22、常见工业网络协议解析

常见工业网络协议解析

在工业自动化领域，各种网络协议对于设备间的数据交换和实时监控至关重要。本文将详细介绍几种常见的工业网络协议，包括它们的特点、应用场景和技术细节。

1. Foundation Fieldbus协议

Foundation Fieldbus由国际自动化协会（ISA）开发，应用于石化、食品饮料、电力等重型过程应用领域。该协议用于连接支持Foundation Fieldbus的设备（如传感器/变送器）到控制系统，可减少布线，多个Fieldbus设备能共用一根电缆。

它有两种实现方式：
- Foundation Fieldbus H1 ：提供高达31.25 Kbps的速度，可使用双绞线和光纤作为网络介质，能在同一双绞线上实现数字通信和直流供电。采用总线或星形拓扑结构，每段网络最多可连接32个节点，用于多个传感器/变送器、执行器（现场设备）与PLC、DCS或其他控制器之间的通信。
- Foundation Fieldbus HSE（高速以太网） ：速度可达100 Mbps，用于连接更高级别的设备（如PC、控制器和远程I/O）。同样可使用双绞线和光纤作为网络介质，是基于工业以太网的协议，可采用星形或树形拓扑结构，便于在不影响网络的情况下添加或移除设备。

通常使用连接设备将Foundation Fieldbus H1网络连接到Foundation Fieldbus HSE网络。

2. PROFIBUS协议

PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是一种标准协议，可用于连接传感器/变送器、执行器、控制器、HMI、VFD等设备。通信使用名为PROFIBUS电缆的双芯屏蔽双绞线，通过PROFIBUS连接器连接网络中的每个设备。该协议有两种形式：
- PROFIBUS DP（分散式外围设备） ：是工业中最常用的网络协议之一，通过分散输入和输出（I/O）模块减少连接传感器和执行器所需的电线数量。在PROFIBUS DP出现之前，I/O集中在控制室，导致需要大量电缆将传感器和执行器连接到控制室的输入和输出模块。使用PROFIBUS DP时，可在现场安装接口模块（IM），将远离控制室的输入和输出模块、传感器和执行器连接到IM，然后用一根PROFIBUS电缆将现场的远程I/O连接到控制室PLC中的IM，大大减少了布线所需的电缆。每段PROFIBUS DP网络最多可连接32个设备，数据传输速度从9.6 Mbps到12 Mbps不等。
- PROFIBUS PA（过程自动化） ：用于通过控制系统监控过程测量设备。此时不需要PROFIBUS DP中使用的I/O模块，也不需要每个传感器和I/O模块之间的布线。传感器以线性形式连接到单个PROFIBUS PA总线，传感器和执行器网络通过耦合器和一根PROFIBUS电缆连接到PLC。段耦合器将PROFIBUS PA信号转换为PROFIBUS DP信号，因为PLC通常只有PROFIBUS DP端口。PROFIBUS PA的数据传输速度固定为32 Kbps。

下面通过表格对比PROFIBUS DP和PROFIBUS PA的特点：
| 协议类型 | 应用场景 | 布线特点 | 数据传输速度 | 节点数量 |
| — | — | — | — | — |
| PROFIBUS DP | 连接传感器、执行器与控制器，减少布线 | 需安装IM，用单根电缆连接远程I/O到PLC | 9.6 - 12 Mbps | 每段最多32个 |
| PROFIBUS PA | 监控过程测量设备 | 传感器线性连接到总线，通过耦合器连接PLC | 32 Kbps | - |

3. Modbus协议

Modbus是一种开放协议，任何制造商或供应商都可无限制使用。它最初由Modicon在20世纪70年代中期设计，用于使用简单的主/从概念将智能设备与PLC连接起来。最初仅用于Modicon PLC（专有协议），后来成为开放协议，可供任何制造商使用。

如今，各种供应商生产支持Modbus协议的PLC和其他工业设备，因此在西门子、艾伦·布拉德利、三菱和欧姆龙等不同制造商的工业设备中都能找到Modbus协议。该协议解决了不同制造商工业设备之间的通信问题，例如西门子PLC可以与欧姆龙PLC、艾伦·布拉德利PLC、欧姆龙VFD或任何支持Modbus协议的其他工业设备进行通信，是最常用的工业协议之一。

