plc通信技术的发展-晟辉智能制造

PLC通信技术的发展，本质上是工业自动化从“单机控制”走向“系统控制”和“信息集成”的演进史，其核心目标始终是：让更多的设备互联互通，实现更高效、更智能的生产。

（图片来源网络，侵删）

第一阶段：萌芽与奠基期（20世纪60年代末 - 70年代）—— 点对点与总线雏形

这个时期的PLC主要用于替代继电器逻辑，实现单机或小范围的控制，通信能力非常有限,主要形式是：

硬接线点对点通信：
- 方式： 通过I/O（输入/输出）点直接连接，用开关量信号（如继电器触点）进行简单的状态传递。
- 特点： 可靠性高，但布线复杂、成本高、灵活性差，只能实现最简单的设备联动，这是PLC通信的“史前时代”。
专用总线与串行通信的诞生：
- 背景： 随着设备数量增多，硬接线方式已无法满足需求，工程师们开始探索用串行通信（如RS-232/RS-485）来减少布线。
- 标志性技术：
  - Bitbus (Intel, 1984): 被认为是工业总线的先驱之一，采用主从式结构，通过RS-485物理层,实现了PLC与上位机之间的简单数据交换。
  - 各厂商的专用总线： 如西门子的SINEC L1/L2、罗克韦尔的Data Highway (DH/DH+)，这些总线是封闭的，只能连接自家产品，形成了“信息孤岛”。

这个阶段的特点： 通信能力是PLC的附加功能，而非核心，系统封闭，协议私有，主要目标是实现PLC与上位机（HMI/SCADA）之间的通信,完成简单的监控。

（图片来源网络，侵删）

第二阶段：标准化与开放总线时代（20世纪80年代 - 90年代）—— 现场总线的崛起

这是PLC通信技术发展的“黄金时代”，为了打破“信息孤岛”，实现不同厂商设备之间的互操作，现场总线技术应运而生,并成为行业标准。

核心思想： 将控制功能下放到现场设备（如传感器、执行器、驱动器），通过一根总线为所有设备提供数据交换通道，实现“分散控制，集中管理”。
主流现场总线协议的涌现：
- Profibus (Process Field Bus, 德国): 由西门子主导，是全球应用最广泛的现场总线之一，分为DP（高速设备级通信）和PA（过程自动化，本质安全），技术成熟,稳定可靠。
- Modbus (Modicon, 美国): 协议简单、开放、免费，得到了几乎所有PLC厂商的支持，分为串行版本和基于TCP/IP的以太网版本，是事实上的工业通信“普通话”。
- CAN (Controller Area Network, 德国): 最初由博世公司为汽车电子开发，以其高可靠性、错误检测能力著称，在工业领域演变为DeviceNet（罗克韦尔主导）和CANopen（独立标准）,广泛应用于设备层。
- FF (Foundation Fieldbus, 美国): 由Fisher-Rosemount等公司发起，是过程自动化领域的顶级总线，功能强大，支持功能块,但复杂度和成本较高。

这个阶段的特点：

（图片来源网络，侵删）

协议多样化： 出现了多种现场总线,每个协议都有其擅长的领域和生态系统。
标准化进程： 国际电工委员会等组织开始对现场总线进行标准化，但并未形成“大一统”的局面。
通信能力飞跃： 通信速率和数据量大幅提升,支持更复杂的控制逻辑和诊断信息。
挑战： “协议战争”愈演愈烈，用户在一个工厂内可能需要同时支持多种总线，网关和集线器成为必需品,系统集成复杂。

