【前言】工控中常用到的产品或技术主要包括这几大类：传感器、传动和运动控制、PLC、HMI、通信与网络等，其中通信与网络是工控人员最头疼的部分。一方面产品和技术繁杂，通信协议多；另一方面随着数字化、智能化的发展和需求，网络与通信应用越来越广泛。许多资料对网络与通信的介绍比较分散，缺乏系统性的介绍和分析，尤其缺乏从应用的角度对不同网络与通信方式发展变化及其差异的介绍。本文并不是试图详细介绍某种或某些通信网络及协议的具体内容，实施方法；而是想从应用的角度对工业应用领域中常用的网络和总线的发展、共同点和差异进行探讨，让大家对工控领域的网络与通信有些宏观的认识和理解。
一，基本概念
工业应用中的网络和总线，也就是人们常说的工控网络，是设备和产线开发设计和应用中的技术难点。简单的说，网络是实现通信的一种方式或载体，而总线是实现通信的一种网络形态。从宏观的角度来看，通信是人与人之，人与物，物与物间通过某种媒介进行的信息交流与传递。不同语言间的翻译，人机界面是通信的范畴；软件开发系统中的MSMQ消息队列，模块间状态的交互等也是一种通信机制……。
而人们常说的通信是特指网络通信。网络是用物理链路将各个孤立的个体、单元、工作站（内部通信对象）相连在一起，组成的数据链路以实现人与人，人与计算机，计算机与计算机之间（实现通信的外部目标）进行信息交换的链路，从而达到资源共享和数据交换的目的。
从应用的范围看，网络通信主要分通用网络也即办公、商用网络和工业生产环境中的工控网络，两者的差别和各自特点也造就了办公自动化和工业自动化的差别和各自的特点。前者基本上是基于以太网，包括各种互联网，局域网。后者基本上是基于串行通信机制的各种现场总线。宏观的总线概念也包括,例如：计算机内部的数据总线、地址总线等这些总线。这里说的总线是特指工业生产环境中应用的总线，主要是指现场总线。
二，工控网络的特点
基于以太网的通用网络强调的是系统整体性能，流过的是复杂结构、大容量的数据帧，注重数据的传输和管理，用的是多进程多线程调度这类的机制；存在实时性缺陷，也不能保证系统行为的确定性和可预测性。
工控网络不但在硬件配置上要适应现场震动、温度、湿度、干扰等特殊工作环境，而且对状态和数据传输的实时性、准确性要求高，流过的是简单的数据帧，用的是类似循环单进程单线程这样的存取机制。
因而工控网络通信对象有数量和距离上的限制，一般最少有一个主站调度处理网络通信。而通用网络通信对象基本上没有数量上的限制，各节点的应用基本上是触发驱动型的服务端/客户端关系，基本上不需要调度意义上的主站，接入站点空间和数量理论上是无限的。
还有一点，虽然经过半个世纪的发展和融合，但是由于工业自动化领域相对封闭的生态环境，工控网络类型和协议依然很多、很杂，其软件和硬件方面都有各自特点；这不同于通用网络是建立在相对统一的以太网平台上，工程技术人员只需把精力注重在他所对应的协议和应用层的软件开发方面，尤其是根本不用考虑硬件的选型和配置。发展至今，几大组织、公司已形成了各自的生态圈，相比通用网络在标准化、统一性、兼容性上还有很大距离及发展空间。
三，通信网络的基本原理
网络的组成有三个基本特点：传输介质，拓扑结构，控制结构。
早期并行通信的方式还有一定的应用场景，如今除了在一些控制器的处理器内部，并行通信这种形式已很少应用。并行通信从理论上比串行通信应该更快，但实际上因为涉及到同步性（因距离，和传输介质不同而不同）问题，导致电路和控制结构变得复杂，所以现在通信机制基本上是基于串行的通信。
现在电子元器件工艺越来越先进，芯片运行速度也越来越快，通信速度基本上不是主要问题。例如：USB3.0接口的理论带宽速率可达到5Gbps，以太网可达到10G,如果传输介质是光纤那速度就更快。当然速度并不仅与传输介质有关，还与接口电路，通信控制方法，拓扑结构，实际应用需要等因素也有关。再者，工控中的总线通信速度并不是通信最关键的指标这一点也很重要。还有，像最基本的、应用最早的RS232串行通信,主要是因历史发展及应用场合的原因，其速度最高也就是规定在100-200K左右。至于无线通信速度与频带带宽、载波调制等许多因素有关，其传输机制又牵涉到不同应用，这不是本文要探讨的。
