作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

通信協(xié)議對(duì)于支持工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和控制非常重要。傳感器、執(zhí)行器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器都有各自特定的通信需求。“全能型”通信協(xié)議并不存在。

雖然沒有一種協(xié)議能滿足每種應(yīng)用的需求，但不同設(shè)備之間通常需要連接。傳感器必須與控制器相連，控制器必須與使用不同協(xié)議（如 IO-Link、Modbus 和多種形式的以太網(wǎng)）的各種系統(tǒng)元件相連。

很多情況下，整個(gè)機(jī)器需要連接到云。這就導(dǎo)致通信架構(gòu)復(fù)雜，協(xié)議繁多。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，機(jī)器設(shè)計(jì)人員可以采用多協(xié)議輸入/輸出 (I/O) 主設(shè)備、集線器和轉(zhuǎn)換器。

本文首先回顧了常見的工業(yè) 4.0 通信協(xié)議及其在網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中的位置。然后介紹了一系列來自 [Banner Engineering] 的 I/O 主設(shè)備、集線器和轉(zhuǎn)換器，并探討了這些器件的工作方式，以及它們?nèi)绾沃С謴?fù)雜的工業(yè) 4.0 和 IIoT 通信架構(gòu)。

什么是 OSI 七層模型？

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議通常以開放系統(tǒng)互連 (OSI) 七層模型為背景進(jìn)行描述。該模型首先有三個(gè)介質(zhì)層，處理硬件方面的問題，如物理連接、數(shù)據(jù)鏈路連接和網(wǎng)絡(luò)連接。

接下來三層重點(diǎn)用于數(shù)據(jù)尋址，包括傳輸、會(huì)話和呈現(xiàn)過程。

模型的第七層是應(yīng)用層，提供用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的接口。Modbus 和 PROFINET 等協(xié)議都位于這一層。OSI 模型與 EtherNet/IP 等其他協(xié)議的關(guān)系更為松散。

就 EtherNet/IP 而言，應(yīng)用層包括網(wǎng)絡(luò)訪問 (HTTP)、電子郵件 (SMTP)、文件傳輸 (FTP) 等過程。三個(gè)主機(jī)層執(zhí)行傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP) 過程，用于建立會(huì)話、糾錯(cuò)等。介質(zhì)層包括物理 10 Base-T 連接，以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)連接的實(shí)現(xiàn)（圖 1）。

圖 1：EtherNet/IP 與 OSI 七層模型的關(guān)系。（圖片來源：Banner Engineering）

IO-Link 適合用在哪里？

IO-Link 是一種單滴數(shù)字通信接口 (SDCI)，適用于小型傳感器、執(zhí)行器和類似設(shè)備，能夠?qū)㈦p向通信擴(kuò)展到工廠車間的各個(gè)設(shè)備。該協(xié)議符合 IEC 61131-9 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)可與基于 Modbus、PROFIBUS、EtherNet/IP 等的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼容。

IO-Link 使用主設(shè)備將 IO-Link 設(shè)備連接到更高層次的協(xié)議（如 Modbus），后者提供與可編程邏輯控制器 (PLC)、人機(jī)界面 (HMI)、云數(shù)據(jù)服務(wù) (CDS) 等數(shù)據(jù)消耗設(shè)備的連接。在最底層，IO-Link 使用集線器匯集多個(gè)設(shè)備，并將數(shù)據(jù)向上饋送至主設(shè)備。此外，還可以使用 IO-Link 轉(zhuǎn)換器的模擬電壓將模擬傳感器添加到 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)中（圖 2）。

圖 2：IO-Link 轉(zhuǎn)換器、集線器和主設(shè)備可從現(xiàn)場設(shè)備收集數(shù)據(jù)，并將其推送至 PLC、HMI 和 CDS 等數(shù)據(jù)消費(fèi)者。（圖片來源：Banner Engineering）

為什么將 IO-Link 與其他協(xié)議相結(jié)合？

大規(guī)模定制和靈活的生產(chǎn)流程是工業(yè) 4.0 的顯著特征。將 IO-Link 與其他協(xié)議相結(jié)合，可提高工業(yè) 4.0 工廠的靈活性和多功能性。IO-Link 的優(yōu)點(diǎn)包括：

• Modbus 對(duì)模擬設(shè)備（如某些傳感器）的支持有限，而 IO-Link 則同時(shí)兼容數(shù)字和模擬設(shè)備。
• 使用同時(shí)支持 IO-Link 和更高層協(xié)議（如 Modbus TCP 或 EtherNet/IP）的網(wǎng)關(guān)，可提高工廠自動(dòng)化和擴(kuò)展能力，并可在現(xiàn)場級(jí)傳感器網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信主干網(wǎng)之間發(fā)揮橋梁作用。
• IO-Link 為所有傳感器提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化配置流程以提高運(yùn)行效率，使用相同型號(hào)的傳感器時(shí)，也能利用 IO-Link 自動(dòng)更換有缺陷的傳感器。
• 憑借 IO-Link 的數(shù)據(jù)收集和通信功能，更能掌握各個(gè)傳感器以及分散傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，并可加快將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PLC 和云的速度。

