3、通信协议基础：串口RS232/RS485、以太网TCP/IP、Profinet、EtherNet/IP、Modbus TCP/RTU

在厂务设备联机通信配置中，通信协议是PLC与上位机、变频器、仪表、机器人等设备之间“对话的语言”。选错协议或配置错误，会导致通信中断、数据错位甚至设备损坏。本章系统梳理五种最核心的通信协议，重点对比其物理层、数据链路层及应用层差异，并给出选型建议。

3.1 串口通信：RS232 vs RS485

串口通信是工业自动化最基础的通信方式，采用异步串行传输，常见物理层标准为RS232和RS485。两者在电气特性、通信距离、组网方式上有本质区别。

下图展示了RS485多点总线拓扑结构，PLC作为主站，多个从站设备通过双绞线并联接入A/B总线。

3.2 以太网TCP/IP：工业通信的骨干

以太网TCP/IP已成为厂务设备联机的主流选择，其优势在于高带宽（100Mbps/1Gbps）、长距离（100m/段，可交换机级联）以及标准化的网络层协议。PLC通过以太网模块或本体网口接入工厂局域网，实现与MES、SCADA、HMI的数据交换。

TCP/IP协议栈在工业场景中的典型分层如下：

• 物理层： RJ45接口、Cat5e/Cat6网线、100BASE-TX或1000BASE-T
• 网络层： IP协议，PLC需配置固定IP地址（避免DHCP导致地址漂移）
• 传输层： TCP（面向连接、可靠）或UDP（无连接、实时性高）
• 应用层： Modbus TCP、Profinet、EtherNet/IP、S7通信等

下图展示了PLC通过以太网TCP/IP与上位机、HMI、远程IO站组成的星型网络结构。

3.3 Profinet：西门子生态的实时以太网

Profinet是西门子主导的工业以太网标准，基于TCP/IP但增加了实时（RT）和等时实时（IRT）通道，满足运动控制等苛刻实时性要求。Profinet设备分为三类：

• IO控制器： 通常为PLC，负责处理IO数据
• IO设备： 远程IO站、变频器、阀岛等从站
• IO监视器： 编程设备或HMI，用于诊断和组态

下图展示了Profinet网络中IO控制器与多个IO设备之间的实时数据交换关系。

3.4 EtherNet/IP：罗克韦尔生态的工业以太网

EtherNet/IP由罗克韦尔自动化推广，基于标准TCP/IP和UDP/IP，应用层采用CIP（通用工业协议）。它支持两种通信模式：

• 显式报文： 基于TCP，用于参数配置、诊断等非实时数据
• 隐式报文： 基于UDP，用于IO数据、运动控制等实时数据

EtherNet/IP与Profinet的核心区别在于：EtherNet/IP不依赖专用硬件交换机，完全使用标准以太网设备，但实时性通过CIP Sync（基于IEEE 1588精确时间协议）保障。

3.5 Modbus TCP/RTU：通用性最强的工业协议

Modbus是工业领域应用最广泛的通信协议，具有开放、简单、易实现的特点。Modbus RTU基于串口（RS232/RS485），Modbus TCP基于以太网，两者在报文格式上略有差异，但功能码和数据模型完全兼容。

Modbus数据模型：

• 线圈（Coil）： 位输出，可读写，地址0x0000~0xFFFF
• 离散输入（Discrete Input）： 位输入，只读，地址0x0000~0xFFFF
• 输入寄存器（Input Register）： 16位只读，地址0x0000~0xFFFF
• 保持寄存器（Holding Register）： 16位读写，地址0x0000~0xFFFF

Modbus RTU与Modbus TCP报文结构对比：

Modbus RTU 报文（串口）：
[从站地址 1B] [功能码 1B] [数据 N B] [CRC校验 2B]

Modbus TCP 报文（以太网）：
[事务标识 2B] [协议标识 2B] [长度 2B] [单元标识 1B] [功能码 1B] [数据 N B]

下图展示了Modbus TCP/RTU在厂务设备联机中的混合组网方式，PLC通过网关同时管理串口设备和以太网设备。

3.6 协议选型对比总结

下表从通信距离、实时性、设备生态、配置复杂度四个维度，对五种协议进行综合对比，帮助工程师快速选型。