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來(lái)源：DigiKey 作者：Steven Keeping 隨著(zhù)工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的發(fā)展，工廠(chǎng)正在發(fā)生著(zhù)巨大轉變。除其他大規模自動(dòng)化功能外，工業(yè) 4.0 還為車(chē)間帶來(lái)了廣泛的機器對機器通信 (M2M) 。這就為更多的數據收集和數據分析創(chuàng )造了機會(huì )，從而提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率。 雖然近年來(lái) M2M 的發(fā)展速度不斷加快，但它并非新生事物，早在幾十年前就已成為工廠(chǎng)數字化的一部分。諸如工業(yè)以太網(wǎng)和 Wi-Fi 等現代的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn) M2M 技術(shù)，既精簡(jiǎn)又高效，但這一悠久的歷史意味著(zhù)仍有許多傳統網(wǎng)絡(luò )存在。此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )使用可編程邏輯控制器 (PLC) 等陳舊技術(shù)，通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸數據，采用 RS-232 和 RS-485 等串行數據技術(shù)。 這讓工廠(chǎng)經(jīng)理們進(jìn)退兩難。保留舊通信系統意味著(zhù)錯失工業(yè) 4.0 帶來(lái)的生產(chǎn)效益，但為了引入工業(yè)以太網(wǎng)而進(jìn)行工廠(chǎng)升級既昂貴又會(huì )造成停工。更糟糕的是，許多老式機器通常由新一代 PLC 控制，這些 PLC 與如 Ethernet/IP 和 ModbusTCP 等較新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不兼容，而且這些機器可能還有多年的使用壽命。工業(yè)網(wǎng)關(guān)可以在傳統基礎設施和以太網(wǎng)主干網(wǎng)之間架起橋梁，成為一種經(jīng)濟高效的臨時(shí)解決方案。 本文將簡(jiǎn)要介紹工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )和現代工業(yè)協(xié)議在提高工廠(chǎng)的生產(chǎn)力和效率方面的優(yōu)勢。然后，介紹工業(yè)網(wǎng)關(guān)如何為傳統基礎設施和以太網(wǎng)主干網(wǎng)提供快速、簡(jiǎn)便的橋接方案。本文將以 Weidmüller 的兩個(gè)工業(yè)網(wǎng)關(guān)為例進(jìn)行介紹，說(shuō)明如何使用這種網(wǎng)關(guān)將運行 RS-232/RS-485 串行數據技術(shù)的 PLC 連接到以太網(wǎng)/IP 主干網(wǎng)。 工業(yè)自動(dòng)化簡(jiǎn)史 工廠(chǎng)數字化始于 1969 年 PLC 的發(fā)明。PLC 是一種連續運行單一程序的專(zhuān)用計算機。PLC 的主要優(yōu)勢是其幾乎可以實(shí)時(shí)地、高度可重復地執行程序。此外，PLC 相對經(jīng)濟實(shí)惠、性能可靠和堅固耐用。例如，Siemens SIPLUS 設備就是一款很好的產(chǎn)品，且采用 RS-485 串行接口（圖 1）。 
圖 1：PLC 是工廠(chǎng)自動(dòng)化的支柱，價(jià)格低廉、性能可靠且堅固耐用。（圖片來(lái)源：Siemens） 在工廠(chǎng)自動(dòng)化的早期，制造商使用 RS-232 將 PLC 與中央監控系統連接。這是一種有線(xiàn)串行數據鏈路，最大吞吐量為數百 Kbits/s。該數據鏈路用接地電壓表示數字“0”，用 ±3 V 至 15 V 電壓表示數字“1”。后來(lái)，RS-422 和 RS-485 利用雙絞線(xiàn)上的差分信號將有線(xiàn)通信提升到了更高的水平。這些系統允許一個(gè)控制器監控多達 32 個(gè) PLC，且數據傳輸速率高達 10 Mbits/s，傳輸距離長(cháng)達 1,200 m。 值得注意的是，RS-232 和 RS-485 是用來(lái)指定物理層 (PHY) 的標準，并不指定通信協(xié)議。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種可在 RS-232 或 RS-485 PHY 上運行的協(xié)議。