如何將 Modbus 和 IO-Link 相結(jié)合？

首先要考慮的一種工具是混合 I/O Modbus 集線器，如 8 端口雙模轉(zhuǎn) Modbus 的 [R95C-8B21-MQ。] 這款離散雙模轉(zhuǎn) Modbus 集線器將兩個(gè)離散通道分別連接至 8 個(gè)不同的端口，使得能夠通過 Modbus 寄存器對(duì)這些端口進(jìn)行監(jiān)控和配置。

混合 I/O Modbus 集線器配有 4 個(gè)可配置的模擬輸入（電壓或電流）和 4 個(gè)模擬輸出，以及 8 個(gè)可配置的 PNP（拉電流）或 NPN（灌電流）離散輸入和輸出，從而提高應(yīng)用靈活性。

[DXMR90-X1] 工業(yè)控制器可用作 IIoT 解決方案的平臺(tái)。這款控制器可以整合多個(gè)來源的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)處理和訪問。DXMR90 包含單獨(dú)的 Modbus 客戶端，支持與多達(dá) 5 個(gè)獨(dú)立串行網(wǎng)絡(luò)同時(shí)通信。

DXMR90-X1 包括一個(gè)母頭 M12 D-Code 以太網(wǎng)連接器和四個(gè)用于 Modbus 主設(shè)備連接的 M12 母接頭。其他 DXMR90 型號(hào)配有兩個(gè)母頭 M12 D-Code 以太網(wǎng)連接器和四個(gè)用于 Modbus 客戶端連接的 M12 母接頭；或者配有一個(gè)母頭 M12 D-Code 以太網(wǎng)連接器和四個(gè)用于 IO-Link 主設(shè)備連接的 M12 母頭連接器。

所有 DXMR90 控制器還包括一個(gè)用于輸入電源和 Modbus RS-485 的 M12 公頭（端口 0）和一個(gè)用于菊花鏈端口 0 信號(hào)的 M12 母頭。DXMR90-X1 的其他特性包括（圖 3）：

• 將 Modbus RTU 轉(zhuǎn)換為 Modbus TCP/IP、EtherNet/IP 或 Profinet
• 內(nèi)部邏輯可由操作規(guī)則驅(qū)動(dòng)以便于編程，或以 MicroPython 和 ScriptBasic 驅(qū)動(dòng)，用于開發(fā)更復(fù)雜的解決方案
• 支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，包括 RESTful 和 MQTT
• 非常適合 IIoT 數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)測性維護(hù)、整體設(shè)備效率 (OEE) 分析、診斷和故障排除

圖 3：DXMR90-X1 控制器可與 R95C 混合 I/O Modbus 集線器配合使用。（圖片來源：Banner Engineering）

什么是多協(xié)議支持？

[DXMR110-8K] 8 端口 IO-Link 主設(shè)備是一款結(jié)構(gòu)緊湊的多協(xié)議智能控制器，可整合、處理和分發(fā)來自多個(gè)來源的 IO-link 和離散數(shù)據(jù)。接頭包括：

• 兩個(gè)母頭 M12 D-Code 以太網(wǎng)連接器，用于菊花鏈和與上一層控制系統(tǒng)的通信
• 8 個(gè) M12 母接頭，用于連接 IO-Link 設(shè)備
• 一個(gè) M12 公頭，用于輸入電源，一個(gè) M12 母頭，用于菊花鏈供電

DXMR110 支持云連接，并具有高級(jí)編程功能。ScriptBasic 和操作規(guī)則編程可用于創(chuàng)建和實(shí)施自定義腳本與邏輯，以優(yōu)化自動(dòng)化過程。

DXMR110 具有內(nèi)部處理能力，可用于將數(shù)據(jù)處理向邊緣轉(zhuǎn)移，從而最大限度減少對(duì)控制柜中硬件的需求，并且不需要在 PLC 上使用 I/O 卡。集成式云連接支持從世界任何地方訪問數(shù)據(jù)。最后，采用 IP67 外殼，無需使用控制柜，從而簡化了在任何地點(diǎn)的安裝（圖 4）。

圖 4：DXMR110-8K 8 端口 IO-Link 主設(shè)備是一種多協(xié)議智能控制器。（圖片來源：Banner Engineering）

更多選擇

上面介紹的設(shè)備并不是實(shí)施多協(xié)議工業(yè)通信解決方案的唯一選擇。機(jī)器設(shè)計(jì)人員可以使用 Banner Engineering 的一系列[遠(yuǎn)程 I/O 模塊] 來優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空間效率和性能。

Banner 提供的直插式轉(zhuǎn)換器和主設(shè)備采用包塑設(shè)計(jì)，符合 IP65、IP67 和 IP68 的防護(hù)等級(jí) (IP) 要求。[R45C 系列] 直插式轉(zhuǎn)換器和主設(shè)備提供了一個(gè)網(wǎng)關(guān)，采用 Modbus RTU 協(xié)議將 IO-Link 設(shè)備連接到 IIoT 網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)控制器。[R45C-2K-MQ] 型號(hào)可將兩個(gè) IO-Link 設(shè)備連接到一個(gè) Modbus RTU 接口。

