现场总线的意义 为什么软件在现场总线设备部署中胜过ASIC

使用硬件模块使工业设备现场总线兼容的传统方法具有许多缺点。现在，在嵌入式设备微控制器上运行的软件堆栈的开发可以提供更简单、更灵活的解决方案。

工业传感器在工厂中用于测量物理量，例如温度、压力、光线和储存容器中的液体液位。这些传感器产生的信号是模拟信号，必须转换为数字形式，然后由监控过程的可编程逻辑控制器 (PLC) 进行处理。如今，现场总线网络通常用于将数字信号从传感器传输到 PLC（图 1），然后 PLC 处理此信息并通过将控制信号通过网络发送回一系列执行器、阀门和电机作为适当的响应，如必需的。

本文简要概述了当前使用的许多不同现场总线网络，同时讨论了与传统方法相比，使用现场总线网络在工业环境中传输传感器读数和控制信号的优势。然后描述了用于使传感器和控制器与特定类型的现场总线兼容的传统方法，并在最终提出一种更简单、灵活且经济高效的方式在工业设备中实施现场总线之前考虑了这种方法引入的限制。

什么是现场总线？

现场总线是用于实时分布式过程控制的工业计算机网络系列的总称，由电工委员会标准化为 IEC 61784/61158。在现场总线出现之前，工业输入/输出 (IO) 信号使用电压 (RS232) 或电流 (4-20mA) 信号通过专用链路传输，这些链路将工厂车间的各个设备连接回 PLC。

随着工厂规模的扩大，这种方法变得越来越笨拙，需要越来越长的电缆（长达数公里），几乎无法追踪和调试。模拟信号的另一个缺点是它们容易受到工业环境中存在的高水平电噪声的干扰（由于电源的切换和电机的杂散磁场）。

发明现场总线是为了允许多个 IO 设备使用数字信号（在存在电噪声时更加稳健）连接到单个网络电缆（总线）。由于需要更少的布线，总线网络使工业过程更容易扩大规模。

一个有用的类比可能是考虑现场总线对工业设备的意义。以太网适用于局域网 (LAN) 上的 PC，可以使用网络交换机轻松添加其他设备。早期的现场总线网络是专有的，这意味着不同的制造商开发了许多不同的类型。没有出现单一的行业标准，这意味着现在世界各地的工厂车间都在使用许多（不兼容的）版本。目前使用的一些最常见的现场总线网络包括：

现场总线

Modbus

CANOpen

这些协议的主要区别在于它们可以支持的设备数量、命令语法和物理接口的种类。最近开发的实时现场总线网络可以使用以太网接口和电缆进行操作，但它们不能互操作。这些包括：

EtherCAT

Profinet

以太网/IP  

为什么硬件不是唯一的答案

对于在特定现场总线网络（例如 Profibus）上运行的工业设备或控制器，它需要能够“使用该网络的语言”。通常，这是通过选择专用的专用集成电路 (ASIC) 或硬件模块来执行该功能来提供的。

虽然这似乎是一种低风险且方便的解决方案，但它有几个并非立即显而易见的缺点。一个重要的限制是它限制了设备与由 ASIC 或硬件模块实现的特定版本的现场总线通信。因此，立即将设备市场缩小到仅限于在其工业过程中使用该特定现场总线网络的客户。

为了使设备能够在其他现场总线网络上运行，必须使用不同的 ASIC 或模块。由于 ASIC 使用不同的封装并具有不同的引脚功能，这可能需要进行昂贵且耗时的系统重新设计。这种方法的其他缺点是它将工业设备的功能限制为由 ASIC/模块提供的功能，因为对预先配置的软件堆栈进行更改可能很困难，并且可能不受制造商的支持。因此，这会影响可以设计到新产品设计中的功能的数量和类型。

此外，由于 ASIC 或模块可能仅来自其制造商，因此供应链中断和未来价格上涨的脆弱性可能是一个问题。一些 ASIC 和模块制造商还可能坚持为每台售出的设备支付专利使用费，从而导致不可避免的开销持续到整个产品生命周期。

软件方法可能效果更好的原因

一种新兴的“软”替代硬件方法是使用现场总线软件堆栈来代替在嵌入式设备中的系统微控制器上运行。这种方法有很多优点——它可以提供完全定制的产品，并允许设备制造商完全拥有他们的供应链。此外，消除对硬件模块的需求可以通过减少材料清单 (BOM) 立即节省成本。

这种方法的另一个好处是它可以在不同的产品中重复使用相同的设计。只需修改软件堆栈中的代码以允许微控制器与另一个现场总线通信，就可以比需要重新设计硬件更快地将新产品推向市场。

基于软件的方法还可以通过更改堆栈中的代码，轻松地将创新和定制的功能添加到高端产品中。例如，当使用 RT-Labs 的 Profinet 设备堆栈实现 Profinet 时，其较小的代码占用空间使其比其他 Profinet 堆栈复杂得多，这意味着它非常适合在嵌入式系统中使用。

结论

现场总线是一项成熟的技术，但它在工业过程控制方面的优势意味着它仍然广泛用于全球工厂环境。使工业设备与现场总线兼容的传统方法是使用“现成的”ASIC 或模块。虽然这可能提供一种低风险的技术解决方案，但如果无法保证硬件供应链，它就有可能成为高风险。

使用现场总线软件堆栈是一种替代方法，可提供更大的灵活性、更多的创新、更低的成本并减少供应链中断的脆弱性。