6.1 工业通信基础
本节将介绍工业通信的基本概念，为后续学习各种通信技术打下基础
学习目标
- 了解工业通信的重要性和发展
- 掌握通信的基本术语和概念
- 理解串行/并行、同步/异步通信
- 了解主从通信和通信协议
- 理解OSI七层模型
1. 工业通信概述
1.1 什么是工业通信？
工业通信是指工业自动化系统中各设备之间进行数据交换的技术。
工业通信系统架构：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 企业管理层 │
│ ┌──────────┐ │
│ │ ERP │ │
│ └────┬─────┘ │
│ │ 以太网 │
├─────────────────────────┼───────────────────────────────────┤
│ 控制管理层 │
│ ┌──────────┬────┴────┬──────────┐ │
│ │ SCADA │ MES │ HMI │ │
│ └────┬─────┴────┬────┴────┬─────┘ │
│ │ 工业以太网 │ │ │
├──────────────┼──────────┼─────────┼─────────────────────────┤
│ 控制层 │
│ ┌────┴────┐ ┌───┴───┐ ┌──┴────┐ │
│ │ PLC 1 │ │ PLC 2 │ │ PLC 3 │ │
│ └────┬────┘ └───┬───┘ └───┬───┘ │
│ │ 现场总线 │ │ │
├──────────────┼──────────┼─────────┼─────────────────────────┤
│ 设备层 │
│ ┌────┴────┐ ┌───┴───┐ ┌───┴───┐ │
│ │变频器/IO│ │传感器 │ │执行器 │ │
│ └─────────┘ └───────┘ └───────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘1.2 工业通信的重要性
| 应用场景 | 通信需求 | 典型例子 |
|---|---|---|
| 数据采集 | 传感器→PLC | 温度、压力采集 |
| 设备控制 | PLC→执行器 | 变频器速度指令 |
| 设备互联 | PLC↔PLC | 多站协调控制 |
| 人机交互 | PLC↔HMI | 监控画面 |
| 远程监控 | 现场→中控室 | SCADA系统 |
2. 通信基本术语
2.1 基本概念
通信基本术语：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 波特率（Baud Rate）：每秒传输的符号数 │
│ ├─常用：9600、19200、38400、115200 bps │
│ └─波特率越高，传输越快 │
│ │
│ 比特率（Bit Rate）：每秒传输的比特数 │
│ └─单位：bps（bits per second） │
│ │
│ 数据位：每帧有效数据的位数 │
│ └─常用：7位、8位 │
│ │
│ 停止位：帧结束标志 │
│ └─常用：1位、2位 │
│ │
│ 校验位：用于错误检测 │
│ ├─无校验（None） │
│ ├─奇校验（Odd） │
│ └─偶校验（Even） │
│ │
│ 常见配置表示：9600, 8, N, 1 │
│ （波特率9600，8数据位，无校验，1停止位） │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘2.2 通信帧格式
异步串行通信帧格式：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ┌────┬───────────────────────┬────┬─────┐ │
│ │起始│ 数据位 │校验│停止 │ │
│ │ 位 │ D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7│ 位 │ 位 │ │
│ └────┴───────────────────────┴────┴─────┘ │
│ 1位 8位 0/1位 1/2位 │
│ │
│ 时序图： │
│ 空闲 │起始│ D0 │ D1 │ D2 │...│ D7 │校验│停止│ 空闲 │
│ ──────┴────┴────┴────┴────┴───┴────┴────┴────┴────── │
│ 高 │ 低 │数据│数据│数据│ │数据│ │ 高 │ 高 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘【停顿总结1】 已完成约500字，介绍了：
- 工业通信的定义和系统架构图
- 工业通信的重要性和应用场景
- 基本通信术语（波特率、数据位、校验等）
- 异步串行通信帧格式
继续填充串行/并行通信和同步/异步通信：
3. 串行通信与并行通信
3.1 概念对比
串行通信与并行通信：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 并行通信： │
│ ┌──────┐ D0 ─────────────────→ ┌──────┐ │
│ │ │ D1 ─────────────────→ │ │ │
│ │ 发送 │ D2 ─────────────────→ │ 接收 │ │
│ │ 端 │ D3 ─────────────────→ │ 端 │ │
│ │ │ ... │ │ │
│ │ │ D7 ─────────────────→ │ │ │
│ └──────┘ （8根数据线同时传输） └──────┘ │
│ │
│ 串行通信： │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │ │ TX ──────────────────→ │ │ │
│ │ 发送 │ RX ← │ 接收 │ │
│ │ 端 │ ←──────────────────── │ 端 │ │
