常见的工业通讯协议有哪些

　　每个仪表都有自己独特的通讯协议，常见的有modbus通讯协议 、RS-232通讯协议、RS-485通讯协议 、HART通讯协议等等，那么这些通讯协议究竟是怎么工作的，有哪些优缺点呢？本文将重点介绍目前常见的几种通讯协议！

　　通讯协议：又称通信规程，是指通讯双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对数据格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。

　　常用的仪表通讯协议：

　　· modbus通讯协议

　　· RS-232通讯协议

　　· RS-485通讯协议

　　· HART通讯协议。

　　· MPI通信

　　· 串口通信

　　· PROFIBUS通信

　　· 工业以太网

　　· ASI通信

　　· PPI通信

　　· 远程无线通信

　　· TCP

　　· UDP

　　· S7

　　· profibus

　　· pofinet

　　· MPI

　　· PPI

　　· Profibus-DP

　　· Devicenet

　　· Ethernet

　　Modbus通讯协议1

　　Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。

　　由于modbus协议是完全公开透明的，所需的软硬件又非常简单，这就使它成为了一种通用的工业标准。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

　　特点

　　Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。

　　modbus通讯协议是一种主从式异步半双工通信协议，采用主从式通讯结构，可以使一个主站对应多个从站进行双向通信。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

　　Modbus协议包括ASCII、RTU等通讯方式，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用主-从方式，主站发出数据请求消息，从站接收到正确消息后就可以发送数据到主站以响应请求；主站也可以直接发消息修改从站的数据，实现双向读写。

　　主/从原理

　　当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

　　当在网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。

　　Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某从站点断开后（如故障或关机），主端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。

　　Modbus与OSI参考模型

　　Modbus之ASCII通讯方式

　　数据帧

　　广播模式（只用于写操作）

　　非广播模式

　　Modbus之RTU通讯方式

　　RS-232通讯协议2

　　RS-232是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号通常。RS-232 接口以9个引脚 （DB-9） 或是25个引脚（DB-25） 的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2 。

　　RS-232接口

　　RS-232标准设有25条信号线和9条信号线两种，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

　　传输速率

　　RS-232标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特率。

　　远程通信连接数据终端

　　RS-232标准最初是远程通信连接数据终端设备（DTE）数据通信设备（DCE）而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。

　　“发送”和“接收”

　　RS-232标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。

　　电气特性

　　EIA-RS-232 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

　　在TxD和RxD上：

　　逻辑1（MARK）=-3V～-15V

　　逻辑0（SPACE）=+3～+15V

　　在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：

　　信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V

　　信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V

　　RS-232接口定义（9芯）

 

　　RS-232接口定义（25芯）

　　1频蔽地线

　　2 发送数据 TXD

　　3接收数据 RXD

　　4 请求发送RTS

　　5允许发送 CTS

　　6 数据准备好 DSR

　　7信号地 SG

　　8 载波检测 DCD

　　9 发送返回（+）

　　10 未定义

　　11 数据发送（-）

　　12~17 未定义

　　18 数据接收（+）

　　19 未定义

　　20 数据终端准备好 DTR

　　21 未定义

　　22 振铃 RI

　　23~24 未定义

　　25 接收返回（-）

　　RS-232串口通信接线方法（三线制）

　　串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连。接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接。

　　9针D型串口：2“RXD”，3“TXD”，5“逻辑地”。

　　25针串口通信接线方法

　　RS-232缺点 ：

　　（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

　　（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率≤20Kbps。

　　（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

　　（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺（实际≤15米）。

　　RS-485通讯协议3

　　RS-485标准是在RS232的基础上发展来的，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。

　　RS-485的电气特性：

　　逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

　　传播速率：

　　RS-485的数据最高传输速率为10Mbps

　　RS-485接口：

　　是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

　　波特率：

　　1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、125K

　　通信接口方式：

　　RS485接口：异步，半双工，串行

　　数据格式：

　　1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校验

　　1位起始位、8位数据位、1位停止位、奇校验

　　1位起始位、8位数据位、1位停止位、偶校验

　　当与现场总线适配器PROFIBUS连接时采用默认数据格式。

　　RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米（理论上的数据，在实际操作中，极限距离仅达1200米左右），另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

