CAN、ModBus、ProfiNet......如何選擇合適的工業(yè)總線？

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，工業(yè)總線技術(shù)的重要性也日益凸顯。作為工業(yè)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，工業(yè)總線在實(shí)現(xiàn)設(shè)備間高效通信和數(shù)據(jù)交換方面發(fā)揮著重要作用。工業(yè)總線指的是模塊之間傳送信息、相互通信的公用信號線的集合，在主設(shè)備的控制下，將發(fā)送的信息傳送給某個(gè)接收設(shè)備的通路。

根據(jù)總線的位置可以把總線劃分為外部總線、內(nèi)部總線、片內(nèi)總線。常見的外部總線有RS-232、RS-485、USB總線、CAN總線等（圖1）；常見的內(nèi)部總線有HT總線、I2C總線、SPI總線等（圖2）；常見的系統(tǒng)總線有數(shù)據(jù)總線、控制總線、地址總線等。

圖1 外部總線

圖2 內(nèi)部總線

常用工業(yè)總線

CAN總線

CAN（Controller Area Network ）是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。CAN總線是德國BOSCH從80年代初為了解決現(xiàn)代汽車中眾多控制、測試系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，從而開發(fā)出來的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是可以用雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維來作為通信介質(zhì)的一種多主總線。通信速率最高可達(dá)1Mbps。

EtherCAT總線

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種高性能的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，專為實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它由德國貝克霍夫（Beckhoff Automation）公司于2003年推出，是一個(gè)開放的國際標(biāo)準(zhǔn)。

在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)是通過一個(gè)環(huán)形或線性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳遞的，每個(gè)從站（slave）設(shè)備都會(huì)讀取它需要的數(shù)據(jù)，然后立即將數(shù)據(jù)包傳遞給下一個(gè)從站，這個(gè)過程稱為“在通過時(shí)處理”（processing on the fly）。

ProfiNet總線

ProfiNet是一種支持分布式自動(dòng)化的高級通訊系統(tǒng)，由西門子公司和ProfiBus用戶協(xié)會(huì)開發(fā)。ProfiNet=ProfiBus+EtherNET，把ProfiBus的主從結(jié)構(gòu)移植到以太網(wǎng)上，是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。它不僅支持各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)的集成及拓展，還兼容現(xiàn)有以太網(wǎng)接口及協(xié)議；不僅可以實(shí)現(xiàn)線體的實(shí)時(shí)控制，還能通過TCP向Web及云端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

ModBus總線

ModBus通信協(xié)議由Modicon公司于1979年發(fā)明，是最早用于工業(yè)現(xiàn)場的總線規(guī)約。ModBus通信協(xié)議有多個(gè)版本，其中比較常用的是ModBus RTU、ModBus ASCII和ModBus TCP。

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參考因素

針對應(yīng)用場合的不同需求，需要明確以下幾個(gè)方面的因素：

①時(shí)效性要求：根據(jù)生產(chǎn)過程中信息傳輸?shù)臅r(shí)效性要求，選擇具備高速傳輸特性的工業(yè)總線。一些常見的高速工業(yè)總線包括EtherCAT、ProfiNet和EtherNet/IP等。這些總線具備低延遲和高帶寬的特點(diǎn)，適用于對通信速度有較高要求的場景。

②數(shù)據(jù)量和實(shí)時(shí)性：選擇合適的工業(yè)總線，需要參考數(shù)據(jù)量大小和實(shí)時(shí)性要求。有些總線如CAN和DeviceNet適用于小數(shù)據(jù)量低實(shí)時(shí)性要求的場景，而ModBus和ProfiBus則適用于中等數(shù)據(jù)量和實(shí)時(shí)性要求較高的場景。

③可靠性和容錯(cuò)性：考慮工業(yè)環(huán)境中是否存在干擾和設(shè)備故障等一系列風(fēng)險(xiǎn)。如ControlNet總線就具備強(qiáng)大的容錯(cuò)特性，適用于需要高可靠性的場景。而且，某些總線如EtherCAT和ProfiNet具備自動(dòng)檢測和自動(dòng)修復(fù)能力，可以提供可靠通信。

④靈活性和互操作性：系統(tǒng)是否需要與多個(gè)設(shè)備以及不同廠商的設(shè)備進(jìn)行通信也是需要考慮的因素之一。一些工業(yè)總線比如ModBus和OPC UA提供了良好的互操作性和設(shè)備兼容性，就比較適合需要與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信的場景。

流程步驟

在選擇合適的工業(yè)總線之前，建議進(jìn)行下面的幾個(gè)步驟：

①需求調(diào)研：綜合考慮生產(chǎn)過程、設(shè)備要求以及其他特殊需求，明確所需工業(yè)總線的具體特性。

②市場調(diào)研：對各種工業(yè)總線的特點(diǎn)、應(yīng)用場景、市場份額、成本等進(jìn)行詳細(xì)了解，可以通過閱讀相關(guān)報(bào)告、參加行業(yè)展會(huì)、咨詢專業(yè)人士等途徑獲取信息。

③廠商評估：與各個(gè)工業(yè)總線供應(yīng)商聯(lián)系會(huì)有助于更好地了解各個(gè)工業(yè)總線的性能、技術(shù)支持以及其他服務(wù)。

④技術(shù)驗(yàn)證：通過實(shí)際驗(yàn)證和測試，比較不同工業(yè)總線在系統(tǒng)中的性能和可靠性（工業(yè)總線的指標(biāo)，比如總線的傳輸周期、時(shí)鐘周期、工作頻率、總線帶寬），選擇最佳方案。

注意事項(xiàng)

在選擇合適工業(yè)總線后，需要注意以下幾個(gè)方面：

①設(shè)備兼容性：確保設(shè)備與所選工業(yè)總線兼容，并支持相應(yīng)的通信協(xié)議。

②Topology結(jié)構(gòu)：根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇合適的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如總線型、星型、樹狀型或環(huán)狀型。

③高效維護(hù)：了解工業(yè)總線的維護(hù)和故障處理方法，合理規(guī)劃和管理工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)，以確保通信的穩(wěn)定性和可靠性。

最后，選擇工業(yè)總線時(shí)考慮長遠(yuǎn)規(guī)劃和擴(kuò)展性，避免頻繁更換和升級。

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