工業(yè)網絡協(xié)議構成了工業(yè)網絡設備之間通信的基礎，而在過去的幾十年里人們開發(fā)了很多工業(yè)特有的網絡協(xié)議，每種協(xié)議都針對特定用途和環(huán)境而設計。
前面我們總結了工業(yè)領域常用的一些總線與協(xié)議：
最全整理工業(yè)通訊上的領域各種總線+協(xié)議+規(guī)范+接口—數(shù)據采集與控制
史上最全網絡通訊(IIOT、工業(yè)控制、5G、區(qū)塊鏈)協(xié)議全景圖
對于很多非專業(yè)人士或者行業(yè)小白來說，可能不夠體系，因此今天我們再從現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網，工業(yè)無線三個方面，來整體闡述工業(yè)網絡與常用協(xié)議，期待讓IT和OT專業(yè)人士和小白都能有一個比較清晰的認識~
01 工業(yè)網絡與協(xié)議綜述
02 現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網和工業(yè)無線總結
03 IT/OT網絡與工業(yè)網絡的規(guī)劃與選型
01 工業(yè)網絡與協(xié)議綜述
工業(yè)網絡對于工廠的運營而言至關重要。工業(yè)網絡匯集了成千上萬用于控制和監(jiān)測的終端節(jié)點，通常會在惡劣的環(huán)境下運行，所以對于連接性能和通信有著嚴格的要求。
下圖概括出它的主要應用領域以及今天在這些領域中的各種可用協(xié)議。工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 的出現(xiàn)以及無線和以太網的全新連接能力，正在改變這類協(xié)議的環(huán)境。
但是對于非業(yè)內人士和小白來說，面對各種雜亂的工業(yè)協(xié)議，總是充滿了無奈，因此在今天的入門介紹中，我們將探究工業(yè)環(huán)境中所使用的一些關鍵協(xié)議，并對促使這類協(xié)議演變從而支持下一代工業(yè)環(huán)境的新興趨勢進行評價。
首先，工業(yè)網絡最典型的架構還是下圖的制造業(yè)金字塔，美國標準院推薦了一種常用的參考模型（ISA-95），用于開發(fā)自動化企業(yè)和控制系統(tǒng)之間的接口。它為信息交換提供了標準，減少了 MES- ERP 集成的費用，與產品的生命周期管理協(xié)同工作。由于可以提供生產能力和狀態(tài)，提高了生產制造的靈活性，提供了一套信息集成的架構和標準模型。這樣定義了 ERP 和 MES 的界限和信息流。
關于其中的工業(yè)網絡層級，我們前面就專門進行了介紹，讓大家先有一個比較宏觀的概念，對于理解自動化，信息化和數(shù)字化也有很好的幫助~
工業(yè)通訊網絡層級全解讀，解析工業(yè)網絡的自動化金字塔
總的來說，可以分為以下幾個層級：
1.現(xiàn)場層——這個層面由大量的傳感器和執(zhí)行器節(jié)點構成。傳感器節(jié)點通常會收集環(huán)境或過程控制信息，并將它們傳送回控制器或用于監(jiān)控。執(zhí)行器會將從控制器接收的指令轉化為現(xiàn)場設備電機的實際動作。
2.控制層——即邏輯控制器，可以是分布式的，也可以是集中式的，它們對傳感器/執(zhí)行器的數(shù)據進行匯總，然后輸送到更大規(guī)模的工廠控制系統(tǒng)。通常還可以使用可編程邏輯控制器 (PLC) 或分布式控制系統(tǒng) (DCS) 為工廠中的特定域組提供局部控制。它們會執(zhí)行邏輯、排序、計時、計數(shù)和計算等各類機器或過程指令，通過數(shù)字或模擬模塊進行控制。
3.SCADA層——這個層面包括配備人機界面的各類工廠控制系統(tǒng)，用于管理工廠運營。監(jiān)控和數(shù)據采集 (SCADA) 系統(tǒng)向操作人員報告各類信息，提供針對警報的連續(xù)遠程監(jiān)控以及整個托管系統(tǒng)的綜合視圖。這個層面的主要功能還包括數(shù)據處理、日志記錄和歷史趨勢分析等。
4.執(zhí)行與規(guī)劃層——負責工程和生產的執(zhí)行。生產執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 會負責執(zhí)行資源和設備調度，并制定在制品 (WIP) 操作規(guī)范以及一般工作計劃。這個層面是業(yè)務優(yōu)先級和操作系統(tǒng)之間的接口。采購、庫存、需求規(guī)劃以及預測管理等與企業(yè)和規(guī)劃相關的職能，是這個層面中企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 系統(tǒng)所負責的關鍵職能。