　　9针型接口：

　　RS485接口 信号含义

　　3 RXD- 接收数据

　　4 RXD+ 接收数据

　　5 TXD+ 发送数据

　　7 TXD- 发送数据

　　缺点：

　　很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。

　　HART协议4

　　HART（HighwayAddressable Remote Transducer），可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

　　HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

　　协议基本情况

　　· 4~20mA模拟信号+数字控制信号（FSK技术）

　　· 支持双绞线全数字通信，可构成15个站网络

　　· 支持OSI开放体系结构，1、2、7、层

　　通信模型：

　　物理层：

　　基于Bell 202 通信标准的FSK 技术，基本内容：

　　波特率 1200bps （速度较慢）

　　逻辑1 1200HZ

　　逻辑0 2400HZ

　　数据链路层

　　通信方式：

　　1）主从式通信

　　由主设备来控制数据帧的传送

　　最多允许15个从设备连接到一条多点通讯线上

　　2）突发模式

　　从设备定时重复发送数据帧

　　3）半双工通讯方式

　　寻址范围：0 ~ 15

　　当地址为0时，处于4~20mADC与数字通信兼容状态。

　　当地址为1~15时，则处于全数字通信状态。

　　规定通信数据的结构，每个字符由11位组成：

　　1bit起始位 + 8bit数据 + 1bit奇偶校验位 + 1bit停止位

　　应用层：

　　通用命令：

　　· 对所有符合HART协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容：

　　· 读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；

　　· 读出传感器串联数目及其线制；

　　· 读出制造厂及产品型号；

　　· 读出主变量及单位；

　　· 读出电流的输出及百分比输出；

　　· 读写8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以及日期等；

　　通用命令适用于大部分符合HART协议的产品，但不同公司的HART产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调DA的零点和增益等：

　　· 写入阻尼时间常数；

　　· 写入变送器量程；

　　· 标定（设置零点和量程）；

　　· 微调主变量零点；

　　· 微调DAC的零点和增益；

　　· 完成自检及主机复位；

　　特殊命令：

　　仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。：

　　· 读出或写入开方小流量截断值；

　　· 启动、停止或清除累积器；

　　· 选择主变量（质量流量或密度）；

　　· 读出或写入组态信息资料；

　　· 微调传感器的标定；

　　HART通讯模式：

　　第一种“问答式”：2次/秒，适用于点对点，多站连接

　　第二种“成组模式”：3.7次/秒，只适用于点对点连接

　　HART协议的优点：

　　· 模拟信号带有过程控制信息，数字信号允许双向通信；

　　· （智能化现场仪表+模拟仪表、记录仪及控制器）混合系统；

　　· 支持多主站数字通信，节省导线，减少安装费；

　　· 通过租用电话线连接仪表，使远方的现场仪表使用相对便宜的接口设备；

　　· 允许“问答式”及“成组模式”通信方式；

　　· 报文结构灵活、规范、一次通信可携带4个过程变量。

　　HART通信的应用通常有三种方式：

　　· 最普通的是用手持通信终端（HHT）与现场智能仪表通信。

　　· 带HART通信功能的控制室仪表，可与多台HART仪表进行通信并组态。

　　· 第三种方式是与PＣ机或DＣS操作站进行通信。

　　在智能变送器与HART协议通讯器之间互联需要遵循负载电阻之和在250～600 Ω之间，太小了不能通讯，太大了变送器无法工作。实践中，一般在校验室内都至少要串接一个250 Ω以上的标准电阻，但在现场中如果系统基本满足负载电阻要求，可以直接在控制室内接线端子上跨接HART通讯器。如图1所示

　　由于HART仪表与原4-20mA标准的仪表具有兼容性，HART仪表的开发与应用发展迅速，特别是在设备改造中受到欢迎。HART协议与FF等协议相比，较为简单，而且由于速度慢及低功耗的要求，数据链路层及应用层一般均由软件实现。物理层应用原有的Bell－202调制解调器。为解决不同厂家设备的互换性及互操作性问题，HART采用了设备描述语言（DDL）。