本文主要觀點(diǎn)來自于《Industrial Communication Technology Handbook》(版本：第二版 作者：Richard Zurawski)這本書：
IEC在1985年曾經(jīng)設(shè)想通過委員會來確定一種唯一的標(biāo)準(zhǔn)化的總線系統(tǒng)，來統(tǒng)一工廠和流程自動化的網(wǎng)絡(luò)江湖。但是經(jīng)過14年的技術(shù)和政治斗爭，最終失敗了。取而代之的是妥協(xié)的產(chǎn)物IEC 61158和IEC 61784-1。
我們來看下IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)的畫風(fēng)：
經(jīng)過各個國家代表長達(dá)十幾年的爭論，最終的總線標(biāo)準(zhǔn)不是一種，而是20種！
工業(yè)領(lǐng)域存在多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的原因
工業(yè)和智能樓宇等領(lǐng)域存在多種現(xiàn)場總線類型，主要由于如下4個原因：
1、工業(yè)現(xiàn)場有各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋?/span>
2、工業(yè)現(xiàn)場需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的特點(diǎn)不同
3、技術(shù)進(jìn)步和市場需求導(dǎo)致出現(xiàn)新的總線標(biāo)準(zhǔn)
4、不同企業(yè)和國家要制定自己的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)獲利
其中原因1、2是最主要的因素，是內(nèi)因，原因3、4是次要因素，同時也是外因。
首先我們直觀感受下有哪些現(xiàn)場總線：
原因一、工業(yè)現(xiàn)場有各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋?/span>
工業(yè)總線是數(shù)字化的通信標(biāo)準(zhǔn)，用于取代模擬信號傳輸，讓更多的信息可以在現(xiàn)場設(shè)備和高層的控制系統(tǒng)之間進(jìn)行雙向傳輸。
那雙向傳輸數(shù)據(jù)是在哪兩端之間進(jìn)行雙向傳輸呢？我們看下工廠的自動化金字塔模型：
從上圖我們可以看到，工廠里的網(wǎng)絡(luò)按照實(shí)際業(yè)務(wù)其實(shí)分為6層。比如最底層的傳感器和執(zhí)行器需要與PLC或CNC等控制器進(jìn)行連接，PLC、CNC與設(shè)備主控制器之間也需要組網(wǎng)；更上層的車間里的所有設(shè)備需要通過網(wǎng)絡(luò)互相通信，在車間級上面是工廠級、企業(yè)級的生產(chǎn)信息的網(wǎng)絡(luò)。
OSI模型提出的年代，有許多計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互相不兼容。要是想在不同計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間互相通信，就需要投入許多特殊的軟件和硬件去做網(wǎng)絡(luò)適配。OSI模型就是要解決這個問題。
ISO引入了開放系統(tǒng)的概念。開放系統(tǒng)包含遵循一組標(biāo)準(zhǔn)的軟件組件和硬件組件。其實(shí)這個與現(xiàn)在的AWS云計算是同樣的道理。AWS通過提供標(biāo)準(zhǔn)化的API接口和服務(wù)。邊緣計算EdgeX框架和IIC的架構(gòu)也是同樣的設(shè)計思路。而開放系統(tǒng)定義了標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口和硬件，有了這些標(biāo)準(zhǔn)，就可以保證不同廠商的設(shè)備可以互相兼容互相通信。
為了簡化數(shù)據(jù)傳輸這個復(fù)雜的問題，OSI模型采用了嚴(yán)格的層級化的分層模型。
OSI模型有三個重要的概念：
1、協(xié)議，第N層的協(xié)議跟對等的N層協(xié)議進(jìn)行對話。
2、服務(wù)：每一層向上一層提供服務(wù)， 上一層調(diào)用下一層的服務(wù)
3、接口：每兩層之間，上一層根據(jù)服務(wù)接口調(diào)用下一層的服務(wù)而不用知道具體實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)場總線協(xié)議也是根據(jù)ISO/OSI模型來建模的。但是在大部分情況下，實(shí)際只用了1、2、7層。這是從MAP的失敗中吸取的教訓(xùn)。要是完整實(shí)現(xiàn)7層模型，要的資源要多得多，也沒法高效的實(shí)現(xiàn)。因此MiniMAP和后續(xù)的IEC總線標(biāo)準(zhǔn)就只有三層結(jié)構(gòu)：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
簡化的協(xié)議層棧反映了許多自動化應(yīng)用中的實(shí)際情況。許多總線都是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，用中繼器最多用網(wǎng)橋來擴(kuò)展。因此，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層(主要用于路由和端到端控制)就不必要了。其他省略掉的層也是同樣道理?？偩€協(xié)議不是太復(fù)雜的。因此會話和表示層也不是必需的。
