工业控制网络常用通信协议

 

 

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传统控制网络

CCS计算机集中控制系统

控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）。

 

DCS分散控制系统/分布式控制系统

DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统CCS的基础上发展、演变而来的。

DCS它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

 

FCS现场总线控制系统

现场总线（Field bus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。

简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

 

参考链接：https://www.cnblogs.com/yaoyaojcy/p/9304239.html

 

现场总线

CAN控制器局域网络

CAN（Controller Area Network）是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO 11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

 

参考链接：https://baike.baidu.com/item/CAN%E6%80%BB%E7%BA%BF/297754

 

DeviceNet

DeviceNet是一种用在自动化技术的现场总线标准，由美国的Allen-Bradley公司在1994年开发。DeviceNet使用控制器局域网络（CAN）为其底层的通讯协定，其应用层有针对不同设备所定义的行规（profile）。主要的应用包括资讯交换、安全设备及大型控制系统。在美国的市场占有率较高。

DeviceNet通讯协定是由美国的Allen-Bradley公司（后来被洛克威尔自动化公司合并）所开发，以Bosch公司开发的控制器局域网络（CAN）为其通讯协定的基础。DeviceNet移植了来自ControlNet（另一个由Allen-Bradley公司开发的通讯协定）的技术，再配合控制器局域网络的使用，因此其成本较传统以RS-485为基础的通讯协定要低，但又可以有较好的强健性。

为了要推展DeviceNet在世界各地的使用，洛克威尔公司决定将此技术分享给其他厂商。后来DeviceNet通讯协定是由位在美国的独立组织开放DeviceNet厂商协会（ODVA）管理。ODVA维护DeviceNet的规格、也提供一致化测试），确保厂商的产品符合DeviceNet通讯协定的规格。

后来ODVA将DeviceNet通讯和其他相关的通讯协定整合成通用工业协定（CIP），其中包括以下的通讯协定

EtherNet/IP（其N为大写，此处的IP不是网际协议，为“Industrial Protocol”的简称）

ControlNet、DeviceNet、CompoNet

 

参考链接：https://baike.baidu.com/item/devicenet/2962110

 

CCL-Link

CC-Link是Control&Communication Link(控制与通信链路系统)的缩写,在1996年11月,由三菱电机为主导的多家公司推出。在其系统中,可以将控制和信息数据同时以10Mbit/s高速传送至现场网络,具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题,同时具有优异的抗噪性能和兼容性。

 

CC-Link是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。

 

参考链接：http://www.360doc.com/content/18/0422/19/33221031_747861674.shtml

 

Profibus

PROFIBUS – DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它与PROFIBUS－PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )共同组成了PROFIBUS标准。

 

PROFIBUS是一个用在自动化技术的现场总线标准，在1987年由德国西门子公司等十四家公司及五个研究机构所推动，PROFIBUS是程序总线网络（PROcess FIeld BUS）的简称。PROFIBUS和用在工业以太网的PROFINET是二种不同的通信协议。

 

Profibus-DP

PROFIBUS–DP协议明确规定了用户数据怎样在总线各站之间传递，但用户数据的含义是在PROFIBUS行规中具体说明的。另外，行规还具体规定了PROFIBUS－DP如何用于应用领域。使用行规可使不同厂商所生产的不同设备互换使用，而工厂操作人员毋须关心两者之间的差异。因为与应用有关的含义在行规中均作了精确的规定说明。

 

Profibus-DP用于现bai场层的高速数据传送。du在这一级，中央处理器（如PLC，PC）通过高zhi速串行线同分散dao的现场设备（i/0，驱动器、阀门等）进行通讯。

 

PROFIBUS DP（分布式周边，Decentralized Peripherals）用在工厂自动化的应用中，可以由中央控制器控制许多的传感器及执行器，也可以利用标准或选用的诊断机能得知各模块的状态。

 

参考链接：https://baike.baidu.com/item/PROFIBUS-DP/310845

 

Profibus-PA

Profibus-PA 适用于Profibus过程自动化。PA 将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来，并可用来替代4-20mA的模拟技术。

 