Modbus有多个用于存储数据的内存区域：
- 离散输入 ：存储来自现场设备的数字输入值（高或低）。
- 线圈输出 ：存储数字输出值（高或低）。
- 输入寄存器 ：存储模拟输入值（如温度、液位、流量等连续变化的信号）。
- 保持寄存器 ：存储模拟输出值（如温度、液位、流量等连续变化的信号）。

Modbus有以下两种常见类型：
- Modbus Remote Terminal Unit（RTU） ：是最常用的Modbus协议类型，使用二进制编码和CRC错误检查，采用主从概念。主设备可向从设备请求信息，从设备仅在收到主设备的传输命令时才传输信息。网络中只能有一个主设备，最多可有247个从设备，每个从设备有一个唯一的地址（单元ID）。物理通信介质包括RS232、RS422和RS485。RS232用于点对点拓扑，允许两个设备（主设备和从设备）在小于50英尺的距离内通信；RS485和RS422用于在大于50英尺的距离内连接多个设备，RS485更适合在约4000英尺的长距离连接多个设备。
- Modbus Transmission Control Protocol/Internet Protocol（TCP/IP） ：采用服务器 - 客户端架构，网络中可以有多个服务器和多个客户端。客户端和服务器通过普通交换机连接，物理通信介质是普通以太网电缆。每个设备在Modbus TCP/IP网络中有一个唯一的IP地址，而不是单元ID。

下面是Modbus RTU和Modbus TCP/IP的对比表格：
| 协议类型 | 编码与检查 | 主从关系 | 物理介质 | 地址类型 |
| — | — | — | — | — |
| Modbus RTU | 二进制编码，CRC错误检查 | 一个主设备，最多247个从设备 | RS232、RS422、RS485 | 单元ID |
| Modbus TCP/IP | - | 多个服务器和客户端 | 以太网电缆 | IP地址 |

4. HART协议

HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是世界标准协议，用于在智能现场设备与控制器（如PLC、DCS等）或手持通信器之间进行数据交换。通过该协议可以控制和监控支持HART的现场设备（传感器、变送器和执行器）。

在HART通信中，数字信号叠加在传统的4 - 20mA模拟信号上，使4 - 20mA模拟信号和数字信号能在同一双线回路上无失真地共存，同时传输两种信号。4 - 20mA模拟信号表示温度、压力、液位或流量等测量变量，数字信号携带设备的其他详细信息，如设备健康状况、状态、诊断警报等。

网络中的每个传感器/变送器和执行器（传感器）都有一个唯一的地址，可使用该地址远程访问设备，因此得名HART。无需在传感器现场即可配置或访问其数据，可从控制室或任何可访问HART数据的地方（如连接在网络中的编程PC或手持设备（HART通信器））进行配置和其他操作。

HART协议具有以下优点：
- 是全球安装量最大的协议，提供了一种可靠且简单的方式与现场设备进行通信。
- 可用于多种目的，如配置和重新配置支持HART的智能现场设备、使用名为SMART通信器的手持设备对支持HART的智能现场仪器进行调试和校准、故障排除控制回路、获取设备健康和状态的详细信息以及在线更改设备ID或标签。

当支持HART的智能现场设备或仪器与控制室中兼容HART的控制器一起使用时，可从现场仪器获得更多好处。除了有线HART，还有WirelessHART，它是一种无线通信协议，为HART技术增加了无线功能，提供了一种经济有效的方式将新的测量值传输到控制系统，而无需额外布线。

HART网络有两种类型：
- 点对点 ：数字信号叠加在4 - 20mA模拟信号上，测量或过程变量以4 - 20mA模拟信号传输，所有额外信息以数字信号传输。
- 多点 ：允许多个设备连接在同一对电线上，通信完全是数字的。

5. PROFINET协议

PROFINET是一种工业以太网协议，用于在工业自动化中设备和控制器之间交换数据，是应用最广泛的工业以太网协议。由于基于以太网，它的运行速度比PROFIBUS快。PROFINET使用标准RJ45连接器，网络电缆可以是办公室常见的标准以太网电缆（如双绞线CAT 6电缆），但由于工业环境条件恶劣，标准以太网电缆容易损坏，因此工业以太网电缆更适合用于PROFINET，其特点是具有屏蔽保护、坚固耐用和适当的护套。也可使用标准以太网交换机，因为它与以太网使用相同的物理连接标准。

