作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著向工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的轉(zhuǎn)變?nèi)找婕涌欤瑢?duì)數(shù)據(jù)收集和連接的需求應(yīng)運(yùn)而生，以便能夠通過(guò)分析提高生產(chǎn)率和安全性。然而，在整個(gè)工廠內(nèi)進(jìn)行橫向和縱向數(shù)據(jù)采集和傳輸非常復(fù)雜且成本高昂，涉及多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和惡劣環(huán)境的情況下尤甚。設(shè)計(jì)人員需要一種能高效設(shè)計(jì)、部署和管理工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的方法，使網(wǎng)絡(luò)可以與來(lái)自不同供應(yīng)商的多個(gè)可編程邏輯控制器 (PLC)、傳感器和致動(dòng)器交換數(shù)據(jù)，同時(shí)使用不同的協(xié)議和極少的布線。

要做到這一點(diǎn)，可以借助集成和優(yōu)化的分布式輸入/輸出 (I/O) 平臺(tái)，這種平臺(tái)可利用一根以太網(wǎng)線纜處理多種協(xié)議。這類(lèi)系統(tǒng)還能讓工業(yè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)在單一 I/O 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)簡(jiǎn)化服務(wù)要求并減少備件庫(kù)存，而不管使用的是哪種 PLC。

本文簡(jiǎn)要回顧了工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)。隨后介紹了 [Siemens]的 I/O 平臺(tái)，該平臺(tái)可在惡劣環(huán)境中通過(guò)一根線纜連接多條以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，并展示了如何借助該平臺(tái)滿足工業(yè) 4.0 設(shè)計(jì)人員的需求。

以太網(wǎng)協(xié)議

工業(yè) 4.0 部署有各種各樣的通信需求。PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 這三種主要現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議分別支持從工廠車(chē)間操作技術(shù) (OT) 到信息技術(shù) (IT) 等不同的使用案例。

PROFINET：這是一種確定性高性能協(xié)議，用于 PLC 等控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。該協(xié)議適用于包括高速運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用在內(nèi)的實(shí)時(shí)和安全關(guān)鍵型功能。此外，其還用于集成 OT/IT 功能。

EtherNet/IP：使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，易于與以太網(wǎng)設(shè)備配合使用。通用工業(yè)協(xié)議 (CIP) 針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，支持包括 EtherNet/IP 在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。EtherNet/IP 還可用于從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到 IT 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

Modbus TCP：這是一種基于 TCP/IP 的協(xié)議，適用于能耗和環(huán)境數(shù)據(jù)采集等非時(shí)間關(guān)鍵型功能，以及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與 IT 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

鑒于這三種現(xiàn)場(chǎng)總線各有其特定的用途，因此三種現(xiàn)場(chǎng)總線缺一不可。這就帶來(lái)了復(fù)雜的通信挑戰(zhàn)，正因如此，MultiFieldbus 系統(tǒng)有了用武之地。MultiFieldbus 通信控制器位于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和控制級(jí)之間，通過(guò)一根網(wǎng)線同時(shí)與使用不同協(xié)議的多個(gè)控制器進(jìn)行通信（圖 1）。MultiFieldbus 設(shè)備遍布于各種環(huán)境，從受保護(hù)的控制柜內(nèi)部到工廠車(chē)間外部，再到遠(yuǎn)程室外安裝。

[]圖 1：MultiFieldbus 通信控制器位于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和控制級(jí)之間，可支持全面的工業(yè) 4.0 連接和通信。（圖片來(lái)源：Siemens）

多樣化環(huán)境

環(huán)境的多樣性要求設(shè)備具有從 IP20 到 IP67 的多種侵入防護(hù) (IP) 等級(jí)。IP 防護(hù)等級(jí)系統(tǒng)包含在國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 標(biāo)準(zhǔn) 60529 中，根據(jù)設(shè)備外殼防止灰塵和液體侵入的能力，以及手指、工具或各種尺寸的固體物進(jìn)入封閉系統(tǒng)危險(xiǎn)部件的難易程度進(jìn)行評(píng)級(jí)。IP 代碼由兩位數(shù)組成。第一位數(shù)字表示對(duì)固體物的防護(hù)，防護(hù)等級(jí)從 0（無(wú)防護(hù)）到 6（無(wú)灰塵侵入）。第二位數(shù)字表示對(duì)液體的防護(hù)，防護(hù)等級(jí)從 0（無(wú)防護(hù)）到 9（不同角度的高壓熱水防護(hù)）。

