工業(yè)系統(tǒng)中常用通訊協(xié)議

工業(yè)系統(tǒng)中常用通訊協(xié)議匯報(bào)人：AA2024-01-21BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA目錄CONTENTS通訊協(xié)議概述串行通訊協(xié)議并行通訊協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議通訊協(xié)議的選擇與應(yīng)用BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA01通訊協(xié)議概述通訊協(xié)議是指為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間以及計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部分之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而制定的一組規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)和約定的集合。根據(jù)通訊方式和應(yīng)用場(chǎng)景的不同，通訊協(xié)議可分為串行通訊協(xié)議、并行通訊協(xié)議、現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議等。定義與分類(lèi)分類(lèi)定義123通過(guò)通訊協(xié)議，不同設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和共享，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確性。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換合理的通訊協(xié)議設(shè)計(jì)可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，減少數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤和故障。保證系統(tǒng)穩(wěn)定性通訊協(xié)議作為計(jì)算機(jī)通訊領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了不同廠商和設(shè)備之間的兼容性和互操作性，推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展。促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展通訊協(xié)議的重要性在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，各種自動(dòng)化設(shè)備之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作，通訊協(xié)議是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。自動(dòng)化設(shè)備之間的通訊上位機(jī)（如PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)等）與下位機(jī)（如傳感器、執(zhí)行器等）之間需要通過(guò)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制。上位機(jī)與下位機(jī)的通訊隨著工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展，工業(yè)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接越來(lái)越緊密，通訊協(xié)議是實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接工業(yè)系統(tǒng)中通訊協(xié)議的應(yīng)用場(chǎng)景BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA02串行通訊協(xié)議采用不平衡傳輸方式，即單端通訊。傳輸方式信號(hào)電平傳輸距離傳輸速率邏輯“1”的電平為-3V～-15V，邏輯“0”的電平為+3～+15V。標(biāo)準(zhǔn)值最大傳輸距離為15米，實(shí)際可達(dá)50米。在10米距離內(nèi)，傳輸速率可達(dá)115.2kbit/s。RS-232協(xié)議采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，即A、B兩線間的電平差為+(2～6)V表示“0”；-(2～6)V表示“1”。傳輸方式接口信號(hào)電平比RS-232降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。信號(hào)電平最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺（約1219米），實(shí)際上可達(dá)3000米。傳輸距離最大傳輸速率為10Mb/s，在100Kb/S下可以傳輸1200米。傳輸速率RS-485協(xié)議采用多主從結(jié)構(gòu)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從。傳輸方式速率可高達(dá)1Mbps，此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40米。傳輸速率顯性電平對(duì)應(yīng)邏輯“0”，CAN_H和CAN_L之差為2.5V左右；隱性電平對(duì)應(yīng)邏輯“1”，CAN_H和CAN_L之差近似為0V。信號(hào)電平最大傳輸距離取決于網(wǎng)絡(luò)的總線驅(qū)動(dòng)器和接收器的性能，實(shí)際可達(dá)10千米（速率低于5Kbps）或40米（速率1Mbps）。傳輸距離CAN總線協(xié)議BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA03并行通訊協(xié)議123基于TCP/IP和以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用層協(xié)議支持實(shí)時(shí)控制和信息集成，可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)通訊廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，支持多種設(shè)備類(lèi)型和廠商Ethernet/IP協(xié)議基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)通訊和分布式自動(dòng)化系統(tǒng)的無(wú)縫集成提供了豐富的診斷和維護(hù)功能，降低了系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間PROFINET協(xié)議CC-Link協(xié)議01基于現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放式工業(yè)自動(dòng)化通訊協(xié)議02實(shí)現(xiàn)了高速、高效、穩(wěn)定的通訊性能，支持多種傳輸介質(zhì)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備之間的通訊，如PLC、傳感器、執(zhí)行器等03BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA04現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議PROFIBUSDP用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的高速數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)分散式I/O通信。PROFIBUSPA用于過(guò)程自動(dòng)化，滿足本質(zhì)安全要求，適用于防爆場(chǎng)合。PROFIBUSFMS用于車(chē)間級(jí)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)控制，提供中等傳輸速度的通信服務(wù)。PROFIBUS協(xié)議03SE用于低速串行通信，支持多種物理介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。01H1用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，采用兩線制傳輸方式，支持總線供電和本質(zhì)安全。02HSE用于高速以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)與上層管理系統(tǒng)的無(wú)縫集成。FOUNDATIONFieldbus協(xié)議設(shè)備描述采用CANopen協(xié)議棧，支持設(shè)備描述語(yǔ)言（EDDL），實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自我描述和配置。實(shí)時(shí)性采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和事件觸發(fā)?；ゲ僮餍宰裱瓏?guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保不同廠商設(shè)備之間的互操作性?？煽啃圆捎缅e(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制，確保通信的可靠性和穩(wěn)定性。DeviceNet協(xié)議BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA05工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議實(shí)時(shí)性EtherCAT是一種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，具有極高的數(shù)據(jù)傳輸速率和確定性，適用于需要高精度同步和實(shí)時(shí)控制的工業(yè)應(yīng)用。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)EtherCAT支持線型、樹(shù)型、星型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，方便靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。高效性EtherCAT采用主從通信模式，通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，降低了通信延遲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)銷(xiāo)。EtherCAT協(xié)議確定性SERCOSIII協(xié)議具有確定性的數(shù)據(jù)傳輸特性，可確保在固定時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸和處理，滿足實(shí)時(shí)控制的需求?？煽啃許ERCOSIII協(xié)議采用冗余通信機(jī)制，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同步性SERCOSIII是一種同步實(shí)時(shí)通信協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的時(shí)鐘同步和位置控制，適用于高性能的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。SERCOSIII協(xié)議靈活性Powerlink協(xié)議支持多種傳輸模式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活配置和優(yōu)化。互操作性Powerlink協(xié)議具有良好的互操作性，可與多種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成。實(shí)時(shí)性Powerlink是一種基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議，具有低延遲、高吞吐量的特點(diǎn)，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)應(yīng)用。Powerlink協(xié)議BIGDATAEMPOWERSTOCREATEANEWERA06通訊協(xié)議的選擇與應(yīng)用實(shí)時(shí)性對(duì)于需要實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制的應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)選擇具有低延遲和高可靠性的通訊協(xié)議。可擴(kuò)展性考慮到未來(lái)工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展，選擇具有良好可擴(kuò)展性的通訊協(xié)議，以便輕松適應(yīng)新的設(shè)備和功能。安全性確保所選通訊協(xié)議具有足夠的安全性，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)泄露。兼容性選擇的通訊協(xié)議應(yīng)與現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備兼容，以確保無(wú)縫集成和數(shù)據(jù)交換。通訊協(xié)議選擇的原則不同通訊協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)比較Modbus優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、開(kāi)放且易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率較慢，不適合大型網(wǎng)絡(luò)。Profinet優(yōu)點(diǎn)是高速、高效且支持實(shí)時(shí)通信，缺點(diǎn)是成本較高，需要專(zhuān)用硬件支持。EtherNet/IP優(yōu)點(diǎn)是兼容性好、傳輸速率快且支持實(shí)時(shí)通信，缺點(diǎn)是安全性相對(duì)較低，需要額外配置安全措施。OPCUA優(yōu)點(diǎn)是跨平臺(tái)、安全性高且支持多種傳輸協(xié)議，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，需要專(zhuān)業(yè)的開(kāi)發(fā)支持。案例一某石油化工廠采用Modbus協(xié)議進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)警。案例三某電力公司采用EtherNet/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了智能電