PROFINET具有高速运行（100 Mbps）和灵活性的特点，因此在工业中越来越受欢迎。该协议可采用点对点、总线或星形拓扑结构。

下面通过表格对比PROFINET和PROFIBUS的特点：
| 协议类型 | 电缆类型 | 连接器 | 节点数量 | 数据传输速度 |
| — | — | — | — | — |
| PROFINET | 四芯电缆，也可用标准以太网电缆 | 标准RJ45连接器 | 无限制 | 100 Mbps |
| PROFIBUS | 通常为紫色双芯电缆 | PROFIBUS连接器（类似DB - 9串行连接器） | 最多127个 | 最大12 Mbps |

在PROFINET网络中，设备有三个地址（IP地址、MAC地址和设备名称）。例如，在一个简单的网络中，可将西门子S7 1200 PLC（CPU 1211C）连接到西门子HMI（KTP 400）进行监控和控制，此时PLC和HMI作为网络中的节点，分别有唯一的设备名称（如PLC_1和HMI_1）和不同的IP地址（如PLC为192.168.0.4，HMI为192.168.0.5）。S7 1200 PLC和KTP400 HMI内置了PROFINET端口，可使用TIA门户轻松进行配置。

综上所述，不同的工业网络协议具有各自的特点和适用场景，在实际应用中需要根据具体需求选择合适的协议，以实现工业自动化设备之间的高效通信和实时监控。

相关问题思考

以下问题可帮助检验对上述工业网络协议的理解：
1. 术语 _ _ 描述了两个或多个工业自动化/控制设备（如控制器、传感器/变送器、执行器、PC等）之间的连接，用于在恶劣环境中进行实时监控和过程控制的数据交换。
2. 网络中的每个设备可称为一个 _ _
3. _ _ _ 指的是网络的物理和逻辑排列。
4. _ _ 指的是网络中节点之间数据传输的模式。
5. 在 _ _ 拓扑中，每个节点连接到一个中央设备，该设备可以是交换机、路由器或集线器。
6. _ _ 可定义为用于互连网络中节点的通信通道。
7. 一个 _ _ __ 网络使用蓝牙、Wi - Fi和蜂窝通信等无线电波作为通信通道。
8. _ _ 允许有线网络介质（同轴电缆、双绞线、光纤等）通过集线器、交换机、路由器、控制器、PC或网络中的其他设备连接到网络。
9. RJ45是 _ _ _ _ 的缩写。
10. 一个 _ _ 是一种需要进行配置以适应我们的网络或需求的交换机类型。
11. 一个 _ _ __ 可称为网络中两个或多个设备之间的数据通信方法。
12. PROFIBUS是 _ _ _ _ 的缩写。
13. HART是 _ ______ 的缩写。

通过对这些问题的思考和解答，可以进一步加深对工业网络协议的理解和掌握。

常见工业网络协议解析

各协议技术细节与应用场景深入分析

Foundation Fieldbus技术细节与应用

Foundation Fieldbus的两种实现方式H1和HSE在不同场景中发挥着重要作用。H1的低速特性使其适合对实时性要求不高但节点数量有限的现场设备通信。例如在一些小型的石化生产车间，传感器和执行器数量不多，采用H1协议可以在提供数字通信和直流供电的同时，减少布线成本。其总线或星型拓扑结构也便于设备的连接和管理。

HSE则凭借其高速以太网的特性，更适用于连接高层级设备，如工厂的监控PC、中央控制器等。在大型电力企业中，需要将各个分散的控制单元的数据快速汇总到中央控制室进行分析和决策，HSE协议就能够满足这种高速数据传输的需求。以下是H1和HSE的对比流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([Foundation Fieldbus]):::startend --> B{协议类型}:::decision
    B -->|H1| C(速度: 31.25 Kbps):::process
    B -->|HSE| D(速度: 100 Mbps):::process
    C --> E(网络介质: 双绞线、光纤):::process
    C --> F(拓扑结构: 总线或星型):::process
    C --> G(应用场景: 现场设备通信):::process
    D --> H(网络介质: 双绞线、光纤):::process
    D --> I(拓扑结构: 星型或树型):::process
    D --> J(应用场景: 高层级设备连接):::process

PROFIBUS协议的优势与应用案例

PROFIBUS DP通过分散I/O模块减少布线的方式，在大型制造业中具有显著优势。以汽车制造工厂为例，生产线分布广泛，传感器和执行器数量众多，如果采用传统的集中式I/O布线，电缆数量将极其庞大，不仅增加成本，还会增加故障排查的难度。而使用PROFIBUS DP，在各个生产区域安装接口模块，将远程I/O通过一根电缆连接到控制室的PLC，大大简化了布线结构，提高了系统的可靠性和可维护性。

