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來(lái)源：DigiKey 作者：Jeff Shepard 隨著(zhù)向工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的轉變日益加快，對數據收集和連接的需求應運而生，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(chǎng)內進(jìn)行橫向和縱向數據采集和傳輸非常復雜且成本高昂，涉及多個(gè)網(wǎng)絡(luò )和惡劣環(huán)境的情況下尤甚。設計人員需要一種能高效設計、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)器交換數據，同時(shí)使用不同的協(xié)議和極少的布線(xiàn)。 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，這種平臺可利用一根以太網(wǎng)線(xiàn)纜處理多種協(xié)議。這類(lèi)系統還能讓工業(yè)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商通過(guò)在單一 I/O 平臺上實(shí)現標準化來(lái)簡(jiǎn)化服務(wù)要求并減少備件庫存，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，該平臺可在惡劣環(huán)境中通過(guò)一根線(xiàn)纜連接多條以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)，并展示了如何借助該平臺滿(mǎn)足工業(yè) 4.0 設計人員的需求。 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 這三種主要現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議分別支持從工廠(chǎng)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 等控制器與設備之間的數據交換。該協(xié)議適用于包括高速運動(dòng)控制應用在內的實(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：使用標準以太網(wǎng)協(xié)議，易于與以太網(wǎng)設備配合使用。通用工業(yè)協(xié)議 (CIP) 針對工業(yè)自動(dòng)化應用進(jìn)行了優(yōu)化，支持包括 EtherNet/IP 在內的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。EtherNet/IP 還可用于從現場(chǎng)級到 IT 系統的數據交換。 Modbus TCP：這是一種基于 TCP/IP 的協(xié)議，適用于能耗和環(huán)境數據采集等非時(shí)間關(guān)鍵型功能，以及現場(chǎng)級與 IT 系統之間的數據交換。 鑒于這三種現場(chǎng)總線(xiàn)各有其特定的用途，因此三種現場(chǎng)總線(xiàn)缺一不可。這就帶來(lái)了復雜的通信挑戰，正因如此，MultiFieldbus 系統有了用武之地。MultiFieldbus 通信控制器位于現場(chǎng)級和控制級之間，通過(guò)一根網(wǎng)線(xiàn)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 設備遍布于各種環(huán)境，從受保護的控制柜內部到工廠(chǎng)車(chē)間外部，再到遠程室外安裝。 
圖 1：MultiFieldbus 通信控制器位于現場(chǎng)級和控制級之間，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)境的多樣性要求設備具有從 IP20 到 IP67 的多種侵入防護 (IP) 等級。IP 防護等級系統包含在國際電工委員會(huì ) (IEC) 標準 60529 中，根據設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)入封閉系統危險部件的難易程度進(jìn)行評級。IP 代碼由兩位數組成。第一位數字表示對固體物的防護，防護等級從 0（無(wú)防護）到 6（無(wú)灰塵侵入）。第二位數字表示對液體的防護，防護等級從 0（無(wú)防護）到 9（不同角度的高壓熱水防護）。 例如，防護等級為 IP20 的設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。 對于更具挑戰性的環(huán)境，典型的 IP 等級包括 IP65、IP67 和 IP69K，其中 6 表示外殼密封且完全防塵。這些 IP 防護等級可提供不同的防水保護。 · 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 表示當外殼浸入最深 1 m 的水中時(shí)，滲入的水不會(huì )達到有害水量。 · IP69K 針對公路車(chē)輛上使用的設備，適用于高壓、高溫沖洗。 MultiFieldbus 平臺 Siemens 的 SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平臺和接口模塊可通過(guò)同一根線(xiàn)纜與使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 協(xié)議的多臺控制器同時(shí)交換數據。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 平臺還包括用于控制柜的 IP20 防護等級模塊、用于室內機器的 IP65 和 IP67 防護等級模塊，以及用于室外的 IP69K 防護等級模塊（圖 2）。
