为什么工业现场要搞那么多不同的通讯协议？（一）

这个问题比较大，我们就简单说一说工业领域里面有五花八门的通讯协议的主要原因和工业总线的发展历史。

主要观点来自于这本书：书名：Industrial Communication Technology Handbook 版本：第二版 作者：Richard Zurawski。

IEC在1985年曾经设想通过委员会来确定一种唯一的标准化的总线系统，来统一工厂和流程自动化的网络江湖。

但是经过14年的技术和政治斗争，最终失败了。取而代之的是妥协的产物IEC 61158和IEC 61784-1。我们来看下IEC 61158标准的画风：

经过各个国家代表长达十几年的争论，最终的总线标准不是一种，而是20种！

惊不惊喜，意不意外？

这就相当于本来地球联盟想要创建一个新的世界语，让所有人不要再从幼儿园到大学辛辛苦苦学外语，结果各国争论了十几年，最终制定的地球语言标准是列举了二十种现在大家正在使用的最流行的语言。

工业和智能楼宇等领域存在许多种现场总线标准，主要由于如下4个原因：

    •     工业现场有各种网络拓扑类型

    •     工业现场需要传输的数据的特点不同

    •     技术进步和市场需求导致出现新的总线标准

    •     不同企业和国家要制定自己的现场总线标准，通过标准获利

其中原因1、2是最主要的因素，是内因，原因3、4是次要因素，同时也是外因。

首先我们直观感受下有哪些现场总线：

原因一、工业现场有各种网络拓扑类型

工业总线是数字化的通信标准，用于取代模拟信号传输，让更多的信息可以在现场设备和高层的控制系统之间进行双向传输。

那双向传输数据是在哪两端之间进行双向传输呢？我们看下工厂的自动化金字塔模型：

从上图我们可以看到，工厂里的网络按照实际业务其实分为6层。比如最底层的传感器和执行器需要与PLC或CNC等控制器进行连接，PLC、CNC与设备主控制器之间也需要组网；更上层的车间里的所有设备需要通过网络互相通信，在车间级上面是工厂级、企业级的生产信息的网络。

OSI模型提出的年代，有许多计算机网络系统互相不兼容。要是想在不同计算机网络之间互相通信，就需要投入许多特殊的软件和硬件去做网络适配。OSI模型就是要解决这个问题。

ISO引入了开放系统的概念。开放系统包含遵循一组标准的软件组件和硬件组件。其实这个与现在的AWS云计算是同样的道理。AWS通过提供标准化的API接口和服务。边缘计算EdgeX框架和IIC的架构也是同样的设计思路。而开放系统定义了标准的软件接口和硬件，有了这些标准，就可以保证不同厂商的设备可以互相兼容互相通信。

为了简化数据传输这个复杂的问题，OSI模型采用了严格的层级化的分层模型。

OSI模型有三个重要的概念：

    •     协议：第N层的协议跟对等的N层协议进行对话。

    •     服务：每一层向上一层提供服务， 上一层调用下一层的服务

    •     接口：每两层之间，上一层根据服务接口调用下一层的服务而不用知道具体实现

现场总线协议也是根据ISO/OSI模型来建模的。但是在大部分情况下，实际只用了1、2、7层。这是从MAP的失败中吸取的教训。要是完整实现7层模型，要的资源要多得多，也没法高效的实现。因此MiniMAP和后续的IEC总线标准就只有三层结构：物理层、数据链路层和应用层。

简化的协议层栈反映了许多自动化应用中的实际情况。许多总线都是独立的网络，用中继器最多用网桥来扩展。因此，网络层和传输层（主要用于路由和端到端控制）就不必要了。其他省略掉的层也是同样道理。总线协议不是太复杂的。因此会话和表示层也不是必需的。

但是也不是所有的总线系统都是1、2、7层架构。有几种总线，明确定义了其他层。特别是在智能楼宇领域，情况有点特殊。由于智能楼宇里面节点数量众多，总线要有能力支持层级化的网络拓扑结构，比如三号楼/二夹层/3号新风系统/某控制器/…。

因此智能楼宇总线只有三层就不合理了。

EIB和KNX就有网络和传输层，用于在层级化的网络拓扑结构中路由和端到端控制。

BACnet有网络层，这个网络层对它很重要，因为BACnet是个高层协议，需要控制多种低层协议和链路，比如以太网、基于RS-485的MS/TP和LonTalk。对于这种异构的网络，一个统一的网络层就很重要。

当然有时也会需要3-6层的特定功能。这种情况下会把所需的功能放到2层或7层。对于IEC 61158总线标准，3和4层的功能可以放在2层或7层，而5、6层的功能总是放在7层。

总线里面协议结构最复杂的应该是LonWorks。哪怕现在主要用于智能楼宇，它其实设计为一个应用领域无关的通用的控制网络。它与一般的高效的常规总线相比，更像局域网。在LonTalk协议里，定义了OSI的所有7层，虽然第6层功能很少。第3层网络层功能特别丰富，支持许多类型的数据链路（智能楼宇领域数据链路种类特别多）、支持许多地址寻址模式、高级路由功能、支持许多通信对象，不光可以传输过程数据和网络管理，还可以文件传输。

工控领域中常用的总线系统中，ControlNet和P-NET比较特别，它们都实现了3层和4层。