│ └──────┘ （1-2根数据线依次传输） └──────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘3.2 特点对比
| 特性 | 并行通信 | 串行通信 |
|---|---|---|
| 传输线数 | 多（8/16/32根） | 少（1-2根） |
| 传输速度 | 理论上快 | 相对慢 |
| 传输距离 | 短（<1m） | 长（可达km） |
| 成本 | 高 | 低 |
| 抗干扰 | 差 | 好 |
| 工业应用 | 少（背板总线） | 多（RS485等） |
3.3 工业中串行通信的优势
工业环境选择串行通信的原因：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 1. 传输距离长 │
│ └─RS485可达1200m，满足工厂布线需求 │
│ │
│ 2. 抗干扰能力强 │
│ └─差分信号，能抵抗工业电磁干扰 │
│ │
│ 3. 布线成本低 │
│ └─仅需2-3根线，节省线缆和施工成本 │
│ │
│ 4. 接口标准化 │
│ └─RS232/RS485/RS422标准成熟 │
│ │
│ 5. 易于扩展 │
│ └─RS485支持多设备挂接（最多32个） │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘4. 同步通信与异步通信
4.1 异步通信
异步通信特点：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 特点： │
│ • 每个字符独立发送，带起始位和停止位 │
│ • 发送端和接收端不需要同步时钟 │
│ • 字符间隔可以任意 │
│ │
│ 帧格式： │
│ ┌───┬──────────┬───┬───┐ 空闲 ┌───┬──────────┬───┬───┐ │
│ │ S │ 数据位 │ P │ E │ ──── │ S │ 数据位 │ P │ E │ │
│ └───┴──────────┴───┴───┘ └───┴──────────┴───┴───┘ │
│ 起始 8位数据 校验 停止 起始 8位数据 校验 停止 │
│ │
│ 优点：简单、灵活、成本低 │
│ 缺点：效率低（有额外开销） │
│ 应用：RS232、RS485、UART │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘4.2 同步通信
同步通信特点：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 特点： │
│ • 数据以数据块为单位传输 │
│ • 需要同步时钟信号 │
│ • 没有起始位和停止位 │
│ │
│ 帧格式： │
│ ┌──────┬───────────────────────────────────┬──────┬───┐ │
│ │同步字│ 数据块 │ CRC │结束│ │
│ └──────┴───────────────────────────────────┴──────┴───┘ │
│ │
│ 信号线： │
│ CLK ──┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─→ 时钟信号 │
│ DATA ──────────────────────────→ 数据信号 │
│ │
│ 优点：传输效率高 │
│ 缺点：需要时钟线，复杂度高 │
│ 应用：SPI、I2C、HDLC │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘4.3 对比总结
| 特性 | 异步通信 | 同步通信 |
|---|---|---|
| 时钟 | 不需要同步时钟 | 需要同步时钟 |
| 传输单位 | 字符 | 数据块 |
| 效率 | 低（约80%） | 高（>95%） |
| 复杂度 | 简单 | 复杂 |
| 典型协议 | RS232/RS485 | SPI/I2C |
【停顿总结2】 已完成约1000字，新增内容：
- 串行通信与并行通信的概念和对比
- 工业中选择串行通信的原因
- 异步通信的特点和帧格式
- 同步通信的特点
- 异步/同步通信对比
继续填充主从模式和通信协议：
5. 主从通信模式
5.1 主从结构
主从通信架构：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ ┌──────────┐ │
│ │ 主站 │ │
│ │ (Master) │ │
│ └────┬─────┘ │
│ │ │
│ ┌───────────────┼───────────────┐ │
│ │ │ │ │
│ ↓ ↓ ↓ │
│ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ │
│ │ 从站1 │ │ 从站2 │ │ 从站3 │ │
│ │(Slave) │ │(Slave) │ │(Slave) │ │
│ │ 地址=1 │ │ 地址=2 │ │ 地址=3 │ │
│ └────────┘ └────────┘ └────────┘ │
│ │
│ 通信规则： │
│ • 主站发起所有通信 │
│ • 从站只能响应主站请求 │
│ • 从站之间不能直接通信 │
│ • 每个从站有唯一地址 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘5.2 主从通信过程
主从通信时序：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 主站 从站1 │
│ │ │ │
│ │ ① 发送请求帧（地址=1，功能码，数据） │ │
│ │ ─────────────────────────────────────────────────→│ │
│ │ │ │
│ │ ② 从站处理请求 │ │
│ │ │ │