例如，Modbus 遠程終端單元 (RTU) 、Modbus 美國信息交換標準代碼 (ASCII) 、DF1 通用工業(yè)協(xié)議 (CIP) 、DF1 可編程控制器通信命令 (PCCC) 、點(diǎn)對點(diǎn)接口協(xié)議 (PPI) 、DirectNET、協(xié)同處理通信模塊 (CCM) 和 HostLink。許多 PLC 制造商都開(kāi)發(fā)并支持這些協(xié)議。 事實(shí)證明，PLC 是一種將自動(dòng)化帶入車(chē)間的穩定、可靠和靈活的方式，而 RS-485 及其相關(guān)工業(yè)協(xié)議則提供了一種價(jià)格低廉、安裝簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。如今，PLC 通常用于控制整條裝配線(xiàn)，大多數工業(yè)自動(dòng)化都使用某種類(lèi)型的 PLC。成千上萬(wàn)的工廠(chǎng)自動(dòng)化裝置都是基于傳統的 RS-232 和 RS-485 網(wǎng)絡(luò )。 以太網(wǎng)進(jìn)入工廠(chǎng) 然而，自本世紀初以來(lái)，以太網(wǎng)成為現代工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的最便捷、最成熟的解決方案。以太網(wǎng)是使用最廣泛的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，得到了供應商的廣泛支持。以太網(wǎng)通常使用 TCP/IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 套裝的一部分）進(jìn)行路由選擇和傳輸，從而確保云計算的互操作性，這種能力遠超 RS-232 和 RS-485 技術(shù)。 “工業(yè)以太網(wǎng)”描述了適合工廠(chǎng)使用的以太網(wǎng)系統。這些系統的特點(diǎn)是堅固耐用的硬件、工業(yè)級軟件。工業(yè)以太網(wǎng)是一種成熟的工廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)，可讓遠程監控人員輕松訪(fǎng)問(wèn)生產(chǎn)車(chē)間的驅動(dòng)器、PLC 和 I/O 設備�；A設施通常采用線(xiàn)型或環(huán)型拓撲結構，因為這些結構有利于縮短電纜長(cháng)度（減少電磁干擾 (EMI) 的影響）、減少延遲并建立一定的冗余。 標準以太網(wǎng)的通信機制容易中斷和丟失數據包，從而增加延遲，不適合快速移動(dòng)和同步生產(chǎn)線(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的要求。這樣的環(huán)境需要一個(gè)確定的協(xié)議，以保證機器指令每次都能準時(shí)到達，無(wú)論網(wǎng)絡(luò )負荷有多大。 為了滿(mǎn)足這一挑戰性要求，可用定制軟件來(lái)輔助工業(yè)以太網(wǎng)硬件。目前有幾個(gè)成熟的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括 Ethernet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。每個(gè)協(xié)議都是旨在確保工業(yè)自動(dòng)化應用的高確定性。 標準以太網(wǎng)包括 PHY、數據鏈路、網(wǎng)絡(luò )和傳輸層（使用 TCP/IP 或 UDP/IP 作為傳輸協(xié)議），可以看作是一種能提高效率、加快速度的多功能通信機制。相反，諸如 PROFINET 等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議使用工業(yè)以太網(wǎng)堆棧的應用層（圖 2）。
圖 2：所示為工業(yè)以太網(wǎng)軟件棧。PROFINET 等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議位于應用層運行。（圖片來(lái)源：PROFINET） 如需詳細了解，請參見(jiàn)使用基于工業(yè)以太網(wǎng)的電源和數據網(wǎng)絡(luò )設計堅固耐用的物聯(lián)網(wǎng)應用 通向工業(yè) 4.0 的門(mén)戶(hù) 對于設計人員來(lái)說(shuō)，將傳統的 RS-232 和 RS-485 工廠(chǎng)自動(dòng)化系統升級為工業(yè)以太網(wǎng)是一項艱巨的任務(wù)。