PROFIBUS PA则专注于过程测量设备的监控。在食品饮料行业，对生产过程中的温度、压力、液位等参数的精确监测至关重要。通过将传感器线性连接到PROFIBUS PA总线，再经耦合器连接到PLC，能够实现对生产过程的实时监控和精确控制。

Modbus协议的通用性与应用拓展

Modbus协议的开放性使其成为不同制造商工业设备通信的通用语言。在一个自动化生产车间中，可能会同时使用西门子、艾伦·布拉德利等不同品牌的PLC和设备，通过Modbus协议，这些设备可以无缝通信，实现整个生产流程的协同控制。

Modbus RTU适用于距离较近、设备数量相对较少的场景。例如在一个小型的自动化仓库中，PLC作为主设备，与几个传感器和执行器（从设备）通过RS485总线连接，实现对货物存储和搬运的控制。

Modbus TCP/IP则更适合大型网络和远程通信。在一个跨地区的工业企业中，总部的监控中心可以通过以太网与各个分厂的PLC进行通信，实现对整个企业生产过程的远程监控和管理。

HART协议的独特优势与应用场景

HART协议的数字信号叠加在4 - 20mA模拟信号上的特性，使其在传统模拟信号系统向数字化转型过程中具有重要价值。在一些老旧的工业工厂中，已经安装了大量基于4 - 20mA模拟信号的传感器和执行器，通过HART协议，可以在不更换现有设备的情况下，实现对设备的数字化监控和管理。

在石油开采行业，油井分布广泛且环境恶劣，使用HART协议可以通过无线HART技术，将各个油井的传感器数据实时传输到监控中心，同时利用4 - 20mA模拟信号进行基本的参数测量，既保证了数据的实时性，又降低了布线成本。

PROFINET协议的高速与灵活性应用

PROFINET协议的高速运行和灵活性使其在现代工业自动化中得到广泛应用。在电子制造行业，生产线上的设备需要快速响应和精确控制，PROFINET的100 Mbps数据传输速度能够满足这种高速数据交换的需求。同时，其支持多种拓扑结构的特点，使得生产线的布局可以根据实际需求进行灵活调整。

例如，在一个电子产品组装生产线中，采用星型拓扑结构将各个PLC、机器人和传感器连接到中央交换机，通过PROFINET协议实现设备之间的高速通信和协同工作。

协议选择的综合考量

在实际工业应用中，选择合适的网络协议需要综合考虑多个因素，如设备类型、通信距离、数据传输速度要求、成本等。以下是一个简单的协议选择参考表格：
| 考量因素 | Foundation Fieldbus | PROFIBUS | Modbus | HART | PROFINET |
| — | — | — | — | — | — |
| 设备类型 | 现场设备、高层级设备 | 传感器、执行器、控制器等 | 各种工业设备 | 智能现场设备 | 工业自动化设备 |
| 通信距离 | 较近（H1）、较远（HSE） | 较近 | 较近（RTU）、较远（TCP/IP） | 较近 | 较远 |
| 数据传输速度 | 31.25 Kbps（H1）、100 Mbps（HSE） | 9.6 - 12 Mbps（DP）、32 Kbps（PA） | 取决于物理介质 | 较低 | 100 Mbps |
| 成本 | 适中 | 适中 | 较低 | 适中 | 较高 |

通过对这些常见工业网络协议的深入了解和综合考量，工业企业可以根据自身的实际需求选择最合适的协议，实现工业自动化设备之间的高效通信和实时监控，提高生产效率和质量。

总结与展望

工业网络协议是工业自动化的核心组成部分，不同的协议在不同的场景中发挥着各自的优势。随着工业4.0和智能制造的发展，对工业网络协议的要求也越来越高，未来的协议将朝着更高速度、更低延迟、更强安全性和更好兼容性的方向发展。企业需要不断关注协议技术的发展动态，及时更新和优化自身的网络架构，以适应不断变化的工业环境。

同时，对于工业网络协议的学习和研究也将有助于培养更多的专业人才，推动工业自动化技术的不断进步。希望本文能够为读者提供一个全面的工业网络协议知识体系，帮助大家更好地理解和应用这些协议。