│ │ ③ 返回响应帧（地址=1，功能码，数据） │ │
│ │ ←─────────────────────────────────────────────────│ │
│ │ │ │
│ │ │ │
│ │ 轮询下一个从站... │ │
│ ↓ ↓ │
│ │
│ 请求帧格式： │
│ ┌────────┬────────┬────────┬────────┐ │
│ │从站地址│ 功能码 │ 数据 │ 校验 │ │
│ └────────┴────────┴────────┴────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘5.3 多主站与单主站
| 模式 | 特点 | 典型协议 |
|---|---|---|
| 单主站 | 只有一个主站控制 | Modbus RTU |
| 多主站 | 多个设备可发起通信 | CAN、以太网 |
6. 通信协议概念
6.1 什么是通信协议？
通信协议定义：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 通信协议 = 通信双方约定的规则 │
│ │
│ 协议规定了： │
│ ├─数据格式：帧结构、字节顺序 │
│ ├─传输规则：何时发送、如何响应 │
│ ├─错误处理：校验方式、重发机制 │
│ └─地址分配：设备编址规则 │
│ │
│ 类比：通信协议就像"语言" │
│ ├─中文（协议A）：只能和懂中文的人交流 │
│ ├─英文（协议B）：只能和懂英文的人交流 │
│ └─要交流必须使用相同的语言（协议） │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘6.2 常见工业通信协议
| 协议名称 | 物理层 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | RS485 | 简单通用 | PLC与仪表 |
| Modbus TCP | 以太网 | 基于TCP/IP | 远程监控 |
| Profibus | 专用 | 西门子主导 | 过程控制 |
| Profinet | 以太网 | 实时以太网 | 运动控制 |
| EtherCAT | 以太网 | 超高速 | 伺服系统 |
| CC-Link | 专用 | 三菱主导 | 亚洲市场 |
6.3 协议选择考虑因素
选择通信协议的因素：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 1. 实时性要求 │
│ ├─高实时：EtherCAT、Profinet IRT（<1ms） │
│ ├─中实时：Profibus、CC-Link（1-10ms） │
│ └─低实时：Modbus、以太网（>10ms） │
│ │
│ 2. 通信距离 │
│ ├─长距离：RS485（1200m）、光纤 │
│ └─短距离：RS232（15m）、以太网（100m） │
│ │
│ 3. 设备数量 │
│ ├─少量设备：RS232点对点 │
│ └─多设备：RS485（32个）、以太网（无限制） │
│ │
│ 4. 成本预算 │
│ ├─低成本：Modbus RTU │
│ └─高性能：Profinet、EtherCAT │
│ │
│ 5. 品牌兼容 │
│ ├─西门子系统：Profibus/Profinet │
│ ├─三菱系统：CC-Link │
│ └─开放系统：Modbus、以太网 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘【停顿总结3】 已完成约1500字，新增内容：
- 主从通信架构和通信规则
- 主从通信时序和帧格式
- 通信协议的概念和作用
- 常见工业通信协议对比
- 协议选择的考虑因素
继续填充OSI模型和本节总结：
7. OSI七层模型
7.1 OSI模型概述
OSI七层参考模型：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 层级 名称 功能 工业协议示例 │
│ ┌───┬─────────────┬──────────────────┬────────────────┐ │
│ │ 7 │ 应用层 │ 用户接口和应用 │ Modbus应用层 │ │
│ ├───┼─────────────┼──────────────────┼────────────────┤ │
│ │ 6 │ 表示层 │ 数据格式转换 │ │ │
│ ├───┼─────────────┼──────────────────┼────────────────┤ │
│ │ 5 │ 会话层 │ 建立/维护连接 │ │ │
│ ├───┼─────────────┼──────────────────┼────────────────┤ │
│ │ 4 │ 传输层 │ 端到端传输 │ TCP/UDP │ │
│ ├───┼─────────────┼──────────────────┼────────────────┤ │
│ │ 3 │ 网络层 │ 路由寻址 │ IP │ │
│ ├───┼─────────────┼──────────────────┼────────────────┤ │
│ │ 2 │ 数据链路层 │ 帧同步、校验 │ 以太网MAC │ │
│ ├───┼─────────────┼──────────────────┼────────────────┤ │
│ │ 1 │ 物理层 │ 电气信号传输 │ RS485/以太网 │ │
│ └───┴─────────────┴──────────────────┴────────────────┘ │
│ │
│ 工业通信简化模型（通常只关注3层）： │
│ ├─物理层：RS232/RS485/以太网 │
│ ├─数据链路层：帧格式、错误检测 │
│ └─应用层：Modbus、Profinet等 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘7.2 工业通信协议栈
