這個問題比較大，我就簡單說一說工業領域里面有五花八門的通訊協議的主要原因和工業總線的發展歷史。

主要觀點來自于這本書：書名：Industrial Communication Technology Handbook 版本：第二版 作者：Richard Zurawski。

IEC在1985年曾經設想通過委員會來確定一種唯一的標準化的總線系統，來統一工廠和流程自動化的網絡江湖。

但是經過14年的技術和政治斗爭，最終失敗了。取而代之的是妥協的產物IEC 61158和IEC 61784-1。我們來看下IEC 61158標準的畫風：

經過各個國家代表長達十幾年的爭論，最終的總線標準不是一種，而是20種！

驚不驚喜，意不意外？

這就相當于本來地球聯盟想要創建一個新的世界語，讓所有人不要再從幼兒園到大學辛辛苦苦學外語，結果各國爭論了十幾年，最終制定的地球語言標準是列舉了二十種現在大家正在使用的最流行的語言。

下面正經答題。

工業和智能樓宇等領域存在許多種現場總線標準，主要由于如下4個原因：

• 工業現場有各種網絡拓撲類型
• 工業現場需要傳輸的數據的特點不同
• 技術進步和市場需求導致出現新的總線標準
• 不同企業和國家要制定自己的現場總線標準，通過標準獲利

其中原因1、2是最主要的因素，是內因，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場總線：

原因一、工業現場有各種網絡拓撲類型

工業總線是數字化的通信標準，用于取代模擬信號傳輸，讓更多的信息可以在現場設備和高層的控制系統之間進行雙向傳輸。

那雙向傳輸數據是在哪兩端之間進行雙向傳輸呢？我們看下工廠的自動化金字塔模型：

從上圖我們可以看到，工廠里的網絡按照實際業務其實分為6層。比如最底層的傳感器和執行器需要與PLC或CNC等控制器進行連接，PLC、CNC與設備主控制器之間也需要組網；更上層的車間里的所有設備需要通過網絡互相通信，在車間級上面是工廠級、企業級的生產信息的網絡。

OSI模型提出的年代，有許多計算機網絡系統互相不兼容。要是想在不同計算機網絡之間互相通信，就需要投入許多特殊的軟件和硬件去做網絡適配。OSI模型就是要解決這個問題。

ISO引入了開放系統的概念。開放系統包含遵循一組標準的軟件組件和硬件組件。其實這個與現在的AWS云計算是同樣的道理。AWS通過提供標準化的API接口和服務。邊緣計算EdgeX框架和IIC的架構也是同樣的設計思路。而開放系統定義了標準的軟件接口和硬件，有了這些標準，就可以保證不同廠商的設備可以互相兼容互相通信。

為了簡化數據傳輸這個復雜的問題，OSI模型采用了嚴格的層級化的分層模型。

OSI模型有三個重要的概念：

• 協議：第N層的協議跟對等的N層協議進行對話。
• 服務：每一層向上一層提供服務， 上一層調用下一層的服務
• 接口：每兩層之間，上一層根據服務接口調用下一層的服務而不用知道具體實現

現場總線協議也是根據ISO/OSI模型來建模的。但是在大部分情況下，實際只用了1、2、7層。這是從MAP的失敗中吸取的教訓。要是完整實現7層模型，要的資源要多得多，也沒法高效的實現。因此MiniMAP和后續的IEC總線標準就只有三層結構：物理層、數據鏈路層和應用層。

簡化的協議層棧反映了許多自動化應用中的實際情況。許多總線都是獨立的網絡，用中繼器最多用網橋來擴展。因此，網絡層和傳輸層（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。總線協議不是太復雜的。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都是1、2、7層架構。有幾種總線，明確定義了其他層。特別是在智能樓宇領域，情況有點特殊。由于智能樓宇里面節點數量眾多，總線要有能力支持層級化的網絡拓撲結構，比如三號樓/二夾層/3號新風系統/某控制器/…。

因此智能樓宇總線只有三層就不合理了。

EIB和KNX就有網絡和傳輸層，用于在層級化的網絡拓撲結構中路由和端到端控制。

BACnet有網絡層，這個網絡層對它很重要，因為BACnet是個高層協議，需要控制多種低層協議和鏈路，比如以太網、基于RS-485的MS/TP和LonTalk。對于這種異構的網絡，一個統一的網絡層就很重要。