但是也不是所有的總線系統(tǒng)都是1、2、7層架構(gòu)。有幾種總線，明確定義了其他層。特別是在智能樓宇領(lǐng)域，情況有點(diǎn)特殊。由于智能樓宇里面節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，總線要有能力支持層級化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如三號樓/二夾層/3號新風(fēng)系統(tǒng)/某控制器/…。
因此智能樓宇總線只有三層就不合理了。
EIB和KNX就有網(wǎng)絡(luò)和傳輸層，用于在層級化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中路由和端到端控制。
BACnet有網(wǎng)絡(luò)層，這個網(wǎng)絡(luò)層對它很重要，因為BACnet是個高層協(xié)議，需要控制多種低層協(xié)議和鏈路，比如以太網(wǎng)、基于RS-485的MS/TP和LonTalk。對于這種異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層就很重要。
當(dāng)然有時也會需要3-6層的特定功能。這種情況下會把所需的功能放到2層或7層。對于IEC 61158總線標(biāo)準(zhǔn)，3和4層的功能可以放在2層或7層，而5、6層的功能總是放在7層。
總線里面協(xié)議結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的應(yīng)該是LonWorks。哪怕現(xiàn)在主要用于智能樓宇，它其實(shí)設(shè)計為一個應(yīng)用領(lǐng)域無關(guān)的通用的控制網(wǎng)絡(luò)。它與一般的高效的常規(guī)總線相比，更像局域網(wǎng)。在LonTalk協(xié)議里，定義了OSI的所有7層，雖然第6層功能很少。第3層網(wǎng)絡(luò)層功能特別豐富，支持許多類型的數(shù)據(jù)鏈路(智能樓宇領(lǐng)域數(shù)據(jù)鏈路種類特別多)、支持許多地址尋址模式、高級路由功能、支持許多通信對象，不光可以傳輸過程數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)管理，還可以文件傳輸。
工控領(lǐng)域中常用的總線系統(tǒng)中，ControlNet和P-NET比較特別，它們都實(shí)現(xiàn)了3層和4層。
原因二、工業(yè)現(xiàn)場需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的特點(diǎn)不同
從總線需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特點(diǎn)來看，也有許多種。有的數(shù)據(jù)要求實(shí)時性高，有的數(shù)據(jù)是周期性的，有的則是突發(fā)的，有的數(shù)據(jù)是生產(chǎn)數(shù)據(jù)，有的數(shù)據(jù)是管理數(shù)據(jù)，有的數(shù)據(jù)是在總線上走隧道.......
這些差異也決定了不可能用一種總線體系來傳輸各種不同特點(diǎn)的數(shù)據(jù)。不同層面的業(yè)務(wù)需求是不同的，因此需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景對相應(yīng)的總線協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
傳感器層面的總線系統(tǒng)，要考慮的重點(diǎn)
1、低成本、高性能，抗干擾，傳輸距離，可靠性，實(shí)時性，與通信硬件接口匹配。
2、控制器之間的總線系統(tǒng)，考慮的是靈活性能適應(yīng)各種業(yè)務(wù)場景和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組態(tài)容易。
3、智能樓宇的總線系統(tǒng)，需要能支持層級化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(工廠-大樓-樓層-控制器-設(shè)備)，支持許多類型的數(shù)據(jù)鏈路(智能樓宇領(lǐng)域數(shù)據(jù)鏈路種類特別多)、支持許多地址尋址模式、高級路由功能。
原因三、技術(shù)進(jìn)步和市場需求導(dǎo)致出現(xiàn)新的總線標(biāo)準(zhǔn)
2000年后，由于以太網(wǎng)的發(fā)展和控制器對實(shí)時性提出更高的要求，許多原來基于串口的總線，改為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，就有了Modbus/TCP、ProfiNET、EtherCAT等總線標(biāo)準(zhǔn)。
同時由于這段時間WSN無線傳感網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展，HART總線也出現(xiàn)了無線版本W(wǎng)ireless-HART。
原因四、不同企業(yè)和國家要制定自己的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)獲利