PROFIBUS PA（过程自动化，Process Automation）应用在过程自动化系统中，由过程控制系统监控量测设备控制，是本质安全的通信协议，可适用于防爆区域（工业防爆危险区分类中的Ex-zone 0及Ex-zone 1）。其物理层（缆线）匹配IEC 61158-2，允许由通信缆线提供电源给现场设备，即使在有故障时也可限制电流量，避免制造可能导致爆炸的情形。因为使用网络供电，一个PROFIBUS PA网络所能连接的设备数量也就受到限制。PROFIBUS PA的通信速率为31.25 kbit/s。PROFIBUS PA使用的通信协议和PROFIBUS DP相同，只要有转换设备就可以和PROFIBUS DP网络连接，由速率较快的PROFIBUS DP作为网络主干，将信号传递给控制器。在一些需要同时处理自动化及过程控制的应用中就可以同时使用PROFIBUS DP及PROFIBUS PA。

 

Profibus-FMS

Profibus-FMS的设计旨在解决车间监控级通信任务，提供大量的通信服务。可编程序控制器

（如如PLC，PC机等）之间需要比现场层更大量的数据传送，用以完成中等传输速度进行的循环与非循环的通信服务，但通信的实时性要求低于现场层。

 

工业以太网

EtherNet/IP

工业以太网协议 (Ethernet/IP) 是由ODVA所开发并得到了罗克韦尔自动化的强大支持。它使用已用于ControlNet和DeviceNet的控制和信息协议 (CIP) 为应用层协议。

 

EtherNet/IP指的是"以太网工业协议"(Ethernet Industrial Protocol)。它定义了一个开放的工业标准，将传统的以太网与工业协议相结合。该标准是由国际控制网络(CI, ControlNet International)和开放设备网络供应商协会 (ODVA)在工业以太网协会 (IEA, Industrial Ethernet Association)的协助下联合开发的，并于2000年3月推出。EtherNet/IP是基于TCP/IP系列协议，因此采用以原有的形式OSI层模型中较低的4层。所有标准的以太网通信模块，如PC接口卡、电缆、连接器、集线器和开关都能与 EtherNet/IP 一起使用。

 

CIP提供了一系列标准的服务，提供“隐式”和“显示”方式对网络设备中的数据进行访问和控制。CIP数据包必须在通过以太网发送前经过封装，并根据请求服务类型而赋予一个报文头。这个报文头指示了发送数据到响应服务的重要性。通过以太网传输的CIP数据包具有特殊的以太网报文头，一个IP头、一个TCP头和封装头。封装头包括了控制命令、格式和状态信息、同步信息等。这允许CIP数据包通过TCP或UDP传输并能够由接收方解包。相对于DeviceNet或ControlNet，这种封装的缺点是协议的效率比较低。以太网的报文头可能比数据本身还要长，从而造成网络负担过重。因此，EtherNet/IP更适用于发送大块的数据 ( 如程序 ) ，而不是DeviceNet和ControlNet更擅长的模拟或数字的I/O数据。

 

参考链接：http://www.sibotech.net/sibofaq/relatedtech/ethernet-ip.php

 

EtherCAT

EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff公司研发。

自动化对通讯一般会要求较短的资料更新时间（或称为周期时间）、资料同步时的通讯抖动量低，而且硬件的成本要低，EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中。

 

一般工业通讯的网络各节点传送的资料长度不长，多半都比以太网帧的最小长度要小。而每个节点每次更新资料都要送出一个帧，造成带宽的低利用率，网络的整体性能也随之下降。EtherCAT利用一种称为“飞速传输”（processing on the fly）的技术改善以上的问题。 

在EtherCAT网络中，当资料帧通过EtherCAT节点时，节点会复制资料，再传送到下一个节点，同时识别对应此节点的资料，则会进行对应的处理，若节点需要送出资料，也会在传送到下一个节点的资料中插入要送出的资料。每个节点接收及传送资料的时间少于1微秒，一般而言只用一个帧的资料就可以供所有的网络上的节点传送及接收资料。

 

参考链接：https://baike.baidu.com/item/EtherCAT/10779904

 

HSE

HSE（高速以太网）连接主机、I/O子系统、网关和现场设备，运行速度为100 Mbps。基金会现场总线协议Fieldbus已经作为IEC 61804中的现场总线标准。

 

 

Profinet

PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。

PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。

 