常应用的双绞线、同轴电缆、光纤、无线电等不同传输介质的通信传输速度本身就是不同的，而同一类介质也会因材料、结构不同，其传输速度也会有差异。传输介质确实是影响传输速度的重要因素，但不是唯一的。
常见的网络拓扑结构包括星型、环形和总线型，或者是这三者的混合。这三种各有特点：星型延迟时间小，便于集中控制，常见于通用网络；环形控制方式上简单，实时性好，但不便于扩充，一个节点坏了就会影响整个网络，常用于实时性要求高的运动控制网络；总线型结构简单，易扩充，一个节点不通信也不影响其它节点通信。基于可靠性、及时性综合要求工业网络中应用最广的是总线型。但网络通信技术发展到今天，硬件及控制机制的进步和优化，尤其是通信速度越来越快，实际应用中总线与星型的混合型拓扑结构应用越来越广，例如工业以太网已能基本满足工业应用中对可靠性、及时性的应用要求。
控制结构也叫控制方式，主要有基于介质共享和交换的控制方式。一般所谓的现场网络主要是采用基于共享的控制结构，如：令牌传递、争用、集中与分布、主/从、点到点、广播等。而基于交换的控制结构主要应用在办公、商业等通用网络中，如线路、报文、分组的交换和分发等。
上面探讨的这些不同通信技术、方式或概念和其它技术一样都是基于应用的不同；所以人们常说应用才是技术发展和变化的方向和原动力，对不同的技术和概念的理解也一定要面向应用。
四，通信协议
网络间要进行有效的通信，各通信成员间就必须按照共同的规则工作，这样就必须建立通信协议。现在各种通信协议比比皆是，但一般网络的通信协议结构是建立在分层的基础上，即基于开放式互联ISO/OSI参考模型。其标准定制过程中所采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这也是基于复杂问题简单化，简单事情重复化，重复的事情系统化的处理原则。
一个通信协议主要说明了拓扑结构和控制结构的基本规范，从这个角度来说：一个网络就是建立在一定的传输介质基础上，并符合一定的协议标准的通信线路网。
OSI参考模型是计算机网路体系结构发展的产物，它的基本内容是开放系统通信功能的分层结构，一般分七层（参考下图），每一层的功能是独立的。它利用其下一层提供的服务并为其上一层提供服务，而与其他层的具体实现无关。这里所谓的“服务”就是下一层向上一层提供的通信功能和层之间的会话规定，一般用通信原语（请求、确认、指示、响应等）实现。两个开放系统中的同等层之间的通信规则和约定称之为协议。
OSI参考模型只是描述了一些概念用来协调进程间通信标准的制定。这也就是说，OSI参考模型并不是一个标准，而只是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。因而通信协议标准参考模型虽然是分七层，但实际具体的通信协议并不一定要与它一一对应，也许一个协议只定义其中几层，或者定义的层次是从中变异过来的。传统的局域网尤其是工控网络，一般协议结构只定义下两层，与其它高层协议共同完成通信应用，如下图所示的开发比较早的CAN总线协议模型。
而由CAN总线发展而来的，比如DeviceNet现场总线，其下两层与CAN+总线区别不大，但因为增加面向对象，基于连接的现代通信理念，它们在应用层上就完全不同了。
在传统的局域网中，某一种网络通常只建立在一种协议上，网络的互联也是遵循同一标准；而现在的网络往往是一个连接有不同协议的的网络上，或者是一个通信协议是建立在其它协议的基础上，也就是说它往往是一个协议体系。象通用互联网络（Internet）中的TCP/IP（如下图示），在上世纪它就包括100多个协议，而TCP和IP仅是其中最基本，最重要的两个协议。
网络协议是硬件和软件的组合体，这不仅体现在协议架构上（如物理层和数据链路层是软硬件的结合），而且体现在协议的实现过程中。对于标准化的层或协议，可用专门集硬件和软件一体的芯片或控制器来实现，尤其是底层（如网关、集线器、路由器等网络连接设备，还有类似倍福公司的EtherCAT总线就提供底层的通信芯片这种情形）。而较高层的就完全靠软件来实现。
