現(xiàn)場(chǎng)總線的意義 為什么軟件在現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備部署中勝過ASIC

使用硬件模塊使工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線兼容的傳統(tǒng)方法具有許多缺點(diǎn)?，F(xiàn)在，在嵌入式設(shè)備微控制器上運(yùn)行的軟件堆棧的開發(fā)可以提供更簡單、更靈活的解決方案。

工業(yè)傳感器在工廠中用于測(cè)量物理量，例如溫度、壓力、光線和儲(chǔ)存容器中的液體液位。這些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)是模擬信號(hào)，必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后由監(jiān)控過程的可編程邏輯控制器 (PLC) 進(jìn)行處理。如今，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通常用于將數(shù)字信號(hào)從傳感器傳輸?shù)?PLC（圖 1），然后 PLC 處理此信息并通過將控制信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回一系列執(zhí)行器、閥門和電機(jī)作為適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，如必需的。

本文簡要概述了當(dāng)前使用的許多不同現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)討論了與傳統(tǒng)方法相比，使用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)環(huán)境中傳輸傳感器讀數(shù)和控制信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。然后描述了用于使傳感器和控制器與特定類型的現(xiàn)場(chǎng)總線兼容的傳統(tǒng)方法，并在最終提出一種更簡單、靈活且經(jīng)濟(jì)高效的方式在工業(yè)設(shè)備中實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)總線之前考慮了這種方法引入的限制。

什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？

現(xiàn)場(chǎng)總線是用于實(shí)時(shí)分布式過程控制的工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系列的總稱，由電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化為 IEC 61784/61158。在現(xiàn)場(chǎng)總線出現(xiàn)之前，工業(yè)輸入/輸出 (IO) 信號(hào)使用電壓 (RS232) 或電流 (4-20mA) 信號(hào)通過專用鏈路傳輸，這些鏈路將工廠車間的各個(gè)設(shè)備連接回 PLC。

隨著工廠規(guī)模的擴(kuò)大，這種方法變得越來越笨拙，需要越來越長的電纜（長達(dá)數(shù)公里），幾乎無法追蹤和調(diào)試。模擬信號(hào)的另一個(gè)缺點(diǎn)是它們?nèi)菀资艿焦I(yè)環(huán)境中存在的高水平電噪聲的干擾（由于電源的切換和電機(jī)的雜散磁場(chǎng)）。

發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)總線是為了允許多個(gè) IO 設(shè)備使用數(shù)字信號(hào)（在存在電噪聲時(shí)更加穩(wěn)?。┻B接到單個(gè)網(wǎng)絡(luò)電纜（總線）。由于需要更少的布線，總線網(wǎng)絡(luò)使工業(yè)過程更容易擴(kuò)大規(guī)模。

一個(gè)有用的類比可能是考慮現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)工業(yè)設(shè)備的意義。以太網(wǎng)適用于局域網(wǎng) (LAN) 上的 PC，可以使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)輕松添加其他設(shè)備。早期的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)是專有的，這意味著不同的制造商開發(fā)了許多不同的類型。沒有出現(xiàn)單一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這意味著現(xiàn)在世界各地的工廠車間都在使用許多（不兼容的）版本。目前使用的一些最常見的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)包括：

現(xiàn)場(chǎng)總線

Modbus

CANOpen

這些協(xié)議的主要區(qū)別在于它們可以支持的設(shè)備數(shù)量、命令語法和物理接口的種類。最近開發(fā)的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)可以使用以太網(wǎng)接口和電纜進(jìn)行操作，但它們不能互操作。這些包括：

EtherCAT

Profinet

以太網(wǎng)/IP??

為什么硬件不是唯一的答案

對(duì)于在特定現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)（例如 Profibus）上運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備或控制器，它需要能夠“使用該網(wǎng)絡(luò)的語言”。通常，這是通過選擇專用的專用集成電路 (ASIC) 或硬件模塊來執(zhí)行該功能來提供的。

雖然這似乎是一種低風(fēng)險(xiǎn)且方便的解決方案，但它有幾個(gè)并非立即顯而易見的缺點(diǎn)。一個(gè)重要的限制是它限制了設(shè)備與由 ASIC 或硬件模塊實(shí)現(xiàn)的特定版本的現(xiàn)場(chǎng)總線通信。因此，立即將設(shè)備市場(chǎng)縮小到僅限于在其工業(yè)過程中使用該特定現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的客戶。

為了使設(shè)備能夠在其他現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，必須使用不同的 ASIC 或模塊。由于 ASIC 使用不同的封裝并具有不同的引腳功能，這可能需要進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。這種方法的其他缺點(diǎn)是它將工業(yè)設(shè)備的功能限制為由 ASIC/模塊提供的功能，因?yàn)閷?duì)預(yù)先配置的軟件堆棧進(jìn)行更改可能很困難，并且可能不受制造商的支持。因此，這會(huì)影響可以設(shè)計(jì)到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的功能的數(shù)量和類型。

此外，由于 ASIC 或模塊可能僅來自其制造商，因此供應(yīng)鏈中斷和未來價(jià)格上漲的脆弱性可能是一個(gè)問題。一些 ASIC 和模塊制造商還可能堅(jiān)持為每臺(tái)售出的設(shè)備支付專利使用費(fèi)，從而導(dǎo)致不可避免的開銷持續(xù)到整個(gè)產(chǎn)品生命周期。

軟件方法可能效果更好的原因

一種新興的“軟”替代硬件方法是使用現(xiàn)場(chǎng)總線軟件堆棧來代替在嵌入式設(shè)備中的系統(tǒng)微控制器上運(yùn)行。這種方法有很多優(yōu)點(diǎn)——它可以提供完全定制的產(chǎn)品，并允許設(shè)備制造商完全擁有他們的供應(yīng)鏈。此外，消除對(duì)硬件模塊的需求可以通過減少材料清單 (BOM) 立即節(jié)省成本。

這種方法的另一個(gè)好處是它可以在不同的產(chǎn)品中重復(fù)使用相同的設(shè)計(jì)。只需修改軟件堆棧中的代碼以允許微控制器與另一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信，就可以比需要重新設(shè)計(jì)硬件更快地將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

基于軟件的方法還可以通過更改堆棧中的代碼，輕松地將創(chuàng)新和定制的功能添加到高端產(chǎn)品中。例如，當(dāng)使用 RT-Labs 的 Profinet 設(shè)備堆棧實(shí)現(xiàn) Profinet 時(shí)，其較小的代碼占用空間使其比其他 Profinet 堆棧復(fù)雜得多，這意味著它非常適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。

結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)總線是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但它在工業(yè)過程控制方面的優(yōu)勢(shì)意味著它仍然廣泛用于全球工廠環(huán)境。使工業(yè)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)總線兼容的傳統(tǒng)方法是使用“現(xiàn)成的”ASIC 或模塊。雖然這可能提供一種低風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)解決方案，但如果無法保證硬件供應(yīng)鏈，它就有可能成為高風(fēng)險(xiǎn)。

使用現(xiàn)場(chǎng)總線軟件堆棧是一種替代方法，可提供更大的靈活性、更多的創(chuàng)新、更低的成本并減少供應(yīng)鏈中斷的脆弱性。