例如，防護(hù)等級(jí)為 IP20 的設(shè)備可用于控制柜或類(lèi)似環(huán)境。2 表示可防止大于 12.5 mm 的顆粒物（如手指或類(lèi)似物體）進(jìn)入，0 表示無(wú)進(jìn)水防護(hù)。

對(duì)于更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境，典型的 IP 等級(jí)包括 IP65、IP67 和 IP69K，其中 6 表示外殼密封且完全防塵。這些 IP 防護(hù)等級(jí)可提供不同的防水保護(hù)。

• IP65 表示噴嘴 (6.3 mm) 從任何方向噴向外殼的水都不會(huì)產(chǎn)生有害影響。
• IP67 表示當(dāng)外殼浸入最深 1 m 的水中時(shí)，滲入的水不會(huì)達(dá)到有害水量。
• IP69K 針對(duì)公路車(chē)輛上使用的設(shè)備，適用于高壓、高溫沖洗。

MultiFieldbus 平臺(tái)

Siemens 的 [SIMATIC ET 200 I/O]MultiFieldbus 平臺(tái)和接口模塊可通過(guò)同一根線纜與使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 協(xié)議的多臺(tái)控制器同時(shí)交換數(shù)據(jù)。所有通信協(xié)議均可通過(guò)軟件進(jìn)行配置，無(wú)需更改硬件。使用 MultiFieldbus 的完整 SIMATIC ET 200 I/O 平臺(tái)還包括用于控制柜的 IP20 防護(hù)等級(jí)模塊、用于室內(nèi)機(jī)器的 IP65 和 IP67 防護(hù)等級(jí)模塊，以及用于室外的 IP69K 防護(hù)等級(jí)模塊（圖 2）。

圖 2：SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平臺(tái)包括多個(gè)設(shè)備系列，可支持在控制柜、室內(nèi)機(jī)器和室外安裝工業(yè) 4.0 系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Siemens）

該系統(tǒng)可支持與最多 6 個(gè)使用不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的 PLC 同時(shí)進(jìn)行通信。此外，還有用于 IO-Link、Profibus、點(diǎn)對(duì)點(diǎn) (PtP)、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN)、致動(dòng)器傳感器接口 (Asi)、數(shù)字可尋址照明接口 (DALI) 和數(shù)字多路復(fù)用器 DMX512 的模塊。標(biāo)準(zhǔn)和故障安全 I/O 可在單站上混合使用。

該系統(tǒng)的多功能和模塊化結(jié)構(gòu)支持大規(guī)模定制，這是工業(yè) 4.0 工廠的標(biāo)志。插入式端子支持快速接線，各種模塊可用于計(jì)數(shù)、能量監(jiān)測(cè)、電機(jī)啟動(dòng)器、位置輸入、伺服驅(qū)動(dòng)、溫度感應(yīng)、基于時(shí)間的 I/O，甚至電動(dòng)汽車(chē)充電等一系列功能。許多模塊都支持 PROFIenergy，這是 PROFINET 通信協(xié)議的一個(gè)配置文件，支持工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的電源管理。

SIMATIC ET 200SP 是一種多功能、可擴(kuò)展的分布式 I/O 系統(tǒng)，具有多種模塊。例如，型號(hào) [6ES71556MU000CN0]是一種用于控制柜內(nèi)部的雙端口接口模塊（圖 3），型號(hào) [6ES71936BP000BA0]是一種 SIMATIC ET 200SP 基本單元，基底面特別小，設(shè)計(jì)可安裝在機(jī)器旁的小型控制箱中。兩者的防護(hù)等級(jí)均為 IP20，工作溫度范圍為 -30°C 至 +60°C。

圖 3：6ES71556MU000CN0 為雙端口接口模塊，可在控制柜內(nèi)部使用。（圖片來(lái)源：Siemens）

用于裝配線的抗振模塊

SIMATIC ET 200AL 針對(duì)自動(dòng)和半自動(dòng)裝配線等涉及運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了優(yōu)化（圖 4）。這些模塊可持續(xù)承受高達(dá) 5 g 的振動(dòng)，最大可承受 10 g。它們的防護(hù)等級(jí)為 IP65/67，工作溫度范圍為 -25°C 至 +55°C，設(shè)計(jì)小巧輕便，適合機(jī)器上的分布式控制應(yīng)用。這些模塊寬 30 mm 或 45 mm，每個(gè)站最多支持 32 個(gè)模塊。它們支持使用 M8 或 M12 連接器（視模塊而定）集成傳感器和致動(dòng)器。這些模塊還具有 PROFIenergy 功能。

