工業(yè)控制中常用的通信協(xié)議有哪些？

工業(yè)控制中的通信協(xié)議就是在工業(yè)場(chǎng)景中，各個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的時(shí)候能夠相互理解的交流語言，就像兩個(gè)不同國(guó)家的人需要先對(duì)應(yīng)好大家一起用英語交流還是用中文交流。下面就簡(jiǎn)單介紹一下在工業(yè)控制中到底存在多少種“語言”，以及各種語言的特點(diǎn)。

 

在眾多公開或私有協(xié)議中可分為如下幾類：

 

標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如Modbus、DNP3、IEC104等，就像國(guó)際通用的交流語言。

 

私有公開：只有廠商自己設(shè)備支持并提供官方協(xié)議文檔，如Omron FINS協(xié)議、三菱Melsec協(xié)議等，就像中國(guó)南方或北大的地方話，只有當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)地區(qū)的人能相互理解。

 

私有不公開：只有廠商自己設(shè)備支持且官方不提供協(xié)議文檔，如S7、西門子PPI協(xié)議、GE SRTP等。

 

下面我們找一些工業(yè)控制系統(tǒng)中比較常用的協(xié)議，詳述一下各協(xié)議的特點(diǎn)。

 

1.Modbus 協(xié)議

 

Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來，在1979年末該公司成為施耐德自動(dòng)化部門的一部分，現(xiàn)在Modbus已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。

 

由于modbus協(xié)議是完全公開透明的，所需的軟硬件又非常簡(jiǎn)單，這就使它成為了一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。

 

Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。

 

modbus通訊協(xié)議是一種主從式異步半雙工通信協(xié)議，采用主從式通訊結(jié)構(gòu)，可以使一個(gè)主站對(duì)應(yīng)多個(gè)從站進(jìn)行雙向通信。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

 

Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU等通訊方式，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的Modicon控制器使用RS232C實(shí)現(xiàn)串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用主-從方式，主站發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，從站接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主站以響應(yīng)請(qǐng)求；主站也可以直接發(fā)消息修改從站的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。

 

當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。

 

當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，Modbus協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成應(yīng)答并使用Modbus協(xié)議發(fā)送給詢問方。

 

Modbus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，ASCII模式采用LRC校驗(yàn)，RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)。另外，Modbus采用主從方式定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用中如果某從站點(diǎn)斷開后（如故障或關(guān)機(jī)），主端可以診斷出來，而當(dāng)故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)又可自動(dòng)接通。因此，Modbus協(xié)議的可靠性較好。

 

Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。標(biāo)準(zhǔn)、開放，用戶可以免費(fèi)、放心地使用Modbus協(xié)議，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產(chǎn)品超過600種。Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。Modbus的幀格式簡(jiǎn)單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發(fā)簡(jiǎn)單。

 

2、PROFIBUS

 

一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，PROFIBUS，是一種國(guó)際化．開放式．不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

 

PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Open System Interconnection-OSI）作為參考模型的。該模型共有七層。 （1）PROFIBUS－DP：定義了第一．二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同PROFIBUS－DP設(shè)備的設(shè)備行為。 （2）PROFIBUS－FMS：定義了第一．二．七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范（Fieldbus Message Specification - FMS）和低層接口（Lower Layer Interface － LLI）。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問接口。 （3） PROFIBUS－PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的PROFIBUS－DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用連接器可在DP上擴(kuò)展PA網(wǎng)絡(luò)。 注：第一層為物理層，第二層為數(shù)據(jù)鏈路層，第三－六層末使用，第七層為應(yīng)用層。

 

3、OPC協(xié)議

 

為了便于自動(dòng)化行業(yè)不同廠家的設(shè)備和應(yīng)用程序能相互交換數(shù)據(jù)，定義了一個(gè)統(tǒng)一的接口函數(shù)，就是OPC協(xié)議規(guī)范。OPC服務(wù)器的功能就是與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，其中包含了大量的通訊程序和數(shù)據(jù)存貯程序。有了OPC就可以使用統(tǒng)一的方式去訪問不同設(shè)備廠商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。其他的軟件商只需開發(fā)面對(duì)服務(wù)器的程序即可，不用對(duì)不同的硬件設(shè)備開發(fā)不同的硬件驅(qū)動(dòng)程序。減小了工作量，也方便了使用。

 

OPC基金會(huì)前前后后規(guī)定了不同的接口定義，如下：

 

 OPC DA (Data Access, exchange of real-time values)

 

 OPC A&E (Alarms & Events, exchange of alarms and events)

 

 OPC HDA (Historical Data Access, exchange of historical values)

 

 OPC XML DA (XML-based exchange of real-time values)

 

以上所有的接口定義，我們現(xiàn)在都統(tǒng)稱為OPC。OPC是基于WINDOWS COM/DCOM接口技術(shù)來規(guī)定的。

 

OPC UA

 

為了應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化和跨平臺(tái)的趨勢(shì)，為了更好的推廣OPC，OPC基金會(huì)近些年在之前OPC成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上推出了一個(gè)新的OPC標(biāo)準(zhǔn)-OPC UA。OPC UA接口協(xié)議包含了之前的 A&E, DA,OPC XML DA or HDA，只使用一個(gè)地址空間就能訪問之前所有的對(duì)象，而且不受WINDOWS平臺(tái)限制，因?yàn)樗菑膫鬏攲覵coket以上來定義的，導(dǎo)致了靈活性和安全性比之前的OPC都提升了。

 

OPC UA的優(yōu)勢(shì)：

 

1.一個(gè)通用接口集成了之前所有OPC的特性和信息，A&E, DA,OPC XML DA or HDA

 

2.更加開放，平臺(tái)無關(guān)性，WINDOWS,LINUX都能兼容

 

3.擴(kuò)展了對(duì)象類型，支持更復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型比如變量，方法和事件

 

4.在協(xié)議和應(yīng)用層集成了安全功能，更加安全

 

5.易于配置和使用

 

核心的區(qū)別是因?yàn)镺PC和OPC UA協(xié)議使用的TCP層不一樣，如下：

 

OPC是基于DOM/COM上，應(yīng)用層最頂層；OPC UA是基于TCP IP scoket 傳輸層.

 

其他一些區(qū)別：

 

OPC雖然通過配置COM/DOM來提供數(shù)據(jù)加密和簽名功能，配置防火墻，用戶權(quán)限來讓數(shù)據(jù)訪問變得更加安全，但是會(huì)增加額外的工作量，尤其是對(duì)非IT的工程師來說；對(duì)于OPC UA，數(shù)據(jù)加密和簽名，防火墻等都是默認(rèn)的功能。比如基于DOM的OPC使用的動(dòng)態(tài)端口分配，端口不固定，讓防火墻難以確定，而OPC UA的端口都是唯一的，比如840D是PORT 4840，SIMATIC S7是PORT 4845。DOM/COM也可以生成不同級(jí)別的事件日志，但日志內(nèi)容不夠詳細(xì)，只會(huì)提供“誰連接上服務(wù)器”這種，而對(duì)于OPC UA來說都是默認(rèn)的功能，生成的日志內(nèi)容更全面。