一座大型工廠(chǎng)可能有數千臺 PLC 和數十公里長(cháng)的線(xiàn)路。對于許多公司來(lái)說(shuō)，拆掉舊系統更換新系統所造成的成本增加和停工是無(wú)法接受的。然而，如果不進(jìn)行升級，將無(wú)法利用工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)提高生產(chǎn)設施的生產(chǎn)力。 在保留傳統串行總線(xiàn)、PLC 和機器的同時(shí)，采用工業(yè)以太網(wǎng)主干網(wǎng)，是限制成本和避免停工的一種策略。然后，當工廠(chǎng)更換或增加新機器時(shí)，可以指定這些機器與以太網(wǎng)主干網(wǎng)之間的互操作性。這樣，就可以將工廠(chǎng)逐步更新到最新的通信標準，而不會(huì )出現停工或重大現金流問(wèn)題。 但是，此類(lèi)策略會(huì )造成 RS-232/RS-485 和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )之間的不連續性。Weidmüller 的 7940124932 或 7940124933（圖 3）等工業(yè)網(wǎng)關(guān)通信設備可彌補這種不連續性。每個(gè)網(wǎng)關(guān)都是一種單獨的解決方案，是一種高效經(jīng)濟的方法，能夠使用不同的協(xié)議在 PLC 和外圍設備之間移動(dòng)數據，而無(wú)需增加布線(xiàn)或增加多個(gè)網(wǎng)關(guān)。 Weidmüller 的這類(lèi)網(wǎng)關(guān)提供兩個(gè)以太網(wǎng)端口和兩個(gè)或四個(gè)串行端口，其代表型號分別為 7940124932 型和 7940124933 型產(chǎn)品。這些產(chǎn)品支持 EtherNet/IP、EtherNet/IP-PCCC、ModbusTCP 和 S7comm（Siemens 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議），傳輸速率高達 10 Mbits/s。以太網(wǎng)端口采用 8 針 RJ45 連接器。在串行方面，這些網(wǎng)關(guān)可處理 Modbus RTU、Modbus ASCII、DF1-CIP、DF1-PCCC、PPI、DirectNET、CCM 和 HostLink 串行協(xié)議。請注意，雖然串行支持 RS-232/RS-485 標準，但網(wǎng)關(guān)的串行輸入是通過(guò)以太網(wǎng)式 8 針 RJ45 連接器實(shí)現的，而不是 RS-232/RS-485 型連接器。網(wǎng)關(guān)可與 Automation Direct、GE、Rockwell Automation、Schneider 和 Siemens 的 PLC 實(shí)現互操作。網(wǎng)關(guān)可采用 DIN 導軌安裝，使用 12 V 至 24 V 輸入電壓，工作溫度范圍為 0˚C 至 55˚C。
圖 3：7940124933 工業(yè)網(wǎng)關(guān)通信設備在工業(yè)以太網(wǎng)和多達四個(gè)的 RS-232/RS-485 串行網(wǎng)絡(luò )之間架起了一座橋梁。7940124932 版本支持兩個(gè)串行端口。（圖片來(lái)源：Weidmüller） 在瀏覽器中進(jìn)行配置后，Weidmüller 網(wǎng)關(guān)無(wú)需其他設備，即可將針對所支持的某個(gè) RS-232/RS-485 串行協(xié)議而經(jīng)過(guò)格式化的串行數據傳輸到所支持的某個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，反之亦然。無(wú)需編輯任何 PLC 代碼，就能以任意組合方式將數據傳輸到任何端口或從任何端口傳輸數據。 開(kāi)始使用工業(yè)網(wǎng)關(guān) 配置 Weidmüller 網(wǎng)關(guān)只需將設備連接以太網(wǎng)交換機，然后將個(gè)人電腦插入交換機的另一端即可（圖 4）。完成后，就可將網(wǎng)關(guān)連接 12 V 至 24 V 電源。然后，就可以使用個(gè)人電腦通過(guò)瀏覽器登錄，此時(shí)會(huì )出現網(wǎng)關(guān)主對話(huà)框。對話(huà)框簡(jiǎn)化了工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的設置，也簡(jiǎn)化了向網(wǎng)關(guān)添加以太網(wǎng)和串行網(wǎng)絡(luò )設備的過(guò)程。最后，網(wǎng)關(guān)串行端口的設置要與所連接控制器的串行端口的配置相匹配。