圖 4：ET 200AL 模塊（右下角）針對(duì)涉及運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了優(yōu)化，可持續(xù)承受高達(dá) 5 g 的振動(dòng)。（圖片來(lái)源：Siemens）

ET 200AL 模塊的示例：

• [6ES71415BF000BA0]具有 8 個(gè)數(shù)字輸入和 M8 插座，用于連接接近傳感器和開(kāi)關(guān)。該模塊尺寸為 30 mm x 159 mm。
• [6ES71445KD500BA0] 具有 8 個(gè)模擬輸入和 M12 插座。可針對(duì)每個(gè)通道對(duì)測(cè)量類(lèi)型進(jìn)行編程，包括電壓、電流（兩線和四線傳感器）、電阻（兩線和三線傳感器）和電阻溫度計(jì)檢測(cè)器（兩線和三線連接）。該模塊的分辨率為 16 位，尺寸為 30 mm x 159 mm。

用于機(jī)器安裝的 IP65/67 防護(hù)等級(jí)模塊

SIMATIC ET 200pro 模塊防護(hù)等級(jí)為 IP65/67，設(shè)計(jì)可在控制柜外直接安裝在機(jī)器上。這些模塊帶有無(wú)線連接，非常適合用于自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛系統(tǒng)、樓宇管理、倉(cāng)儲(chǔ)物流和電動(dòng)單軌系統(tǒng)等應(yīng)用。該系列可熱插拔，包括中央處理器 (CPU) 模塊、接口模塊、I/O 模塊和功能模塊。

ET 200pro 系列包括一系列功能，如 IO-Link 和射頻識(shí)別 (RFID)。電機(jī)啟動(dòng)器模塊可用于啟動(dòng)和保護(hù)高達(dá) 5.5 kW 的電機(jī)和負(fù)載。另提供可支持安全完整性等級(jí) (SIL) 3 的故障安全版本。變頻器模塊可用于感應(yīng)電機(jī)的開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制。[6ES71444JF000AB0]溫度測(cè)量模塊高度靈活，可編程以使用一系列電阻溫度檢測(cè)器 (RTD)，包括 Pt100、PT200、PT500、Pt1000、NI100、NI200、NI500 和 NI1000，并可輸出攝氏或華氏溫度。

用于室外和危險(xiǎn)區(qū)域的機(jī)器安裝模塊

SIMATIC ET 200eco PN 模塊提供 IP65 和 IP67 防護(hù)等級(jí)的緊湊型模塊式 I/O，適合直接在機(jī)器上進(jìn)行無(wú)機(jī)柜安裝。與所有 ET 200 模塊一樣，這些模塊支持 PROFINET、Ethernet/IP 和 Modbus TCP。這些模塊采用全密封鋅壓鑄外殼，具有抗振、防塵、防油和防潮特性，適合室外安裝。模塊的工作溫度為 -40°C 至 +60°C。ET 200eco PN 系列通過(guò)了歐盟 (EU) 防爆 (ATEX) 指令的認(rèn)證，可用于 2 區(qū)以下的危險(xiǎn)區(qū)域。

對(duì)于符合 IO-Link V1.1 規(guī)范的設(shè)備，如果需要更換設(shè)備，可使用“自動(dòng)啟動(dòng)功能”自動(dòng)傳輸設(shè)備和主站參數(shù)，而無(wú)需事先進(jìn)行任何配置。例如，模塊 [6ES71486JG000BB0]可作為 IO-Link V1.1 主設(shè)備運(yùn)行，包括 4 個(gè) A 類(lèi)和 4 個(gè) B 類(lèi) IO-Link 端口（圖 5）。這些端口可用作數(shù)字輸入或輸出，具體取決于參數(shù)分配。該模塊的防護(hù)等級(jí)為 IP67 和 IP69K，支持三種傳輸速率：COM1 為 4.8 kBd，COM2 為 38.4 kBd，COM3 為 230.4 kBd。

圖 5：SIMATIC ET 200eco PN 模塊（左）和典型安裝特寫(xiě)（右）（圖片來(lái)源：Siemens）

總結(jié)

工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)部署工作非常復(fù)雜，必須考慮到多種通信接口和不同的運(yùn)行環(huán)境。為了簡(jiǎn)化工廠網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)人員可以使用 Siemens 的 SIMATIC ET 200 MultiFieldbus 平臺(tái)，通過(guò)同一根線纜與多達(dá) 6 個(gè)使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 協(xié)議的 PLC 同時(shí)交換數(shù)據(jù)。