當然有時也會需要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總線標準，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。

總線里面協議結構最復雜的應該是LonWorks。哪怕現在主要用于智能樓宇，它其實設計為一個應用領域無關的通用的控制網絡。它與一般的高效的常規總線相比，更像局域網。在LonTalk協議里，定義了OSI的所有7層，雖然第6層功能很少。第3層網絡層功能特別豐富，支持許多類型的數據鏈路（智能樓宇領域數據鏈路種類特別多）、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據和網絡管理，還可以文件傳輸。

工控領域中常用的總線系統中，ControlNet和P-NET比較特別，它們都實現了3層和4層。

原因二、工業現場需要傳輸的數據的特點不同

從總線需要傳輸的數據特點來看，也有許多種。有的數據要求實時性高，有的數據是周期性的，有的則是突發的，有的數據是生產數據，有的數據是管理數據，有的數據是在總線上走隧道.......

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的數據：

不同層面的業務需求是不同的，因此需要根據實際的應用場景對相應的總線協議進行優化設計。

• 傳感器層面的總線系統，要考慮的重點是低成本、高性能，抗干擾，傳輸距離，可靠性，實時性，與通信硬件接口匹配。
• 控制器之間的總線系統，考慮的是靈活性能適應各種業務場景和網絡拓撲結構、組態容易。
• 智能樓宇的總線系統，需要能支持層級化的網絡結構（工廠-大樓-樓層-控制器-設備），支持許多類型的數據鏈路（智能樓宇領域數據鏈路種類特別多）、支持許多地址尋址模式、高級路由功能。

原因三、技術進步和市場需求導致出現新的總線標準

2000年后，由于以太網的發展和控制器對實時性提出更高的要求，許多原來基于串口的總線，改為以太網網絡，就有了Modbus/TCP、ProfiNET、EtherCAT等總線標準。

同時由于這段時間WSN無線傳感網的技術發展，HART總線也出現了無線版本——Wireless-HART。

原因四、不同企業和國家要制定自己的現場總線標準，通過標準獲利

都說一流企業定標準，可見標準的重要性。對于標準制定企業來說，可以通過標準獲利。

從1980起，隨著PLC和智能傳感器和執行器的技術進步，自動化行業有了很大的發展。對布線緊湊的進一步要求，加上微電子行業的發展，已經足夠支撐專用總線的發展。不同的應用需求催生了不同的總線系統，當時自動化公司設計開發總線標準也是行業趨勢和時髦的事情，就像現在每個工控公司都在搞工業物聯網一樣。

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絡，以太網、無線、工業總線等，互相通訊很困難。

普通的計算機網絡有Area的概念，如局域網Local Area Network，個域網PAN Personal Area Network，廣域網WAN。工廠里也有Area的概念，比如CAN就是控制器局域網絡Controller Area Network。

工業現場的許多傳感器總線沒有復雜的網絡拓撲結構，因此網絡層、傳輸層都不需要。同一個總線也會隨著技術進步和應用行業需求而不斷的發展演化不同的版本，典型的就是CAN總線標準。看一個總線標準好不好，首先要基于其應用場合，其次要結合該總線出現的時代背景來理解其設計的年代和理念。

總線標準能否在市場上成功，不是遵循適者生存的模式，而是看總線標準提出者的市場占有率。這個提出者可以是工業巨頭如西門子、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公司結盟組成的標準委員會。簡單的將總線分為現場傳感器執行器的總線和機器/生產流程總線是錯誤的，實際分類比這個復雜。

總線的最早起源其實是航空和汽車行業，后面才應用到工業現場和智能樓宇等領域。每種工業總線的解決方案都是聚焦于解決特定問題的，在設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。