第三阶段：以太网的统治与融合时代（21世纪初 - 至今）—— IT与OT的融合

随着以太网技术和TCP/IP协议栈在商业领域的巨大成功，其低成本、高带宽、易于集成的优势也吸引了工业界的目光，一场以“工业以太网”为核心的革命开始了。

工业以太网的崛起：
- 核心驱动力： 现场总线无法满足海量数据传输、与上层IT系统无缝对接的需求,企业希望从底层传感器到顶层ERP系统实现数据贯通。
- 主流工业以太网协议：
  - Profinet (西门子): 基于标准以太网，性能强大，支持实时通信（IRT）和同步功能，与西门子PLC生态系统深度集成,是Profibus的现代化替代者。
  - EtherNet/IP (罗克韦尔/ODVA): 基于标准TCP/IP和UDP/IP，采用“生产者/消费者”模型，通过CIP (Common Industrial Protocol) 应用层协议，兼容性好,尤其在北美市场占据主导地位。
  - EtherCAT (倍福): 以其“主站从站”的“以太网帧”技术实现极高的实时性能（微秒级），结构灵活,在高端运动控制和机器视觉领域表现卓越。
  - Modbus TCP: 将简单的Modbus协议嫁接到TCP/IP上，实现起来非常容易,在设备层和数据采集层仍有广泛应用。
OPC UA (OLE for Process Control Unified Architecture) 的出现：
- 背景： 尽管工业以太网解决了物理层和传输层的问题，但应用层协议（如Profinet, EtherNet/IP）依然是私有的,不同系统之间的集成依然困难。
- OPC UA的革命性意义：
  - 跨平台、跨厂商： 它是一个独立于硬件和操作系统的、安全、可靠、平台无关的通信标准。
  - 语义化信息模型： 它不仅能传输数据，还能描述数据的含义（元数据），它不只是传输一个数值5，还能说明这是“泵A的出口温度，单位是摄氏度”。
  - 统一通信： OPC UA旨在成为从现场层（传感器）到云端（大数据分析）的单一通信标准，取代Modbus、OPC Classic等多种协议，成为工业4.0的“通用语言”。

这个阶段的特点：

以太网成为主流： 通信速率从10/100Mbps发展到1Gbps甚至更高,足以满足几乎所有工业应用。
IT/OT融合： IT（信息技术）和OT（运营技术）的界限日益模糊，标准的IT技术（如Web服务器、数据库、网络安全）被越来越多地应用到工业控制领域。
从数据交换到信息模型： 通信的重点从“传输数据”转向“理解数据的价值”。

第四阶段：未来趋势与展望（工业4.0与IIoT时代）

PLC通信技术正朝着更智能、更开放、更集成的方向演进。

时间敏感网络：
- 目标： 将标准以太网改造为能够确定性地传输实时数据的网络，通过精确的时钟同步和流量调度，TSN可以为工业控制提供微秒级的实时保障，有潜力成为未来统一网络的基础,取代多种实时工业以太网。
5G与无线通信：
- 优势： 5G的高带宽、低时延、广连接特性，完美契合了移动机器人、AGV、大型设备等有线布线困难的场景，以及柔性产线快速重构的需求，无线PLC和无线I/O将成为重要补充。
边缘计算：
- 趋势： 为了降低对云端的依赖，实现数据的本地实时处理和决策，PLC等控制设备正变得越来越“智能”，它们在边缘端进行数据预处理、模型推理和异常检测，只将关键结果或原始数据上传到云端,提高了系统的响应速度和可靠性。
云平台与数字孪生：
- 愿景： PLC作为数据的源头，通过5G、光纤等高速网络，将生产现场的实时数据源源不断地传输到云平台，在云端，这些数据被用于构建数字孪生模型，进行远程监控、预测性维护、生产优化和全局调度。
网络安全成为内生需求：
- 挑战： 随着PLC联网程度越来越高，其面临的网络安全威胁也日益严峻，未来的通信技术必须将安全作为核心设计要素，而非事后补救，从硬件加密、安全启动到访问控制,安全将贯穿PLC通信的每一个层面。

发展阶段	核心技术	主要特点	目标
奠基期	硬接线、早期串行总线	封闭、私有、点对点	实现单机控制与简单联动
总线时代	Profibus, Modbus, CAN等	开放、标准化、多样化	打破“信息孤岛”，实现设备级互联
以太网时代	Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, OPC UA	高速、IT/OT融合、语义化	实现全厂信息集成与数据贯通
未来趋势	TSN, 5G, 边缘计算, 云平台	智能、安全、泛在连接	构建柔性、智能、高效的未来工厂