都說一流企業(yè)定標(biāo)準(zhǔn)，可見標(biāo)準(zhǔn)的重要性。對于標(biāo)準(zhǔn)制定企業(yè)來說，可以通過標(biāo)準(zhǔn)獲利。
從1980起，隨著PLC和智能傳感器和執(zhí)行器的技術(shù)進(jìn)步，自動化行業(yè)有了很大的發(fā)展。對布線緊湊的進(jìn)一步要求，加上微電子行業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)足夠支撐專用總線的發(fā)展。不同的應(yīng)用需求催生了不同的總線系統(tǒng)，當(dāng)時自動化公司設(shè)計開發(fā)總線標(biāo)準(zhǔn)也是行業(yè)趨勢和時髦的事情，就像現(xiàn)在每個工控公司都在搞工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一樣。
對總線概念理解的幾個澄清
工廠里車間里有各種各樣的網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)、無線、工業(yè)總線等，互相通訊很困難。
普通的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有Area的概念，如局域網(wǎng)Local Area Network，個域網(wǎng)PAN Personal Area Network，廣域網(wǎng)WAN。工廠里也有Area的概念，比如CAN就是控制器局域網(wǎng)絡(luò)Controller Area Network。
工業(yè)現(xiàn)場的許多傳感器總線沒有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層都不需要。同一個總線也會隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用行業(yè)需求而不斷的發(fā)展演化不同的版本，典型的就是CAN總線標(biāo)準(zhǔn)。看一個總線標(biāo)準(zhǔn)好不好，首先要基于其應(yīng)用場合，其次要結(jié)合該總線出現(xiàn)的時代背景來理解其設(shè)計的年代和理念。
總線標(biāo)準(zhǔn)能否在市場上成功，不是遵循適者生存的模式，而是看總線標(biāo)準(zhǔn)提出者的市場占有率。這個提出者可以是工業(yè)巨頭如西門子、施耐德和他們的一班Partner小弟公司，也可以是許多工控公司和IT公司結(jié)盟組成的標(biāo)準(zhǔn)委員會。簡單的將總線分為現(xiàn)場傳感器執(zhí)行器的總線和機(jī)器/生產(chǎn)流程總線是錯誤的，實(shí)際分類比這個復(fù)雜。
總線的最早起源其實(shí)是航空和汽車行業(yè)，后面才應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場和智能樓宇等領(lǐng)域。每種工業(yè)總線的解決方案都是聚焦于解決特定問題的，在設(shè)計時會綜合考慮性能、可靠性、硬件成本、軟件成本、靈活性、管理便捷性等各種因素。
工業(yè)總線通常情況下是網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng)，但是在一些情況下也會呈現(xiàn)出分布式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。
許多總線只定義了OSI 7層模型的1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。原因是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，不需要路由功能和端到端的控制。
現(xiàn)場總線發(fā)展歷史
第一階段：1970年~1980年 醞釀階段
現(xiàn)場總線的起源來自四個方面的技術(shù)進(jìn)步：基于電話網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如V.21、X.21等，是現(xiàn)場總線串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋亲?。?shí)驗測量儀器和計算機(jī)外設(shè)的并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸。電子工程師定義標(biāo)準(zhǔn)化的通訊接口的理念也被現(xiàn)場總線繼承了。另外多個空間上分布的多個實(shí)驗儀器數(shù)據(jù)如何多站multidrop實(shí)時傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，如用于核物理的計算機(jī)自動測量和控制CAMAC標(biāo)準(zhǔn)和電子測試設(shè)備總線GPIB，也建立起來了。計算機(jī)科學(xué)理論的發(fā)展OSI模型自頂向下的分層設(shè)計理念，后來成為了現(xiàn)場總線分層設(shè)計的核心指導(dǎo)思想。電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路微型化、I2C、微處理器、連接器技術(shù)、RS-485差分信號抗干擾，成為后來總線標(biāo)準(zhǔn)的硬件技術(shù)的基石。
在航空航天領(lǐng)域，由于對接線和重量的限制要求，遠(yuǎn)在板級總線發(fā)明之前，在1973年就已經(jīng)有了MIL STD 1553總線。它是第一種真正的現(xiàn)場總線，首先用于F16戰(zhàn)斗機(jī)上。它已經(jīng)有了當(dāng)代總線的許多特點(diǎn)：
