工控现场总线设备编织数字时代的血脉

工控现场总线设备：编织数字时代的血脉

一、引言

在现代工业控制系统中，工控现场总线设备扮演着不可或缺的角色，它们是连接传感器、执行器和其他工业控制设备的桥梁。这些总线不仅承担着数据传输的任务，还为整个生产过程提供了稳定的通信基础。

二、定义与分类

所谓“工控现场总线”，指的是专门用于工业自动化领域内进行数据交换的一种网络技术。在实际应用中，根据不同的通信要求和应用场景，我们可以将它们分为多种类型，如串行总线（如RS-232C, RS-485）、并行总线（如CANbus, PROFIBUS）以及以太网等。

三、串行与并行比较

串行通信是一种点对点方式，即每个节点通过单独的信道来发送信息，而并行通信则是多个数据位同时通过同一信道发送。这种区别决定了两者在速度和复杂性方面存在差异。例如，在高速、高可靠性的要求较高的情况下，通常会选择使用并行型协议，如CANbus，这样可以保证实时性，同时减少误码率；而对于成本敏感或者需要远距离通讯的情况，则可能更倾向于采用串行协议，如RS-485，以达到经济高效的目的。

四、常见工控现场总线标准

CANbus（Controller Area Network）

CANbus 是一种广泛应用于汽车行业中的无纠错错误检测能力强大的分布式实时通讯网络协议。它能够在严苛环境下工作，并且具有很好的抗干扰性能，是许多工业自动化系统中不可或缺的一部分。

PROFIBUS (Process Field Bus)

PROFIBUS 是一个由德国企业联盟推出的开放式字段 总线标准，其主要特点是支持多种物理层实现，从简单到复杂都有所包含，比如电缆形式也包括双绞铜缆、光纤等。此外，它还具备良好的灵活性，可以满足不同用户需求。

EtherNet/IP (Industrial Ethernet)

EtherNet/IP 是基于TCP/IP互联网协议的一个扩展版本，它结合了IP地址管理和Ethernet物理层，使得工业控制系统能够与商用计算机网络相互兼容，有助于提高集成度，并简化维护工作。

Modbus TCP/RTU/ASCII (MODBUS)

MODBUS 是一个广泛使用的SCADA(监督管制与数据采集)及PLC(程序逻辑控制器)间通信协议。这是一个非常古老但仍然被广泛使用的大众标准，因其易学易用而受欢迎。但随着时间发展，不同版本之间兼容性可能会有所差异。

**DeviceNet™ 和 ControlNet™ —— 从Allen Bradley公司开发出的一些业界流行规格

DeviceNet™ 和ControlNet™ 都属于Rockwell Automation公司旗下的产品系列，这两个都是针对特定应用设计出来的产业级别网络解决方案。

DeviceNet™ 主要用于低速率、小范围局域网操作，对于机床上的小型传感器或执行机构尤为适用。

ControlNET 提供了一套完整的人机界面，与PLC直接连接，适合大规模控制系统，以及那些需要大量输入输出端口的地方，因为它支持更多I/O端口数量，但速度较慢。

BACnet

8.LonWorks

4.SERIAL AND ANALOGUE I/Os

5.PLCs and DCSs

6.Fieldbuses: Profibus, Devicenet, etc.

7.Robotics and Machine Vision systems.

9.Process control system in oil refineries.

10.Marine automation system.

11.Automated manufacturing process systems for automotive industry.

12.Control of electrical grids by SCADA system in utilities industries.

13.Distributed control systems for power generation plants in the utility sector.

14.Automation of building management systems like HVAC controls.

15.Biomedical equipment like MRI machines or surgical robots.

16.Food processing industries automation.

17.Transportation industry's rail & road vehicles' onboard electronics and communication networks.

工作原理分析

物理层

这个层次负责如何将电信号转换成物理介质上的波形。在某些情况下，也涉及到光纤传输或者其他特殊类型的问题。而在这之上还有很多细节，比如说是否需要加密安全问题或者考虑到EMI抑制措施等等。

数据链路层

这个是在把具体消息包装起来的时候发生的事情，那么我们就从接收到的原始信息开始构造我们的帧结构，然后送出去给MAC地址然后才能继续往上走。如果出现错误，就重新发送直至成功完成。如果没有正确地识别出目标地址，就不会继续处理这条消息。这就是为什么你经常看到"确认"这样的概念出现的地方，就是因为这里确实存在一些同步问题，所以为了避免混乱必须有确认过程去验证一下信息是否已经被接受到了如果没有那么就重发一次直至成功。一旦信息正确地送达后，那么接收方就会给回应一条消息来告诉发起方已经收到了这段消息之后那时候我们才知道这个东西已经完全进入了我们的环境里所以我们就认为这是一个有效事件发生了现在我们可以开始做进一步处理但是如果有一天那个事件又再次触发呢？那意味着什么呢？

网络层

当你想让你的事情跨越几个不同的区域甚至几个城市的时候，你不得不考虑一下怎么把这些东西放在一起使他们能够理解彼此说话。当你想要从一个地方打电话给另一个人时，你首先要确定对方手机应该处于哪个位置这样他能听到你的声音然后你要知道他的手机目前正在哪里因此你必须先找到他的位置然后才能够建立联系这一步骤叫做寻址过程，这也是为什么最终结果变得非常重要因为所有这些都依赖于是如何解释自己的事物最后结束它真的变成了真正意义上的全球事务之一。

结论

设计考量因素：

1. 安全性：任何 industrialsystem 需要一定程度的手动监视以确保安全，因此您需要考虑该功能是否应该作为硬件组件还是软件功能实施，或许两者结合也是可取之举;

2. 可靠性：由于industrialsystem 通常运行在恶劣条件下，所以设计应尽可能提高其耐久力;

3. 实时性能：对于某些操作来说，每毫秒延迟都会产生严重后果，因此您的设计必须优先考虑响应时间;

4. 易用性：虽然人们并不期望他们工具过分简单，但是容易学习和操作始终是一个好主意;

5. 兼容性：保持兼容新旧硬件以便长期投资回报;

6. 灵活性：允许修改配置以适应不断变化需求;