参考链接：

https://baike.baidu.com/item/Profinet/2310540

https://blog.csdn.net/wise18146705004/article/details/82344827

 

EPA

EPA是Ethernet for Plant Automation的缩写，它是Ethernet、TCP/IP等商用计算机通信领域的主流技术直接应用于工业控制现场设备间的通信，并在此基础上，建立的应用于工业现场设备间通信的开放网络通信平台。

 

参考链接：https://baike.baidu.com/item/EPA/1153036

 

PowerLink

开源实时通信技术Ethernet POWERLINK 是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。本文介绍它的基本原理、相关特性如冗余、直接交叉通信、拓扑结构、安全性设计，并定义其物理层与介质等内容。

 

POWERLINK=CANopen+Ethernet

鉴于以太网的蓬勃发展和CANopen在自动化领域里的广阔应用基础，EthernetPOWERLINK 融合了这两项技术的优点和缺点，即拥有了Ethernet的高速、开放性接口，以及CANopen在工业领域良好的SDO 和PDO 数据定义，在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet 上的CANopen，物理层、数据链路层使用了Ethernet介质，而应用层则保留了原有的SDO 和PDO对象字典的结构，这样的好处在于：
 

- POWERLINK 无需做较多的改动即可实现；

-保护原有投资的利益；

-开放性的接口；

 

参考链接：https://baike.baidu.com/item/Ethernet%20POWERLINK/8262369

 

Modbus

modbus协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一个控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

Modbus是采用请求/应答方式的应用层消息协议，非常方便实现在低级设备和高级设备间通信，它包含三个独特的协议数据单元：modbus请求、modbus应答以及modbus异常应答。modbus请求中包含功能码和请求。modbus功能码有公共功能码、用户定义功能码和保留功能码三种类型。

modbus可以采用多种通信方式，如modbus RTU与Modbus ASCII、Modbus TCP、Modbus Plus。

 

NDP3

DNP3全称是Distributed Network Protocol 3，分布式网络协议3，这个协议在各种工业系统中都应用很多。它比起s7comm大刀阔斧做的协议栈要简单的多，是完全基于TCP/IP的，只是修改了应用层（但比modbus的应用层要复杂得多），在应用层实现了对传输数据的分片、校验、控制等诸多功能。

DNP借助TCP在以太网上运行，使用的端口是20000端口，是一种应用于自动化组件之间的通信协议。

 

OPC

OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的OLE）是世界上最广为应用的信息交换的互操作标准，它具有安全性、可靠性以及平台独立性。

工业网络协议总体上可以归类为内部私有网络协议，其协议规约是由厂商根据自己的设备自行规定的，没有统一的协议标准。

 

Tcnet

TCnet is a network technology certified as an international standard by the International Electrotechnical Commission (IEC) and approved for publication as the Public Available Specification (PAS). It features both real-time capability and high reliability based on Ethernet.

 

参考链接：https://www.toshiba.co.jp/sis/en/seigyo/tcnet/tcnet.htm

 

Wnet

WNET (a.k.a. NetBEUI) protocol no longer performs client impersonation.

 

In all previous Firebird versions, remote requests via WNET are performed in the context of the client security token. Since the server serves every connection according to its client security credentials, this means that, if the client machine is running some OS user from an NT domain, that user should have appropriate permissions to access the physical database file, UDF libraries, etc., on the server filesystem. This situation is contrary to what is generally regarded as proper for a client-server setup with a protected database.

 

参考链接：

http://blog.chinaunix.net/uid-13438841-id-2891672.html

https://firebirdsql.org/rlsnotesh/new-win-protocol.html

 

 

工业无线网

IEEE 802.11(a/b/g/n)

802.11a，1999年，物理层补充(54Mbit/s工作在5GHz) 。

802.11b，1999年，物理层补充(11Mbit/s工作在2.4GHz) 。

802.11g，2003年，物理层补充(54Mbit/s工作在2.4GHz) 。

802.11n，更高传输速率的改善。

 

参考链接：https://blog.csdn.net/wo41521/article/details/89490801

 

Rfieldbus

Wireless Fieldbus-RFieldbus

 

参考链接：

http://wiki.cnki.com.cn/HotWord/3134574.htm

http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JSJH200303005.htm

 

ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

 

参考链接：https://baike.baidu.com/item/zigbee/2114780