随着传统制造企业正在加快智能制造转型的进程，工业互联网迅速在全世界范围内兴起。在工业互联网的技术构架中，通过各类通讯方式接入不同设备、系统和产品，来采集海量数据是其中重要的一环。现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，它遵循 ISO/OSI 开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。这篇博文我们一起了解下运动控制系统中常用的现场总线协议。
运动控制系统结构图
在开始介绍之前，想跟大家分享一个之前我一直混淆的问题：
RS485 和 MODBUS 的区别：
RS485 是一个物理接口，简单的说是硬件。
MODBUS 是一种国际标准的通讯协议，用于不同厂商之间的设备交换（一般是工业用途）；所谓协议，也可以理解为“语言”吧，简单的说是软件。
一般情况下，两台设备通过 MODBUS 协议传输数据：最早是用 RS232 作为硬件接口，（也就是普通电脑上的串行通讯口（串口））；也有用 RS422 的，也有常用的 RS485，这种接口传输距离远，在一般工业现场用的比较多。
MODBUS 协议又分 MODBUS RTU，MODBUS ASCII 和后来发展的MODBUS TCP 三种模式。
其中前两种（MODBUS RTU，MODBUS ASCII）所用的物理硬件接口都是串行（Serial）通讯（RS232，RS422，RS485）。而 MODBUS TCP 则是为了顺应当今世界发展潮流，什么都可以用 Ethernet 网或 Internet 来连接，传送数据。所以又产生 MODBUS TCP 模式，该模式的硬件接口就是以太网（Ethernet）口了，也就是我们电脑上一般用的网络口了。
我们就来一起看看常用的 Modbus、ProfiBus、EtherCAT 这几种现场总线吧。
Modbus
Modbus是由 Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在 1979 年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。为更好地普及和推动 Modbus 在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已将 Modbus 协议的所有权移交给 IDA（Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口）组织，并成立了 Modbus-IDA 组织，为 Modbus 今后的发展奠定了基础。在我国， Modbus 已经成为国家标准 GB/T19582-2008。据不完全统计：截止到 2007年，Modbus 的节点安装数量已经超过了 1000 万个。
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。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。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。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 是一种单主站的主/从通信模式。一条 Modbus 网络上同时只能有一台主站，从站可以有若干个。
Modbus 具有以下几个特点:
1、标准、开放，用户可以免费、放心地使用 Modbus 协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。目前，支持 Modbus 的厂家超过 400 家，支持Modbus 的产品超过 600 种。
2、Modbus 可以支持多种电气接口，如 RS-232、RS-485 等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。
3、Modbus 的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。
ProfiBus
作为众多现场总线家族的成员之一 ProfiBus 是在欧洲工业界得到最广泛应用的一个现场总线标准，也是目前国际上通用的现场总线标准之一。 ProfiBus 是属 于单元级、现场级的 SIMITAC 网络，适用于传输中、小量的数据。其开放性可以允许众多的厂商开发各自的符合 ProfiBus 协议的产品，这些产品可以连接在同一个 ProfiBus 网络上。
ProfiBus 是一种电气网络， 物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤、无线传输。于 1989 年正式成为现场总线的国际标准。ProfiBus 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，传送速度可在 9.6Kbaud~12Mbaud 范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。ProfiBus 广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。ProfiBus 也是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
EtherCAT
EtherCAT （以太网控制自动化技术）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的 CAT 为 Control Automation Technology （控制自动化技术）的缩写。EtherCAT 是确定性的工业以太网，最早是由德国的 Beckhoff公司研发。自动化对通讯一般会要求较短的资料更新时间（或称为周期时间）、资料同步时的通讯抖动量低，而且硬件的成本要低，EtherCAT 开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中。
EtherCAT 使用相同的物理和数据链路层。EtherCAT 中，主站发送数据，整个网络可能只有一个数据帧依次将通过每个节点。主站是唯一允许发送帧的节点，子站只能转发帧。数据帧就像火车一样，从主站开出，途经各个子站，把对于子站的数据放下或者带上，最后回到主站。这种方法有助于确保实时操作并避免延迟。
EtherCAT 网络不需要交换机。每个EtherCAT 设备通常有两个以太网端口，第一个端口是接收端口，另一个是发送端口，发送给另一个设备。
实时性是EtherCAT 的主要优势，使得 EtherCAT 可以成为高性能的分散式I/O 系统：包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需 30us，相当于在 100Mbit/s 的以太网传输 125 个字节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以 10 kHz 的速率更新，一般的更新速率约为 1–30 kHz，但也可以使用较低的更新速率，以避免太频繁的直接内存存取影响主站个人电脑的运作。
虽然子站设备添加数据过程到数据帧过程中仍有一点延迟，但 EtherCAT 的单一数据流大大提高了带宽利用率。这个优点也可能是一个缺点。因为许多子站设备可能无法适应这种高速，使得 EtherCAT 网络可能需要放慢速度以适应这些设备。
EtherCAT 还使用分布式时钟系统。当 EtherCAT 的数据帧通过每个节点时，节点向其数据添加“已接收消息”时间戳。每个节点在收到消息时添加时间戳，然后在返回主站的路上，当数据帧移回节点时，每个节点再次附加一个时间戳。
参考资料：
- 百度文库；
- 电子发烧友；
- 知乎；
- 中国产业信息网；
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