◆數(shù)據(jù)和控制命令在同一根線上串行傳輸
◆主從結(jié)構(gòu)
◆遠(yuǎn)距離傳輸
◆集成控制器
后來，為了降低布線重量和成本，汽車和工控行業(yè)借鑒航空航天領(lǐng)域的設(shè)計，按照類似的想法設(shè)計了幾種工業(yè)總線。重要的有Modbus、GPIB等總線。
第二階段：1980年~2000年 發(fā)展階段
從1980起，隨著PLC和智能傳感器和執(zhí)行器的技術(shù)進(jìn)步，自動化行業(yè)有了很大的發(fā)展。對布線緊湊的進(jìn)一步要求，加上微電子行業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)足夠支撐專用總線的發(fā)展。不同的應(yīng)用需求催生了不同的總線系統(tǒng)，當(dāng)時自動化公司設(shè)計開發(fā)總線標(biāo)準(zhǔn)也是行業(yè)趨勢和時髦的事情，就像現(xiàn)在每個工控公司都在搞工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一樣。
1978年Hubert Zimmermann提出了OSI模型，ISO于1984年發(fā)布了ISO/OSI模型標(biāo)準(zhǔn)。ISO/OSI模型是對現(xiàn)場總線最重要的貢獻(xiàn)。OSI模型的設(shè)計目的是成為一個所有設(shè)備廠商都能實(shí)現(xiàn)的開放網(wǎng)絡(luò)模型，來克服使用眾多私有網(wǎng)絡(luò)模型所帶來的集成困難。而現(xiàn)場總線也是要解決工廠里的各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互相通信的問題。因此OSI模型很快成為了現(xiàn)場總線設(shè)計的指導(dǎo)思想。
1982年GM首先使用OSI模型理念，設(shè)計了Manufacturing Application Protocol，簡稱MAP，試圖解決工業(yè)現(xiàn)場各種層級的網(wǎng)絡(luò)的通信問題。這個協(xié)議設(shè)計地強(qiáng)大又靈活，但是不可避免也變得很復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本太高。于是就對這個協(xié)議進(jìn)行了簡化，簡化的結(jié)果就是MiniMAP協(xié)議。MiniMAP協(xié)議只有1、2、7層，專注于工廠里的底層網(wǎng)絡(luò)通訊問題，而不是所有層面的通訊都要考慮。但是這個協(xié)議還是沒有獲得成功。
后來取得成功的是Manufacturing Message Specification(MMS)協(xié)議。它定義了許多抽象對象和服務(wù)，后來成為許多其他總線協(xié)議設(shè)計的起點(diǎn)。
許多現(xiàn)場總線的一個特點(diǎn)是根據(jù)傳統(tǒng)接口來定義，只有最下面的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒有應(yīng)用層。后來應(yīng)用層也加上了，這樣就可以用于其他領(lǐng)域。
CAN就是一個這個演化過程的例子：起先CAN用于汽車行業(yè)，所以定義了OSI模型的最下面兩層就夠用了。但是在工控領(lǐng)域，擴(kuò)展性和互操作性很重要，高層的功能很重要。于是到了工控領(lǐng)域，就加上了一層特殊的應(yīng)用層。CAN一開始沒有定義應(yīng)用層，反而成了許多不同的總線系統(tǒng)(CANopen、SDS、DeviceNet)使用CAN作為低層接口的原因。
第三階段：2000年~現(xiàn)在 繁榮階段
2000年后，由于以太網(wǎng)的發(fā)展和對實(shí)時性要求的提高，許多原本基于串口的總線逐漸改為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如Modbus/TCP、ProfiNET、EtherCAT等標(biāo)準(zhǔn)。同時，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)的發(fā)展，HART總線也推出了無線版本W(wǎng)ireless-HART。這些通訊協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用是為了滿足不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的通訊需求。每種協(xié)議都有其特定的優(yōu)勢和適用場景，比如Modbus/TCP適用于簡單的數(shù)據(jù)交換，而EtherCAT則適用于對實(shí)時性要求更高的應(yīng)用。這種多樣化的通訊協(xié)議使得工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備能夠更加靈活地互聯(lián)互通，提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)可靠性。因此，盡管增加了一定的復(fù)雜性和成本，但使用不同的通訊協(xié)議能夠更好地滿足工業(yè)現(xiàn)場的多樣化需求，促進(jìn)了工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