目前技术发展到一定高度，应用者已经很少需要编写底层通信程序，尤其是那些成熟、应用广的通信网络和总线。因为那些由软件实现，标准化强的协议部分一般集成在系统程序中，并不直接与用户打交道。通信网络的应用软件如同其它方面的应用软件一样，用户程序或应用软件的开发是基于底层，而实现高层的过程，为用户提供简单、有效、直观的各层界面和用户界面是应用和发展的要求。也就是说网络通信应用开发过程中一般仅需开发应用层，其与底层的连接一般是通过配置、设置或者导入说明文件等工作完成。
假如我们从整体的角度来描述分层通信过程，其实就是封装和拆装的两个互逆处理过程，而最底层就是原始的串行通信数据位帧（当然即使同样是RS232串行通信，实际应用中也有不同通信标准或协议）。上图是以太网通信数据分层处理示意原理图，对应不同层，从下往上对应的数据一般是：位帧，字节帧，字帧，数据包帧等等。当然这并非绝对的，不同通信网络或协议处理的数据对象和方式有各自的定义或不同。
这个看似复杂的通信过程，其数据通信过程基本上不用应用者处理，通过后台系统程序，适应于用户的简单、直观的设置、配置，或者导入说明文件就可以实现这个通信处理过程。
五，低端网络和高端网络
OSI参考模型中的数据链路层一般分为两个部分：（1）逻辑链接控制（LLC）子层；（2）媒体访问控制（MAC）子层，它是通信协议中软硬件规范的分界点。早期的通信协议或通信总线接口基本上主要定义说明这一层的两个子层和物理层，如HDLC、SDLC、RS511、MAP等协议。开发用户程序时往往需要对位帧或数据帧层面进行编程处理。也就是说它们基本上没有用户层的协议规范，即使是现在，在许多应用场合我们还会遇到处理RS232通信时需要对数据帧处理的情形。相对的，在此基础上发展而来的CAN总线，ModBus总线仅是增加了用户层协议，后者完全兼容通用（注意是通用）串行协议（RS232/422/485）,而前者尤其在数据链路层上的处理与Modbus是有很大差别，这也是导致它们应用层的不同。这其实是许多通信协议的共同特点：虽然基本上大部分通信底层都是建立在串行通信机制的基础上，但因为在物理层，数据链路层的LLC和MAC子层上的不同定义和规范，这就导致它们在应用层上的不同，这也就造就了各种各样的通信协议。
在底层通信处理机制基础上，近些年为适应传感器、执行器层面的通信，许多公司和组织推出了一些所谓的位总线，如AS-i、IO-Link、Anyware等，这个与CAN等总线是一个层面的通信机制，只是应用范围侧重点的差别。位总线应用时基本上不需要开发用户程序，一般都是通过网桥接入相应现场总线，或者通过网关接入相应网络中。实际应用中人们常把前面提到的RS232/485、HDLC/SDLC、CAN、Modbus、AS-i、IO-Link、Anyware等划入所谓的低端网络范畴，而把IEEE802标准下的网络定义为高端网络，如各种现场总线，以太网等。所谓高端网络应用范围更广，通信处理的不仅是开关量、数字信号，各种类型数据及信息，如人机接口，还包括复杂的运动控制等方面。高端网络的用户层定义非常丰富、广泛，开发应用对底层的依赖程度很低。
六，现场总线
现场总线在工控领域应用越来越广泛，它是随着通信技术迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，也就是现场各种控制单元互联的问题。现场总线主要应用在工业控制场合，它随串行通信技术发展而来。最主要解决的是最底层的数据通信，因而它注重的通信数据的及时性、准确性和稳定性。它是工控网络中最主要的应用网络，它的内涵和外延随着工业应用及电子技术的发展而有所扩展，它与串行通信等低端网络，OPC技术,以太网/工业以太网等一起解决工业中的通信应用。
最新的，是在2013年颁布的IEC61158第四版国际现场总线标准（见下表），加入了几种主流工业以太网标准，以及主要应用于运动控制方面的光纤现场网络标准。许多老的总线标准因为应用程度或者技术标准的演化而被取消或合并，相比以前的双绞线基础上的各种现场总线已有很大的扩充和变化，但不管怎么变，现场总线简单、经济、可靠、及时、稳定是它永远不变的要求。