02 現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網和工業(yè)無線總結
工業(yè)網絡的嚴格要求在歷史上推動了各種私有協(xié)議和應用專屬協(xié)議的產生。有線和無線網絡都有專屬的協(xié)議集。盡管可用的協(xié)議有很多，但大多數(shù)有線協(xié)議都遵循兩個標準：現(xiàn)場總線或者工業(yè)以太網。
在當代，無線連接降低網絡成本的潛力日益凸顯，Wi-Fi、蜂窩網絡、藍牙以及 ZigBee 等協(xié)議都得到不同程度的應用。 此外，IO-Link，一種串行接口點對點協(xié)議，在智能傳感器之類的應用中也在逐漸普及。不過隨著工業(yè)互聯(lián)網、工業(yè)4.0等概念的深入人心，紛繁復雜的各種工業(yè)總線，協(xié)議等制約了整個設備聯(lián)網，數(shù)據采集的進程~
下面列舉了一些工業(yè)領域非常想見的工業(yè)通訊協(xié)議。整體上講，工業(yè)通訊分為有線通信和無線通信。其中有線通訊技術包括了現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網等工業(yè)無線則包括了Wi-FI、LoRA等等我們常見的協(xié)議下面我們就現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網和工業(yè)無線三個方面來和大家探究下~
現(xiàn)場總線
現(xiàn)場總線是一系列工業(yè)網絡協(xié)議的總稱，主要用于實時分布式控制，目前的工業(yè)總線網絡可歸為485網絡和FieldBUS現(xiàn)場總線網絡。我們先說一說RS 485和與它關系密切的RS 422和RS 2325之間的特點：
現(xiàn)場總線相比傳統(tǒng)I/O通信的最大優(yōu)勢在于它可以大幅縮減工廠的供電線路。下表羅列出了常見現(xiàn)場總線各種協(xié)議及其相應特點。它們各自的優(yōu)點、缺點以及適用性也有提及。簡單可靠是現(xiàn)場總線最重要的特征，在工業(yè)以太網興起之前，它成為了工業(yè)網絡的首選
工業(yè)以太網：
經過多年的發(fā)展，工業(yè)以太網已經成為了主流，根據HMS的報告，其市場份額超過了現(xiàn)場總線：
2020工業(yè)網絡市場份額報告：主流工業(yè)以太網、現(xiàn)場總線、工業(yè)無線份額對比
工業(yè)以太網持續(xù)推動工廠的工業(yè)互聯(lián)，并不斷蠶食著現(xiàn)場總線的市場份額，總的來說常見的PROFINET、ETHERNET/IP、POWERLINK、ETHERCAT、MODBUS TCP等工業(yè)以太網背后都有著西門子、羅克韋爾、施耐德、倍福、三菱、菲尼克斯等傳統(tǒng)工業(yè)巨頭的身影
但無論是以上哪一種工業(yè)以太網，我們都可以將他們分為三類：
1.完全基于TCP\UDP\IP，硬件層未更改，采用傳統(tǒng)以太網控制器,典型的有標準PROFINET、ETHERNET/IP、MODBUS TCP
2.部分基于TCP\UDP\IP，硬件層未更改，具有Process Data協(xié)議，直接由以太網幀進行傳輸，TCP/UDP依然存在，不過由Timing Layer控制,典型的有PROFINET RT、POWERLINK
3.硬件層更改，使用實時以太網控制器,典型的有PROFINET IRT、CC-LINK IE 、SERCOS III 、ETHERCAT
更詳細的解讀，前面我們的文章：
技術解讀PROFINET、Ethernet/IP等7種主流工業(yè)以太網
當中就曾經詳細解讀過，再次不再贅述，當然不論怎么樣，前提你得先對以太網有一定的基礎認識~
無線協(xié)議：
無線技術為節(jié)省網絡運營成本和簡化安裝帶來了新的機遇。雖然這類協(xié)議仍處于發(fā)展的早期階段，但是越來越多的人認為它會是工業(yè)網絡的未來。它的主要優(yōu)點是不需要布置供電線路，而且能夠連接更多監(jiān)測和控制點。如今，傳感器和測量裝置是無線協(xié)議的主要使用對象。
