工業(yè)傳感器與通信協(xié)議的兼容性探討

 傳感器廠商、控制器廠商、設(shè)備廠商、生產(chǎn)廠家在考慮自身設(shè)備的智能化和自動化設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往面對的最多的是控制層種類繁多的總線協(xié)議選擇和現(xiàn)場設(shè)備層接口的選擇。如何有效地解決協(xié)議之間的兼容性和傳感器接口的統(tǒng)一性，成為各大傳感器和控制器廠商積極思考的問題。

目前市場上各個(gè)工控機(jī)、PLC、總線產(chǎn)品廠家林立，現(xiàn)有的總線協(xié)議種類繁多，工廠自動化領(lǐng)域主要有：Ethernet、CANopen、DeviceNet、PROFINET、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS等;過程自動化領(lǐng)域主要有：FoundationFieldbus(FF)、PROFIBUS-PA、P—NET(ProcessautomationNet)等;并且各個(gè)協(xié)議之間相互獨(dú)立，互不兼容，這就給客戶的應(yīng)用帶來了很多不便，這對于客戶至上的市場現(xiàn)狀來說，無疑不利于工控行業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展。在這樣的背景下，一場工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的革命勢在必行，如何實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)、多協(xié)議的互聯(lián)互通、無障礙運(yùn)行無疑是工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的方向。

Ethernet網(wǎng)絡(luò)無疑是眾望所歸，開放的Ethernet是20多年來發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并導(dǎo)致了一場信息技術(shù)的革命。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，加上各大網(wǎng)絡(luò)公司、自動化公司(如西門子公司)等的努力，可以預(yù)見，象當(dāng)年P(guān)C進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域一樣，Ethernet/IP將會十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)。

目前，工業(yè)現(xiàn)場總線正在逐步地轉(zhuǎn)向Ethernet網(wǎng)絡(luò)，PROFINET日益得到廣泛應(yīng)用正是其表現(xiàn)之一，作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET為自動化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，并且，作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線(如PROFIBUS)技術(shù)，保護(hù)客戶現(xiàn)有投資。但PROFINET只是技術(shù)革命的一小步，今后還有漫長的發(fā)展道路要走。

以上介紹的是現(xiàn)場總線協(xié)議的情況，轉(zhuǎn)向傳感器，各個(gè)自動化領(lǐng)域的知名傳感器制造商均有技術(shù)實(shí)力生產(chǎn)、制造支持總線協(xié)議的傳感器產(chǎn)品。但是如何最大程度地實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的各種總線通訊技術(shù)相兼容則是各個(gè)廠商不得不面對的難題，也是今后傳感器技術(shù)發(fā)展的方向。為了更好地設(shè)置參數(shù)和存儲配置數(shù)據(jù)以便于控制和指示，許多傳感器和執(zhí)行器都已經(jīng)配備了微處理器系統(tǒng)，并且通過諸如：HART、IO-Link等通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與控制層的點(diǎn)對點(diǎn)訪問。

因此，我覺得對于各個(gè)傳感器供應(yīng)商來說，不但要制造直接支持通用工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的產(chǎn)品，如：支持CANopen、PROFIBUS-DP、DeviceNet協(xié)議的旋轉(zhuǎn)編碼器、線性位移傳感器以及壓力、溫度、流量類測量傳感器等;更要不斷地研發(fā)制造出支持HART以及IO-Link等點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議的產(chǎn)品，這樣的產(chǎn)品既有獨(dú)立的通訊技術(shù)，又可以兼容于主流通用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之中，極大限度地滿足了的傳感器標(biāo)準(zhǔn)化和商品化的需要。

對于傳感器支持協(xié)議的選取，通用性和實(shí)用性最為重要，現(xiàn)在傳感器間的信息量已超過計(jì)算機(jī)或其它應(yīng)用，成為信息交互的主流，傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)的高效融合，能實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的互聯(lián)。因此，傳感器核心芯片和傳感器網(wǎng)接入因特網(wǎng)的技術(shù)將成為今后幾年IT前沿技術(shù)進(jìn)展中優(yōu)先攻關(guān)的瓶頸。這樣，如何更好地將傳感器與Zigbee通信技術(shù)、RFID通信技術(shù)、WI-FI通信技術(shù)、以及2G和3G通信技術(shù)相結(jié)合，便成為了未來傳感器發(fā)展的主要方向。