当然，实际应用中许多总线并没有列入标准，有些列入了但因为各种原因应用程度并不高（如第14类，EPA就是中国几个高校推出的总线标准,但在生态应用体系上一直没有建立起来），对于各种标准定义的话语权和市场推广的竞争，这不仅是工控行业的问题了；但因为工控行业相对封闭的特点，标准的统一在工控行业真是任重而道远。
相对于低端网络，现场总线这类高端网络集成度很高，用户基本上不用考虑底层的协议，只需参考应用层协议而开发用户程序。下图是现场总线与OSI模型层的对照表，这在前文也提及过，现场总线主要应用的是最底两层和应用层。
工业领域通信与网络的发展是和应用息息相关，应用推动技术的发展。一个工业网络的优劣可从这些方面判断。
1，节省硬件的投入，安装方便。
2，稳定性高，便于维护
3，扩充性好，方便远程故障判断
4，兼容性好，便于系统集成
5，接入通信节点类型广
6，用户编程方便，简单
对照这些标准，现场总线是有很大优势的，根据大量的现场应用经验，以及数字化、智能化的发展趋势，下图是一个典型的工控现场控制网络配置图示。在设备层和控制层基本上是以现场总线为准，信息层主要应用连入计算机的以太网。在设备层和控制层往往应用的是两个现场总线，但现在一般也是建立在同一系统的网络平台上，如罗克韦尔的NetLinx，西门子的Profield，欧姆龙的Sysmac，三菱的CC-Link等。当然有时应用中并不需要严格区分设备层和控制层，只需一种现场总线为主就可以，要区分也只是在用户及用户程序层面区分。
实际应用中设备层的传感器和执行器层也可采用位总线，如IO-Link,这些位总线标准一般都提供了相应网桥以方便接入现场总线中，只需要配置一下，现场I/O就可以位址为单位映射到设备层的字节地址中，用户不用编写专门的处理程序。
设备层和控制层共同特点是对通信数据的即时性、准确性和稳定性有严格的要求，而且也都要求可以对通信对象进行配置、监控处理。不同点在于设备层重点在开关量和数字量的通信处理，及时性、准确性和稳定性要求更好；控制层重点在数据和信息的处理，控制层往往应用在不同设备的连接上。
工控领域类似伺服系统这类运动控制有其独特性，单位时间内数据交换处理量大，及时性要求很高，特别是应用到同步控制功能时。在网络连接应用中一般应用光纤网络单独组网，但随着控制技术的进步，电子芯片的发展，速度和稳定性能越来越高，伺服系统与IO单元及其它常用特殊功能通信单元连入同一个现场总线中也是总线技术的发展趋势，目前应用也很广泛，如EtherCAT，CC-Link iE等总线。
信息层是制造行业数字化、智能化的必然产物和发展基础，以前常通过以太网TCP/IP协议和OPC技术等接入整个工控网络。信息层虽然对通信数据的即时性要求不高，但数据处理量大，而且对应不同类型的数据处理。MES（制造执行系统）是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统，所以说信息层是MES的网络基础。
随着工控技术的发展，一网通、无缝连接是工控网络的发展方向。这些年工业以太网技术的快速发展和推广让这种想法成为了可能，现场控制网络统一到工业以太网是未来发展趋势。
生产现场不同层应用的网络和总线协议和标准可以不同，但在用户应用时应该统一开发平台，尤其是编程及寻址。罗克韦尔的Logix控制平台，NetLinx开放网络是最接近这种思路的。如上图所示：从设备层网络DeviceNet，到控制层网络 ControlNet再到工业以太网EtherNet/IP，这三种不同的网络的物理层和数据链路层虽说不一样，但它们的应用层都是使用同一个协议，即CIP通用工业协议。不同网络间的转换也比较简单，基本上标签数据可以寻址到底。
七，工控网络中一些容易混淆的概念或名称
请注意下面的一些概念或名词其意义或范畴是有差别的:
1，网络与总线
2，总线与现场总线
3，串行通信与通用串行通信
4，以太网与工业以太网
5，Internet与internet
6，Ethernet与Ethernet/IP
7，通用网络与工控网络
8，互联网与国际互联网
9，进程与线程