最常見的工業(yè)自動化無線技術包括 802.11.x Wi-Fi、藍牙、蜂窩網絡、無需許可證的私有 ISM 頻段無線電以及 WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA 以及 ZigBee 等基于802.15.4 的協(xié)議。Wi-Fi 的使用通常伴隨著工業(yè)以太網的部署，并且通常作為通信的第二支柱與以太網共存。藍牙則用于替代點對點（如在 HMI 解決方案和現(xiàn)場設備之間）的布線。蜂窩網絡通常用于工廠之間的遠程通信，遠程SCADA 應用中遠程設備的連接，以及機械設備和機器人的第三方訪問。下表羅列出了各種協(xié)議及其相應特點。隨著數(shù)據分析和物聯(lián)網帶來新的可能性，無線協(xié)議將在工業(yè)環(huán)境中繼續(xù)增長。
前面我們也專門系統(tǒng)的分析了工業(yè)互聯(lián)網時代的一些無線協(xié)議：
03 IT/OT網絡與工業(yè)網絡的規(guī)劃與選型
IT、OT與CT的不斷融合是這個時代不變的主題，網絡作為貫穿IT和OT各個層級的基礎，不論是企業(yè)網絡，工廠網絡，控制網絡還是現(xiàn)場網絡（如下圖），也不論是ERP、PLM、SRM、MES/MOM、WMS、SCADA/DCS等等，都需要構建強大的網絡，因此網絡的規(guī)劃和選型顯得尤為重要~
前面我們就已經分享了工業(yè)網絡的規(guī)劃與設計：
如何進行工業(yè)網絡規(guī)劃與設計？從工業(yè)系統(tǒng)層級談工業(yè)網絡的規(guī)劃原則
總體來說，協(xié)議和網絡連接要求會隨整個網絡層次上的應用需求、可靠性要求以及帶寬等因素發(fā)生變化。在進行網絡的規(guī)劃、設計的時候，都需要考慮以下因素：
·實時/確定性：部分工業(yè)應用不允許通信過程有任何延遲。那些非實時或者不能將數(shù)據包立即傳送出去的協(xié)議都不符合此類要求。工業(yè)網絡與傳統(tǒng)IT網絡對于網絡延時的敏感差異很大，尤其是在一些運動控制的場景下（如下圖）顯得尤為重要~
·可伸縮性、可擴展性和拓撲：可伸縮性和可擴展性也是需要考慮的重要因素。當需要頻繁添加新節(jié)點或者改變網絡配置時，某些實施過程可能會耗費大量的資金。此外，可以將某些網絡（如 ZigBee）的架構設計成出現(xiàn)故障后立即進行自組織和自我修復，從而讓增加或者刪除新節(jié)點的過程變得既快速又廉價。除此之外，在不同的環(huán)境和應用下，需要不同的網絡架構和拓撲（如下圖），因此這也是必須考慮的因素~
·運行環(huán)境：工業(yè)基礎設施和設備經常會遭受日曬雨淋或者暴露在腐蝕性環(huán)境中。此外，隨著工業(yè)互聯(lián)網時代的到來，安全性和風險需要作專門的考慮。必須選擇那些既不影響通信可靠性，又能夠承受這類環(huán)境要求的網絡和總線。適宜的工作溫度范圍，振動和噪聲的影響，抗干擾能力以及濕度的負面影響，這些都是對應的總線、網絡和協(xié)議選擇時需要考慮的重要因素。
·終端節(jié)點電源：傳感器和執(zhí)行器的終端節(jié)點是工廠控制系統(tǒng)的關鍵輸入，需要持續(xù)供電。因此會同時使用來自電池和電源的電力。由于某些網絡、總線或協(xié)議會比其他協(xié)議消耗更多的電力，因此能否使用電源會影響到這些協(xié)議的使用。
·供電線路：現(xiàn)代化工廠的面積可達幾平方公里，如果使用超長的電線連接終端節(jié)點，費用通常會很高昂。由于控制層和傳感器層的網絡、總線與協(xié)議通常并不通用，所以他們的選擇可能會受到工廠中間控制程度的影響。
·丟包率：某些協(xié)議與其他協(xié)議相比具有更強的適應性，可以極大地緩解由于數(shù)據擁塞、誤碼或連接不良等傳輸問題導致的數(shù)據丟失。雖然丟失部分數(shù)據不會對非關鍵的應用或節(jié)點造成負面影響，但對于某些關鍵應用而言，傳輸過程中則不能出現(xiàn)數(shù)據丟失。
·吞吐量：數(shù)據傳輸?shù)念愋秃痛笮f(xié)議的選擇有著極大的影響。如果是用于傳遞開/關狀態(tài)的簡單二進制數(shù)據，可以將就使用低成本、低吞吐量的協(xié)議。然而，傳輸相機中的圖像數(shù)據則需要能容納更多數(shù)據的協(xié)議。
·網絡范圍、負載和架構：數(shù)據在網絡中傳輸?shù)木嚯x，網絡中節(jié)點的數(shù)量以及網絡架構本身都會對協(xié)議的選擇產生重大的影響。在某些網絡架構中，網絡擁塞、吞吐量和數(shù)據丟失等問題都會變得突出。網絡與協(xié)議的選擇往往決定了工廠能否高效地運營。
·安全性：工業(yè)網絡需要同時防范無意和惡意的威脅。與網站和其他 IT 宕機不同，安全漏洞損害的不僅僅是金錢和聲譽。如果網絡沒有受到足夠的保護（如未被加密），而又網絡遭受攻擊時，人類安全和國家安全都有可能會受到威脅。
好了，今天就到這里，歡迎拍磚，但是拒絕噴子和杠精，保持空杯心態(tài)，保持對新事物的敏感~
