本文主要觀點來自于《Industrial Communication Technology Handbook》(版本：第二版 作者：Richard Zurawski)這本書：
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(tǒng)，來統(tǒng)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(xié)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！
工業(yè)領域存在多種現(xiàn)場總線標準的原因
工業(yè)和智能樓宇等領域存在多種現(xiàn)場總線類型，主要由于如下4個原因：
1、工業(yè)現(xiàn)場有各種網絡拓撲類型
2、工業(yè)現(xiàn)場需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的特點不同
3、技術進步和市場需求導致出現(xiàn)新的總線標準
4、不同企業(yè)和國家要制定自己的現(xiàn)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(xiàn)場總線：
原因一、工業(yè)現(xiàn)場有各種網絡拓撲類型
工業(yè)總線是數(shù)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(xiàn)場設備和高層的控制系統(tǒng)之間進行雙向傳輸。
那雙向傳輸數(shù)據(jù)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(yè)務其實分為6層。比如最底層的傳感器和執(zhí)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)的概念。開放系統(tǒng)包含遵循一組標準的軟件組件和硬件組件。其實這個與現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)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：
1、協(xié)議，第N層的協(xié)議跟對等的N層協(xié)議進行對話。
2、服務：每一層向上一層提供服務， 上一層調用下一層的服務
3、接口：每兩層之間，上一層根據(jù)服務接口調用下一層的服務而不用知道具體實現(xiàn)
現(xiàn)場總線協(xié)議也是根據(jù)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(xiàn)7層模型，要的資源要多得多，也沒法高效的實現(xiàn)。因此MiniMAP和后續(xù)的IEC總線標準就只有三層結構：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。
簡化的協(xié)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(xié)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(tǒng)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(jié)點數(shù)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(tǒng)/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(xié)議，需要控制多種低層協(xié)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(tǒng)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(xié)議結構最復雜的應該是LonWorks。哪怕現(xiàn)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(guī)總線相比，更像局域網。在LonTalk協(xié)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(shù)據(jù)鏈路(智能樓宇領域數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和網絡管理，還可以文件傳輸。
工控領域中常用的總線系統(tǒng)中，ControlNet和P-NET比較特別，它們都實現(xiàn)了3層和4層。
原因二、工業(yè)現(xiàn)場需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的特點不同
從總線需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特點來看，也有許多種。有的數(shù)據(jù)要求實時性高，有的數(shù)據(jù)是周期性的，有的則是突發(fā)的，有的數(shù)據(jù)是生產數(shù)據(jù)，有的數(shù)據(jù)是管理數(shù)據(jù)，有的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。不同層面的業(yè)務需求是不同的，因此需要根據(jù)實際的應用場景對相應的總線協(xié)議進行優(yōu)化設計。
傳感器層面的總線系統(tǒng)，要考慮的重點
1、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。
2、控制器之間的總線系統(tǒng)，考慮的是靈活性能適應各種業(yè)務場景和網絡拓撲結構、組態(tài)容易。
3、智能樓宇的總線系統(tǒng)，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(shù)據(jù)鏈路(智能樓宇領域數(shù)據(jù)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(xiàn)新的總線標準
2000年后，由于以太網的發(fā)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(fā)展，HART總線也出現(xiàn)了無線版本Wireless-HART。
原因四、不同企業(yè)和國家要制定自己的現(xiàn)場總線標準，通過標準獲利
都說一流企業(yè)定標準，可見標準的重要性。對于標準制定企業(yè)來說，可以通過標準獲利。
從1980起，隨著PLC和智能傳感器和執(zhí)行器的技術進步，自動化行業(yè)有了很大的發(fā)展。對布線緊湊的進一步要求，加上微電子行業(yè)的發(fā)展，已經足夠支撐專用總線的發(fā)展。不同的應用需求催生了不同的總線系統(tǒng)，當時自動化公司設計開發(fā)總線標準也是行業(yè)趨勢和時髦的事情，就像現(xiàn)在每個工控公司都在搞工業(yè)物聯(lián)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(yè)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(yè)現(xiàn)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(yè)需求而不斷的發(fā)展演化不同的版本，典型的就是CAN總線標準?？匆粋€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(xiàn)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(yè)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(xiàn)場傳感器執(zhí)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(yè)，后面才應用到工業(yè)現(xiàn)場和智能樓宇等領域。每種工業(yè)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(yè)總線通常情況下是網絡化的嵌入式系統(tǒng)，但是在一些情況下也會呈現(xiàn)出分布式操作系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)場總線發(fā)展歷史
第一階段：1970年~1980年 醞釀階段
現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如V.21、X.21等，是現(xiàn)場總線串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋亲?。實驗測量儀器和計算機外設的并行總線接口標準化和數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線繼承了。另外多個空間上分布的多個實驗儀器數(shù)據(jù)如何多站multidrop實時傳輸?shù)臉藴剩缬糜诤宋锢淼挠嬎銠C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(fā)展OSI模型自頂向下的分層設計理念，后來成為了現(xiàn)場總線分層設計的核心指導思想。電子技術的發(fā)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(fā)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(xiàn)場總線，首先用于F16戰(zhàn)斗機上。它已經有了當代總線的許多特點：
◆數(shù)據(jù)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(yè)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(yè)總線。重要的有Modbus、GPIB等總線。
第二階段：1980年~2000年 發(fā)展階段
從1980起，隨著PLC和智能傳感器和執(zhí)行器的技術進步，自動化行業(yè)有了很大的發(fā)展。對布線緊湊的進一步要求，加上微電子行業(yè)的發(fā)展，已經足夠支撐專用總線的發(fā)展。不同的應用需求催生了不同的總線系統(tǒng)，當時自動化公司設計開發(fā)總線標準也是行業(yè)趨勢和時髦的事情，就像現(xiàn)在每個工控公司都在搞工業(yè)物聯(lián)網一樣。
1978年Hubert Zimmermann提出了OSI模型，ISO于1984年發(fā)布了ISO/OSI模型標準。ISO/OSI模型是對現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(yè)現(xiàn)場各種層級的網絡的通信問題。這個協(xié)議設計地強大又靈活，但是不可避免也變得很復雜，實現(xiàn)成本太高。于是就對這個協(xié)議進行了簡化，簡化的結果就是MiniMAP協(xié)議。MiniMAP協(xié)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(xié)議還是沒有獲得成功。
后來取得成功的是Manufacturing Message Specification(MMS)協(xié)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(xié)議設計的起點。
許多現(xiàn)場總線的一個特點是根據(jù)傳統(tǒng)接口來定義，只有最下面的物理層和數(shù)據(jù)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(yè)，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(tǒng)(CANopen、SDS、DeviceNet)使用CAN作為低層接口的原因。
第三階段：2000年~現(xiàn)在 繁榮階段
2000年后，由于以太網的發(fā)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(fā)展，HART總線也推出了無線版本Wireless-HART。這些通訊協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場的應用是為了滿足不同設備和系統(tǒng)之間的通訊需求。每種協(xié)議都有其特定的優(yōu)勢和適用場景，比如Modbus/TCP適用于簡單的數(shù)據(jù)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(xié)議使得工業(yè)現(xiàn)場的設備能夠更加靈活地互聯(lián)互通，提高了生產效率和系統(tǒng)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(xié)議能夠更好地滿足工業(yè)現(xiàn)場的多樣化需求，促進了工業(yè)自動化技術的發(fā)展和應用。
