CAN、ModBus、ProfiNet......如何选择合适的工业总线？

随着工业自动化程度的不断提高，工业总线技术的重要性也日益凸显。作为工业领域的核心技术之一，工业总线在实现设备间高效通信和数据交换方面发挥着重要作用。工业总线指的是模块之间传送信息、相互通信的公用信号线的集合，在主设备的控制下，将发送的信息传送给某个接收设备的通路。

根据总线的位置可以把总线划分为外部总线、内部总线、片内总线。常见的外部总线有RS-232、RS-485、USB总线、CAN总线等（图1）；常见的内部总线有HT总线、I2C总线、SPI总线等（图2）；常见的系统总线有数据总线、控制总线、地址总线等。

图1 外部总线

图2 内部总线

常用工业总线

CAN总线

CAN（Controller Area Network ）是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN总线是德国BOSCH从80年代初为了解决现代汽车中众多控制、测试系统之间的数据交换，从而开发出来的一种串行数据通信协议，它是可以用双绞线、同轴电缆或光导纤维来作为通信介质的一种多主总线。通信速率最高可达1Mbps。

EtherCAT总线

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一种高性能的工业以太网通信协议，专为实时工业控制系统设计。它由德国贝克霍夫（Beckhoff Automation）公司于2003年推出，是一个开放的国际标准。

在EtherCAT网络中，数据是通过一个环形或线性的网络结构传递的，每个从站（slave）设备都会读取它需要的数据，然后立即将数据包传递给下一个从站，这个过程称为“在通过时处理”（processing on the fly）。

ProfiNet总线

ProfiNet是一种支持分布式自动化的高级通讯系统，由西门子公司和ProfiBus用户协会开发。ProfiNet=ProfiBus+EtherNET，把ProfiBus的主从结构移植到以太网上，是基于工业以太网技术的自动化总线标准。它不仅支持各种拓扑结构，方便系统的集成及拓展，还兼容现有以太网接口及协议；不仅可以实现线体的实时控制，还能通过TCP向Web及云端提供数据服务。

ModBus总线

ModBus通信协议由Modicon公司于1979年发明，是最早用于工业现场的总线规约。ModBus通信协议有多个版本，其中比较常用的是ModBus RTU、ModBus ASCII和ModBus TCP。

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参考因素

针对应用场合的不同需求，需要明确以下几个方面的因素：

①时效性要求：根据生产过程中信息传输的时效性要求，选择具备高速传输特性的工业总线。一些常见的高速工业总线包括EtherCAT、ProfiNet和EtherNet/IP等。这些总线具备低延迟和高带宽的特点，适用于对通信速度有较高要求的场景。

②数据量和实时性：选择合适的工业总线，需要参考数据量大小和实时性要求。有些总线如CAN和DeviceNet适用于小数据量低实时性要求的场景，而ModBus和ProfiBus则适用于中等数据量和实时性要求较高的场景。

③可靠性和容错性：考虑工业环境中是否存在干扰和设备故障等一系列风险。如ControlNet总线就具备强大的容错特性，适用于需要高可靠性的场景。而且，某些总线如EtherCAT和ProfiNet具备自动检测和自动修复能力，可以提供可靠通信。

④灵活性和互操作性：系统是否需要与多个设备以及不同厂商的设备进行通信也是需要考虑的因素之一。一些工业总线比如ModBus和OPC UA提供了良好的互操作性和设备兼容性，就比较适合需要与多个设备进行通信的场景。

流程步骤

在选择合适的工业总线之前，建议进行下面的几个步骤：

①需求调研：综合考虑生产过程、设备要求以及其他特殊需求，明确所需工业总线的具体特性。

②市场调研：对各种工业总线的特点、应用场景、市场份额、成本等进行详细了解，可以通过阅读相关报告、参加行业展会、咨询专业人士等途径获取信息。

③厂商评估：与各个工业总线供应商联系会有助于更好地了解各个工业总线的性能、技术支持以及其他服务。

④技术验证：通过实际验证和测试，比较不同工业总线在系统中的性能和可靠性（工业总线的指标，比如总线的传输周期、时钟周期、工作频率、总线带宽），选择最佳方案。

注意事项

在选择合适工业总线后，需要注意以下几个方面：

①设备兼容性：确保设备与所选工业总线兼容，并支持相应的通信协议。

②Topology结构：根据系统需求，选择合适的总线拓扑结构，如总线型、星型、树状型或环状型。

③高效维护：了解工业总线的维护和故障处理方法，合理规划和管理工业总线网络，以确保通信的稳定性和可靠性。

最后，选择工业总线时考虑长远规划和扩展性，避免频繁更换和升级。

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