需要模擬信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用 [R45C-MII-IIQ] Modbus 雙模擬直插式 I/O 轉(zhuǎn)換器。功能包括：

• 模擬輸入。轉(zhuǎn)換器接收到模擬輸入時(shí)，會(huì)將輸入值的數(shù)字表示發(fā)送到相應(yīng)的 Modbus 寄存器。該寄存器可接受 0 至 11,000 mV 或 0 至 24,000 μA 的模擬輸入。
• 模擬輸出。轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字輸入相對(duì)應(yīng)的模擬值。模擬輸出范圍為 0 至 11,000 mV 或 0 至 24,000 μA。
• 還可以檢測和處理超出有效范圍 (POVR) 的過程數(shù)據(jù)值，由轉(zhuǎn)換器向系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)。

當(dāng)需要將單個(gè)模擬輸入轉(zhuǎn)換為 IO-Link 信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用 [S15C-I-KQ。] 這款圓柱形模擬電流轉(zhuǎn) IO-Link 轉(zhuǎn)換器可連接 4 至 20 mA 電流源，并將相應(yīng)值輸出至 IO-Link 主設(shè)備。

Banner 提供各種 Modbus RTU I/O 模塊，支持連接到 Modbus 或 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)模擬和離散設(shè)備的連接。這些模塊可以混合或配對(duì)使用，以支持靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及互操作性（圖 5）。

圖 5：用于 IO-Link 集成的 Banner 遠(yuǎn)程 I/O 解決方案的外形尺寸和配置示例。（圖片來源：DigiKey）

能否集成無線協(xié)議？

Banner 的 Sure Cross DSX80 Performance 無線 I/O 網(wǎng)絡(luò)解決方案可實(shí)現(xiàn)無線連接。其既可獨(dú)立使用，也可通過 Modbus 或個(gè)人計(jì)算機(jī)或平板電腦連接到 PLC 主機(jī)。基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)包括一個(gè)網(wǎng)關(guān)和一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)（圖 6）。

圖 6：Banner 的 Sure Cross DSX80 Performance 無線 I/O 網(wǎng)絡(luò)解決方案包括一個(gè)網(wǎng)關(guān)和一個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。（圖片來源：Banner Engineering）

實(shí)施 Sure Cross DX80 Performance 無線網(wǎng)絡(luò)涉及三個(gè)要素：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主從設(shè)備關(guān)系和時(shí)分多址 (TDMA) 架構(gòu)。

使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，主設(shè)備與每個(gè)節(jié)點(diǎn)保持單獨(dú)的連接。如果節(jié)點(diǎn)與主設(shè)備之間的連接失敗，與其他節(jié)點(diǎn)的連接不會(huì)受到影響。

諸如 [DX80G2M6-QC] 之類的網(wǎng)關(guān)是主設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)起與從設(shè)備的所有通信。使用 Modbus RTU RS-485 連接的網(wǎng)關(guān)充當(dāng) Modbus RTU 主控制器的從設(shè)備。單個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)可包括多達(dá) 47 個(gè)從節(jié)點(diǎn)。

從設(shè)備可以是無線節(jié)點(diǎn)，如 [DX80N9Q45DT] 雙熱敏電阻溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、[DX80N9Q45PS150G] 壓力傳感器節(jié)點(diǎn)或振動(dòng)和濕度傳感器。

從設(shè)備無法發(fā)起與網(wǎng)關(guān)的通信，相互之間也無法通信。可添加諸如 [DX80SR9M-H] 等串行數(shù)據(jù)無線電，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，從而適應(yīng)物理尺寸較大的設(shè)施。

TDMA 是保障穩(wěn)固連接與最低能耗的關(guān)鍵。網(wǎng)關(guān)中的 TDMA 控制器為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配特定的數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間。網(wǎng)關(guān)的設(shè)備 ID 始終為 0。節(jié)點(diǎn)可使用設(shè)備 ID 1 到 47 按任意順序編號(hào)。

為各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置特定的通信時(shí)間，可消除節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生沖突的可能性，從而提高效率。這樣還能讓節(jié)點(diǎn)在通信間歇期進(jìn)入低功耗狀態(tài)，只在指定時(shí)間喚醒。在兩次傳輸之間關(guān)閉無線電可節(jié)省電力，延長電池供電節(jié)點(diǎn)的續(xù)航時(shí)間。

結(jié)語

要支持工業(yè) 4.0 和 IIoT 網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行，必須接入多種通信協(xié)議，如 IO-Link、Modbus、EtherNet/IP 等。Banner Engineering 為設(shè)計(jì)人員提供各種外形尺寸的 IO-Link 集線器、轉(zhuǎn)換器和主設(shè)備，以支持優(yōu)化的通信解決方案。

審核編輯 黃宇