在工業(yè)過(guò)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(zhuān)用電線單獨(dú)連接到可編程邏輯控制器。然而,隨著過(guò)程變得越來(lái)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(lái)越棘手。
因此,開(kāi)發(fā)了工業(yè)數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),通過(guò)單根電纜(總線)傳輸多個(gè)控制和測(cè)量信號(hào)來(lái)減少布線。
雖然這帶來(lái)了突破,但隨著后來(lái)其他幾個(gè)專(zhuān)有的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),無(wú)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(chǎng)總線兼容,但與其他版本不兼容。
目前一些最常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)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(yǔ)言語(yǔ)法和使用的物理接口方面有所不同。最近,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種不兼容的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)其設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)方法是采購(gòu)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(chǎng)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(lái)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(chǎng)總線版本通信,從而將潛在市場(chǎng)縮小到在其工廠中使用該版本的現(xiàn)場(chǎng)總線的客戶(hù)。使設(shè)備能夠在其他現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行需要重復(fù)該過(guò)程并為新版本的現(xiàn)場(chǎng)總線采購(gòu)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(zhuān)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(wú)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(gòu)。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(kāi)銷(xiāo),這種開(kāi)銷(xiāo)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(chǎng)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(lái)了其他幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。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?gòu)硬件。
此外,通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)。基于軟件的方法還可以通過(guò)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(guò)驗(yàn)證的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)Profinet和EtherCAT通過(guò)多個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)放式硬件設(shè)計(jì)上運(yùn)行,無(wú)需支付額外的版稅,無(wú)需支付專(zhuān)有硬件。
現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)通信為全球工廠環(huán)境中的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)帶來(lái)了許多好處。然而,允許工業(yè)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(guò)允許制造商完全控制自己的供應(yīng)鏈來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。
審核編輯:郭婷
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