常见工业协议的协议栈：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ Modbus RTU Modbus TCP Profinet │
│ ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ │
│ │ Modbus应用层 │ │ Modbus应用层 │ │Profinet应用层 │ │
│ ├───────────────┤ ├───────────────┤ ├───────────────┤ │
│ │ │ │ TCP │ │ TCP/UDP/RT │ │
│ │ 无 │ ├───────────────┤ ├───────────────┤ │
│ │ │ │ IP │ │ IP │ │
│ ├───────────────┤ ├───────────────┤ ├───────────────┤ │
│ │ 串行帧格式 │ │ 以太网MAC │ │ 以太网MAC │ │
│ ├───────────────┤ ├───────────────┤ ├───────────────┤ │
│ │ RS485 │ │ 以太网PHY │ │ 以太网PHY │ │
│ └───────────────┘ └───────────────┘ └───────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘7.3 理解协议分层的好处
| 优点 | 说明 |
|---|---|
| 模块化 | 各层独立，便于开发和维护 |
| 标准化 | 定义清晰接口，不同厂商可互通 |
| 灵活性 | 可更换某一层而不影响其他层 |
| 易于排错 | 可按层分析问题 |
8. 工业通信常用物理接口
8.1 RS232接口
RS232接口特点：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 电气特性： │
│ ├─信号电平：±3V~±15V（典型±12V） │
│ ├─逻辑0：+3V~+15V │
│ └─逻辑1：-3V~-15V │
│ │
│ 传输距离：≤15m │
│ 传输速率：≤115200bps │
│ 连接方式：点对点（1对1） │
│ │
│ 常用接口： │
│ DB9公头（设备端） DB9母头（电脑端） │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ 1 2 3 4 5 │ │ 5 4 3 2 1 │ │
│ │ 6 7 8 9 │ │ 9 8 7 6 │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │
│ 常用引脚：2-RXD（接收）、3-TXD（发送）、5-GND（地） │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘8.2 RS485接口
RS485接口特点：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 电气特性： │
│ ├─信号方式：差分信号 │
│ ├─逻辑0：A-B < -200mV │
│ └─逻辑1：A-B > +200mV │
│ │
│ 传输距离：≤1200m │
│ 传输速率：≤10Mbps（短距离） │
│ 连接方式：多点（最多32个节点） │
│ │
│ 接线方式： │
│ 设备1 设备2 设备3 设备N │
│ │ │ │ │ │
│ A ───┼──────────┼──────────┼──────────┼─── A │
│ B ───┼──────────┼──────────┼──────────┼─── B │
│ GND ──┼──────────┼──────────┼──────────┼── GND │
│ │ │ │ │ │
│ └──────────┴──────────┴──────────┘ │
│ 总线拓扑 │
│ │
│ 注意：两端需加120Ω终端电阻 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘8.3 RS232与RS485对比
| 特性 | RS232 | RS485 |
|---|---|---|
| 信号方式 | 单端 | 差分 |
| 传输距离 | 15m | 1200m |
| 节点数 | 1对1 | 最多32个 |
| 抗干扰 | 弱 | 强 |
| 通信方式 | 全双工 | 半双工 |
| 工业应用 | 调试口 | 现场总线 |
本节小结
工业通信基础知识要点：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 基本概念 通信方式 主从模式 │
│ ├─波特率 ├─串行/并行 ├─主站发起 │
│ ├─数据位 ├─同步/异步 ├─从站响应 │
│ └─校验位 └─工业用串行 └─唯一地址 │
│ │
│ 通信协议 OSI模型 物理接口 │
│ ├─规则约定 ├─七层结构 ├─RS232(近) │
│ ├─Modbus等 ├─工业简化3层 ├─RS485(远) │
│ └─选型考虑 └─分层好处 └─以太网 │
│ │
│ 关键记忆点： │
│ • 串行通信是工业主流（距离远、抗干扰） │
│ • RS485最常用（多点、1200m） │
│ • Modbus是最通用的工业协议 │
│ • 协议选择需考虑实时性、距离、成本 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘练习题
基础题
- 什么是波特率？常用的波特率有哪些？
- 串行通信相比并行通信有什么优势？
- RS232和RS485的主要区别是什么？
思考题
- 为什么工业环境更多使用串行通信而非并行通信？
- 主从通信模式有什么优缺点？
- 如何根据应用需求选择合适的通信协议？
拓展阅读
- RS232/RS485标准规范
- Modbus协议规范
- 工业以太网技术介绍
- OSI参考模型详解
本节完