圖 4：工業(yè)網(wǎng)關(guān)的設置包括將設備與以太網(wǎng)交換機和電源連接，然后將 PC 與交換機連接，并通過(guò)瀏覽器配置網(wǎng)關(guān)。（圖片來(lái)源：Weidmüller） 網(wǎng)關(guān)之所以能在使用不同協(xié)議的設備之間進(jìn)行通信，關(guān)鍵在于使用了“標簽”數據。通過(guò)網(wǎng)關(guān)，可以在不同的連接設備之間移動(dòng)標簽數據。 標簽是現代 PLC 編程的關(guān)鍵。標簽是分配給存儲在 PLC 內存中任何類(lèi)型變量的名稱(chēng)。例如，有的標簽名稱(chēng)為“#DATETIME”、“HEARTBEAT”和“Switch_Group1_IP”。標簽存儲在 PLC 內存的標簽數據庫中。 在標簽數據庫中，所有功能塊（如繼電器、定時(shí)器和計數器）、程序變量（如名為“Transmitter_ RF_Mute_Timer”的定時(shí)器值）以及所有其他對象都存儲為標簽變量，其屬性包括初始值、浮點(diǎn)數、字符串、整數、布爾型（開(kāi)/關(guān)）、ASCII 文本、離散輸入和離散輸出。使用標簽法可以更有效地進(jìn)行較復雜的編程，但也要求（與其他結構化編程語(yǔ)言一樣）開(kāi)發(fā)人員在程序中使用變量之前，預先指定變量標簽和數據類(lèi)型。數據陣列也可以在標簽數據庫中定義。 對于連接網(wǎng)關(guān)的每個(gè) PLC，開(kāi)發(fā)人員必須指定數據的讀取標簽和寫(xiě)入標簽。這首先需要將連接網(wǎng)關(guān)的每個(gè) PLC 的標簽編程到網(wǎng)關(guān)中，然后網(wǎng)關(guān)才能使用這些標簽進(jìn)行跨網(wǎng)絡(luò )通信。 該操作通過(guò)以太網(wǎng)交換機連接到網(wǎng)關(guān)的 PC 完成。在瀏覽器的配置窗口中選擇“添加標簽”圖標后，會(huì )激活一個(gè)對話(huà)框，開(kāi)發(fā)人員可以此對話(huà)框中指定標簽名稱(chēng)、數據類(lèi)型、地址和其他相關(guān)信息（如果需要）。也可以通過(guò)從 .csv 文件導入標簽來(lái)加快速度（圖 5）。
圖 5：使用 PLC 標簽屬性對 Weidmüller 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編程的對話(huà)框。標簽是分配給存儲在 PLC 內存中任何類(lèi)型變量的名稱(chēng)。（圖片來(lái)源：Weidmüller） 輸入所有連接設備的標簽后，下一步就是創(chuàng )建“標簽圖”。標簽映射使網(wǎng)關(guān)能夠讀取源 PLC 寄存器中的數據，并將其寫(xiě)入正確的目標設備。寄存器中的數據實(shí)際上就是有效的通信載荷。有效載荷通過(guò)源 PLC 協(xié)議從源標簽中提取，然后通過(guò)目標設備協(xié)議傳輸到網(wǎng)關(guān)存儲器，再傳輸到目標標簽。源標簽和目標標簽的數據類(lèi)型是否相同并不重要。 通過(guò)“添加標簽映射”圖標，與以太網(wǎng)交換機連接的電腦將啟動(dòng)標簽映射編輯器對話(huà)框（圖 6），再次創(chuàng )建標簽映射。每個(gè)與網(wǎng)絡(luò )連接的 PLC 都需要有自己的標簽圖。在對話(huà)框中，選擇目標設備，并將用作數據源的每個(gè)標簽“映射”到數據目標。然后，對所有連接的設備重復這一過(guò)程。
圖 6：對于每個(gè)連接的 PLC，標簽映射編輯器可將每個(gè)標簽數據源映射到一個(gè)數據目標。對所有連接的設備重復此過(guò)程。（圖片來(lái)源：Weidmüller） 該過(guò)程的最后一步是激活標簽映射，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )設備上的源標簽和目標標簽之間的通信。通過(guò)電腦上的標簽映射查看器，可以檢查正確的源數據是否被發(fā)送至正確的目標。 結語(yǔ) 工業(yè) 4.0 提高了制造業(yè)的生產(chǎn)力和效率。然而，這需要新的工業(yè)以太網(wǎng)基礎設施，但安裝成本高昂且需要停工。綜上所述，工業(yè)網(wǎng)關(guān)可彌合現有 RS-232/RS-485 網(wǎng)絡(luò )與工業(yè)以太網(wǎng)基礎設施之間的差距，從而實(shí)現工業(yè) 4.0 分階段引入。利用這些解決方案，可以在數月或數年內逐步升級設備和網(wǎng)絡(luò )，并將停工時(shí)間降至最少。 |
