工業通訊的關鍵要素：TCP/IP協定深度分析

Ⅰ.網路介面層

最底層是網路介面層。

它判斷設備是否能夠實際連接到網路。

PLC、HMI、工業PC、伺服驅動器、機器人控制櫃和工業交換器都需要透過乙太網路線、光纖或無線網路進行連接。網路卡指示燈是否亮起、乙太網路線是否正常運作、交換器連接埠是否有故障、現場幹擾程度等因素都屬於此範疇。

這一層通常使用 MAC 位址。

IP 位址決定最終目的地，而 MAC 位址則識別本地網路中的下一跳設備。

例如，當主機需要存取PLC時，資料可能會先經過交換機，然後才能到達PLC的網路連接埠。在轉送過程中，交換器主要依賴MAC位址。

工業環境中常見的故障（包括網路電纜損壞、RJ45 連接器接觸不良、交換器連接埠故障、光模組異常或屏蔽接地不足）應先在此層級進行診斷。

這一層也會執行訊框校驗，例如乙太網路中使用的 CRC 校驗，用於偵測連結傳輸過程中的錯誤。但是，它的主要作用是識別錯誤，而不是保證服務資料的交付。

二、網路層

第二層是網際網路層，其核心元件是 IP（通常稱為 IP 位址），它負責尋址和資料轉送。

在現場，PLC 的 IP 位址可能是 192.168.1.10，HMI 的 IP 位址可能是 192.168.1.20，工業控制電腦的 IP 位址可能是 192.168.1.100。要在設備之間進行通信，首先需要知道彼此的 IP 位址。

如果設備位於同一網段，則通常由交換器轉送。

當需要透過不同的網段存取中央控制室伺服器時（例如車間設備需要存取），則需要網關或路由器。

IP協定只能確保盡力轉發，不能保證送達。

由於路由配置錯誤，封包可能會遺失、亂序或無法到達目標設備。當 TTL 逾時時，資料包將被丟棄，以防止網路中出現無限循環。

因此，當遇到網路段之間的通訊故障、臨時 ping 連接隨後斷開或不同網路區段之間的設備不相容等問題時，應重點檢查 IP 位址、子網路遮罩、網關和路由配置。

我們不應該立即懷疑PLC程式。很多時候，問題僅在於位址配置錯誤或網關設定錯誤。

三傳輸層

第三層是傳輸層。

這一層解決的不是“使用哪個設備”，而是“在該設備中提供哪種服務”。

這需要使用連接埠號。

例如，Modbus TCP 通常使用連接埠 502，OPC UA 使用連接埠 4840，MQTT 使用連接埠 1883，HTTPS 使用連接埠 443。

透過IP位址查找設備。

透過連接埠號碼查找服務。

最常用的傳輸協定是 TCP 和 UDP。

TCP 是一種連線導向的協定。在傳輸資料之前，通訊雙方必須先建立連線—通常稱為三次握手。連線建立後，TCP 會採用序號、確認、重傳和視窗控制等機制來確保可靠且有序的資料傳輸。

因此，TCP被廣泛應用於Modbus TCP、OPC UA、資料庫資料擷取、MES資料上傳以及主機通訊等應用。這些應用場景都非常重視可靠性－指令必須準確執行，資料不能遺失，採集結果必須一致。

然而，TCP 也存在一些缺點。它開銷較大，且對網路抖動、丟包和延遲更為敏感。網路品質差時，可能會出現連線逾時、重傳次數增加、視訊更新率降低等問題。

另一方面，UDP 不建立連接，也不處理重傳或排序；一旦資料發送出去，就交給網路和上層應用程式進行處理。

聽起來可能不太可靠，但它速度快、成本低。它也常用於需要高即時效能的場景，例如裝置發現、廣播訊息、部分狀態報告和時間同步。

因此，簡單地將 TCP 稱為更優而將 UDP 稱為劣等是不恰當的。為了確保可靠性，應選擇 TCP；為了降低延遲和減少開銷，UDP 可能更合適。最終的選擇取決於具體的應用場景需求。