工業總線通常情況下是網絡化的嵌入式系統，但是在一些情況下也會呈現出分布式操作系統的特點。

許多總線只定義了 OSI 7層模型的1、2、7層，即物理層、數據鏈路層和應用層。原因是網絡結構簡單，不需要路由功能和端到端的控制。

現場總線發展歷史

第一階段：1970年~1980年 醞釀階段

現場總線的起源來自四個方面的技術進步：

基于電話網絡的數據傳輸協議，如V.21、X.21等，是現場總線串行數據傳輸的鼻祖。實驗測量儀器和計算機外設的并行總線接口標準化和數據實時傳輸。電子工程師定義標準化的通訊接口的理念也被現場總線繼承了。另外多個空間上分布的多個實驗儀器數據如何多站multidrop實時傳輸的標準，如用于核物理的計算機自動測量和控制CAMAC標準和電子測試設備總線GPIB，也建立起來了。計算機科學理論的發展OSI模型自頂向下的分層設計理念，后來成為了現場總線分層設計的核心指導思想。電子技術的發展，集成電路微型化、I2C、微處理器、連接器技術、RS-485差分信號抗干擾，成為后來總線標準的硬件技術的基石。

在航空航天領域，由于對接線和重量的限制要求，遠在板級總線發明之前，在1973年就已經有了MIL STD 1553 總線。它是第一種真正的現場總線，首先用于F16戰斗機上。它已經有了當代總線的許多特點：

• 數據和控制命令在同一根線上串行傳輸
• 主從結構
• 遠距離傳輸
• 集成控制器

后來，為了降低布線重量和成本，汽車和工控行業借鑒航空航天領域的設計，按照類似的想法設計了幾種工業總線。重要的有Modbus、GPIB等總線。

第二階段：1980年~2000年 發展階段

從1980起，隨著PLC和智能傳感器和執行器的技術進步，自動化行業有了很大的發展。對布線緊湊的進一步要求，加上微電子行業的發展，已經足夠支撐專用總線的發展。不同的應用需求催生了不同的總線系統，當時自動化公司設計開發總線標準也是行業趨勢和時髦的事情，就像現在每個工控公司都在搞工業物聯網一樣。

1978年Hubert Zimmermann提出了OSI模型，ISO于1984年發布了ISO/OSI模型標準。ISO/OSI模型是對現場總線最重要的貢獻。OSI模型的設計目的是成為一個所有設備廠商都能實現的開放網絡模型，來克服使用眾多私有網絡模型所帶來的集成困難。而現場總線也是要解決工廠里的各種異構網絡互相通信的問題。因此OSI模型很快成為了現場總線設計的指導思想。

1982年GM首先使用OSI模型理念，設計了Manufacturing Application Protocol，簡稱MAP，試圖解決工業現場各種層級的網絡的通信問題。這個協議設計地強大又靈活，但是不可避免也變得很復雜，實現成本太高。于是就對這個協議進行了簡化，簡化的結果就是MiniMAP協議。MiniMAP協議只有1、2、7層，專注于工廠里的底層網絡通訊問題，而不是所有層面的通訊都要考慮。但是這個協議還是沒有獲得成功。

后來取得成功的是Manufacturing Message Specification（MMS）協議。它定義了許多抽象對象和服務，后來成為許多其他總線協議設計的起點。

許多現場總線的一個特點是根據傳統接口來定義，只有最下面的物理層和數據鏈路層，沒有應用層。后來應用層也加上了，這樣就可以用于其他領域。

CAN就是一個這個演化過程的例子：起先CAN用于汽車行業，所以定義了OSI模型的最下面兩層就夠用了。但是在工控領域，擴展性和互操作性很重要，高層的功能很重要。于是到了工控領域，就加上了一層特殊的應用層。CAN一開始沒有定義應用層，反而成了許多不同的總線系統（CANopen、SDS、DeviceNet）使用CAN作為低層接口的原因。

第三階段：2000年~現在 繁榮階段

2000年后，由于以太網的發展和對實時性要求的提高，許多原本基于串口的總線逐漸改為以太網網絡，如Modbus/TCP、ProfiNET、EtherCAT等標準。同時，隨著無線傳感網絡（WSN）技術的發展，HART總線也推出了無線版本——Wireless-HART。這些通訊協議在工業現場的應用是為了滿足不同設備和系統之間的通訊需求。每種協議都有其特定的優勢和適用場景，比如Modbus/TCP適用于簡單的數據交換，而EtherCAT則適用于對實時性要求更高的應用。這種多樣化的通訊協議使得工業現場的設備能夠更加靈活地互聯互通，提高了生產效率和系統可靠性。因此，盡管增加了一定的復雜性和成本，但使用不同的通訊協議能夠更好地滿足工業現場的多樣化需求，促進了工業自動化技術的發展和應用。