在現(xiàn)有生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)可以滿足的前提下，要盡可能地制造支持目前市場上主流工業(yè)現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的傳感器/執(zhí)行器產(chǎn)品，這樣才能不斷適應(yīng)日益多樣化的市場需要，更好地在日益激烈的市場競爭中占有一席之地，從而提高自身的產(chǎn)品競爭力，更好地滿足不同層次、行業(yè)的客戶需求。

近些年各大傳感器廠商都在追求傳感器功能上和智能上的改善，以期推動自動化領(lǐng)域的不斷向前發(fā)展。但是接口方面卻始終如舊，沒有大的突破。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層接口的統(tǒng)一性和透明化，2004年，各大主流傳感器廠商合作成立了一個(gè)新的協(xié)會，專注于IO-Link接口技術(shù)的開發(fā)和推廣，倍加福便是其中的主要成員。直到2011年隨著倍加福各類IO-Link接口傳感器引入到中國市場，IO-Link接口技術(shù)才算是真正意義上的進(jìn)入中國市場。

在目前的工廠自動化網(wǎng)絡(luò)中，我們最常見的傳感器僅僅是用于離散信號(如NPN，PNP開關(guān)量信號)和連續(xù)信號(如電流、電壓模擬量信號)的現(xiàn)場設(shè)備。透明的數(shù)據(jù)交互也只停留在控制層，可編程控制器與可編程控制器之間，以及可編程控制器和上位機(jī)之間。而當(dāng)引入IO-Link接口技術(shù)后，傳感器在提供過程數(shù)據(jù)(離散信號和連續(xù)信號)的同時(shí)，還增加了維護(hù)數(shù)據(jù)的交互功能。

IO-Link接口技術(shù)是新一代點(diǎn)對點(diǎn)的通訊技術(shù)，它的優(yōu)勢在于統(tǒng)一的接入模塊、統(tǒng)一的安裝接線、統(tǒng)一的軟件設(shè)定、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、免維護(hù)即插即用、以及保留標(biāo)準(zhǔn)I/O接口。具體來說，統(tǒng)一的接入模塊：用戶在選擇可編程控制器輸入/輸出模塊時(shí)，無需考慮NPN還是PNP模塊、開關(guān)量還是模擬量模塊、3線還是4線制模塊;可編程控制器端使用統(tǒng)一的IO-Link主站模塊。統(tǒng)一的安裝接線：用戶在設(shè)計(jì)時(shí)，無需考慮2線、3線、4線甚至12線的設(shè)計(jì)，無需考慮針腳號、線色和屏蔽線的選擇;傳感器端是統(tǒng)一的三線制設(shè)計(jì)(電源正、電源負(fù)、IO-Link信號線)。統(tǒng)一的軟件設(shè)定：通過統(tǒng)一的設(shè)備參數(shù)管理文本(IODDS)，即可輕松實(shí)現(xiàn)傳感器和可編程控制器之間的數(shù)據(jù)交互和參數(shù)設(shè)定。用戶使用通用型IODDS文本或使用傳感器廠商自定義的人性化IODDS文本即可對傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控。免維護(hù)即插即用：傳統(tǒng)的接口方式，用戶在更換備件時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場情況對傳感器進(jìn)行重新設(shè)定，內(nèi)置IO-Link接口的傳感器用戶只需將過去保存的設(shè)置文件導(dǎo)入到傳感器中即可。

下一代的IO-Link接口技術(shù)更可實(shí)現(xiàn)傳感器掛入后的參數(shù)自動下載，無需用戶操作。保留標(biāo)準(zhǔn)I/O接口：考慮到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的可替換性，在設(shè)計(jì)IO-Link接口時(shí)，可編程控制器端IO-Link主站模塊的輸入口可自定義，即可接常規(guī)傳感器，又可接IO-Link傳感器;同樣的IO-Link傳感器的接口也可自定義，即可當(dāng)常規(guī)的NPN/PNP傳感器用，也可當(dāng)IO-Link傳感器用，確保了與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的兼容性。我們有理由相信，在不久的將來，IO-LINK接口技術(shù)勢必會成為整個(gè)傳感器行業(yè)的現(xiàn)場設(shè)備層接口技術(shù)的領(lǐng)跑者。