在工業(yè)過程控制的早期，工業(yè)設備（傳感器和執(zhí)行器）使用承載模擬（4-20mA）電流信號的專用電線單獨連接到可編程邏輯控制器。然而，隨著過程變得越來越復雜，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，通過單根電纜（總線）傳輸多個控制和測量信號來減少布線。

雖然這帶來了突破，但隨著后來其他幾個專有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的出現(xiàn)，無法建立單一標準。這導致在各種工廠設置和工業(yè)設備中使用的多個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)絡包括：

普羅菲布斯

莫德布斯

卡諾彭

這些協(xié)議在支持的設備數(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)了幾種不兼容的實時現(xiàn)場總線網(wǎng)絡（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備的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。傳統(tǒng)方法是采購第三方通信模塊，以允許設備在該網(wǎng)絡上進行通信（圖 2）。

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

雖然這是一個低風險和方便的解決方案，但它帶來了幾個不太明顯的缺點。最明顯（也是最重要的）限制是，它限制設備只能與模塊實現(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。使設備能夠在其他現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上運行需要重復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，因此這種重新設計可能既昂貴又耗時。

使用專用硬件也使得在設備設計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鏈，因為通信模塊通常只能從其制造商處采購。如果供應意外中斷，這可能會導致意外的生產(chǎn)停機。這種方法的另一個隱性成本是，一些組件供應商要求支付特許權(quán)使用費，導致不可避免的開銷，這種開銷在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)持續(xù)存在。

擺脫硬件桎梏

允許制造商打破這種公認模式的新范式是使用在其設備微控制器上運行的軟件堆棧，使其能夠加入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。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，還帶來了其他幾個優(yōu)勢。它大大提高了產(chǎn)品設計的靈活性，因為可以輕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鏈的所有權(quán)，因為他們不再需要從第三方采購硬件。

此外，通過修改軟件堆棧中的代碼，可以快速重新定位設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計更快地將新產(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例子，該方法使設備能夠通過Profinet和EtherCAT通過多個工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡進行快速通信。這種預認證的軟件堆棧在開放式硬件設計上運行，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)設備在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上通信的傳統(tǒng)方法是使用“現(xiàn)成”的通信模塊。雖然這提供了一種低風險的解決方案，但它有幾個缺點，包括成本高、產(chǎn)品設計缺乏靈活性以及潛在的供應鏈中斷。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)品設計的靈活性和創(chuàng)新，并通過允許制造商完全控制自己的供應鏈來降低風險。

審核編輯：郭婷