现和应用通常由不同的组织和公司提供，开源实现相对较少，不过有一些开源库可用于支持 Ethernet/IP。

考虑到应用广泛性、开源和学习资料的问题，推荐学习Modbus和Canopen协议。选择这两个工业通信协议的原因还有以下几点：

1. 硬件成本低，Modbus只需要RS485(RS232)、标准以太网，Canopen需要Can总线，这两种协议都是通用的硬件总线，不需要使用特殊的或者专用的通信外设或者芯片；
2. Modbus通信的实时性一般，但简单易用，可以使用多种物理介质；而Canopen实时性强，两个协议刚好互补。