在工業(yè)過程控制的早期，工業(yè)設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）使用承載模擬（4-20mA）電流信號(hào)的專用電線單獨(dú)連接到可編程邏輯控制器。然而，隨著過程變得越來越復(fù)雜，所需的輸入和輸出數(shù)量也在增加，這使得電纜布線變得復(fù)雜和笨拙，故障調(diào)試也變得越來越棘手。

因此，開發(fā)了工業(yè)數(shù)字現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，通過單根電纜（總線）傳輸多個(gè)控制和測量信號(hào)來減少布線。

雖然這帶來了突破，但隨著后來其他幾個(gè)專有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，無法建立單一標(biāo)準(zhǔn)。這導(dǎo)致在各種工廠設(shè)置和工業(yè)設(shè)備中使用的多個(gè)版本與某些版本的現(xiàn)場總線兼容，但與其他版本不兼容。

目前一些最常見的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)包括：

普羅菲布斯

莫德布斯

卡諾彭

這些協(xié)議在支持的設(shè)備數(shù)量、語言語法和使用的物理接口方面有所不同。最近，已經(jīng)開發(fā)了幾種不兼容的實(shí)時(shí)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)（其操作基于以太網(wǎng)），包括：

以太貓

普羅菲特

以太網(wǎng)/IP

制造商的主要決策之一是針對其設(shè)備的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)方法是采購第三方通信模塊，以允許設(shè)備在該網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信（圖 2）。

圖 2：顯示工業(yè)設(shè)備如何使用通信模塊與現(xiàn)場總線通信的框圖。

雖然這是一個(gè)低風(fēng)險(xiǎn)和方便的解決方案，但它帶來了幾個(gè)不太明顯的缺點(diǎn)。最明顯（也是最重要的）限制是，它限制設(shè)備只能與模塊實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場總線版本通信，從而將潛在市場縮小到在其工廠中使用該版本的現(xiàn)場總線的客戶。使設(shè)備能夠在其他現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行需要重復(fù)該過程并為新版本的現(xiàn)場總線采購不同的模塊。由于通信模塊采用不同的封裝且引腳不兼容，因此這種重新設(shè)計(jì)可能既昂貴又耗時(shí)。

使用專用硬件也使得在設(shè)備設(shè)計(jì)中添加額外的特性和功能變得更加困難。此外，制造商無法控制其供應(yīng)鏈，因?yàn)橥ㄐ拍K通常只能從其制造商處采購。如果供應(yīng)意外中斷，這可能會(huì)導(dǎo)致意外的生產(chǎn)停機(jī)。這種方法的另一個(gè)隱性成本是，一些組件供應(yīng)商要求支付特許權(quán)使用費(fèi)，導(dǎo)致不可避免的開銷，這種開銷在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)持續(xù)存在。

擺脫硬件桎梏

允許制造商打破這種公認(rèn)模式的新范式是使用在其設(shè)備微控制器上運(yùn)行的軟件堆棧，使其能夠加入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。這種方法完全消除了使用昂貴的通信模塊的要求，從而降低了物料清單，還帶來了其他幾個(gè)優(yōu)勢。它大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性，因?yàn)榭梢暂p松修改軟件堆棧以提供定制的特性和功能。此外，制造商可以完全擁有其供應(yīng)鏈的所有權(quán)，因?yàn)樗麄儾辉傩枰獜牡谌讲少徲布?/p>

此外，通過修改軟件堆棧中的代碼，可以快速重新定位設(shè)備以與完全不同的現(xiàn)場總線通信，從而可以比硬件重新設(shè)計(jì)更快地將新產(chǎn)品推向市場。基于軟件的方法還可以通過修改堆棧中的代碼輕松地將創(chuàng)新和定制功能添加到高端產(chǎn)品中。

經(jīng)過驗(yàn)證的現(xiàn)場總線堆棧

RT-Labs的U-Phy是基于軟件的方法的一個(gè)例子，該方法使設(shè)備能夠通過Profinet和EtherCAT通過多個(gè)工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速通信。這種預(yù)認(rèn)證的軟件堆棧在開放式硬件設(shè)計(jì)上運(yùn)行，無需支付額外的版稅，無需支付專有硬件。

現(xiàn)場總線工業(yè)通信為全球工廠環(huán)境中的工業(yè)過程控制系統(tǒng)帶來了許多好處。然而，允許工業(yè)設(shè)備在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上通信的傳統(tǒng)方法是使用“現(xiàn)成”的通信模塊。雖然這提供了一種低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案，但它有幾個(gè)缺點(diǎn)，包括成本高、產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺乏靈活性以及潛在的供應(yīng)鏈中斷。使用現(xiàn)場總線軟件堆棧是一種替代方法，可降低材料成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性和創(chuàng)新，并通過允許制造商完全控制自己的供應(yīng)鏈來降低風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：郭婷