圖 2：SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平臺包括多個(gè)設備系列，可支持在控制柜、室內機器和室外安裝工業(yè) 4.0 系統。（圖片來(lái)源：Siemens） 該系統可支持與最多 6 個(gè)使用不同現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的 PLC 同時(shí)進(jìn)行通信。此外，還有用于 IO-Link、Profibus、點(diǎn)對點(diǎn) (PtP)、控制器區域網(wǎng)絡(luò ) (CAN)、致動(dòng)器傳感器接口 (Asi)、數字可尋址照明接口 (DALI) 和數字多路復用器 DMX512 的模塊。標準和故障安全 I/O 可在單站上混合使用。 該系統的多功能和模塊化結構支持大規模定制，這是工業(yè) 4.0 工廠(chǎng)的標志。插入式端子支持快速接線(xiàn)，各種模塊可用于計數、能量監測、電機啟動(dòng)器、位置輸入、伺服驅動(dòng)、溫度感應、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)化設備的電源管理。 SIMATIC ET 200SP 是一種多功能、可擴展的分布式 I/O 系統，具有多種模塊。例如，型號 6ES71556MU000CN0 是一種用于控制柜內部的雙端口接口模塊（圖 3），型號 6ES71936BP000BA0 是一種 SIMATIC ET 200SP 基本單元，基底面特別小，設計可安裝在機器旁的小型控制箱中。兩者的防護等級均為 IP20，工作溫度范圍為 -30°C 至 +60°C。
圖 3：6ES71556MU000CN0 為雙端口接口模塊，可在控制柜內部使用。（圖片來(lái)源：Siemens） 用于裝配線(xiàn)的抗振模塊 SIMATIC ET 200AL 針對自動(dòng)和半自動(dòng)裝配線(xiàn)等涉及運動(dòng)的應用場(chǎng)合進(jìn)行了優(yōu)化（圖 4）。這些模塊可持續承受高達 5 g 的振動(dòng)，最大可承受 10 g。它們的防護等級為 IP65/67，工作溫度范圍為 -25°C 至 +55°C，設計小巧輕便，適合機器上的分布式控制應用。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）針對涉及運動(dòng)的應用場(chǎng)合進(jìn)行了優(yōu)化，可持續承受高達 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�？舍槍γ總�(gè)通道對測量類(lèi)型進(jìn)行編程，包括電壓、電流（兩線(xiàn)和四線(xiàn)傳感器）、電阻（兩線(xiàn)和三線(xiàn)傳感器）和電阻溫度計檢測器（兩線(xiàn)和三線(xiàn)連接）。該模塊的分辨率為 16 位，尺寸為 30 mm x 159 mm。 用于機器安裝的 IP65/67 防護等級模塊 SIMATIC ET 200pro 模塊防護等級為 IP65/67，設計可在控制柜外直接安裝在機器上。這些模塊帶有無(wú)線(xiàn)連接，非常適合用于自動(dòng)引導車(chē)輛系統、樓宇管理、倉儲物流和電動(dòng)單軌系統等應用。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 和射頻識別 (RFID)。電機啟動(dòng)器模塊可用于啟動(dòng)和保護高達 5.5 kW 的電機和負載。另提供可支持安全完整性等級 (SIL) 3 的故障安全版本。變頻器模塊可用于感應電機的開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制。6ES71444JF000AB0 溫度測量模塊高度靈活，可編程以使用一系列電阻溫度檢測器 (RTD)，包括 Pt100、PT200、PT500、Pt1000、NI100、NI200、NI500 和 NI1000，并可輸出攝氏或華氏溫度。 用于室外和危險區域的機器安裝模塊 SIMATIC ET 200eco PN 模塊提供 IP65 和 IP67 防護等級的緊湊型模塊式 I/O，適合直接在機器上進(jìn)行無(wú)機柜安裝。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) 指令的認證，可用于 2 區以下的危險區域。 對于符合 IO-Link V1.1 規范的設備，如果需要更換設備，可使用“自動(dòng)啟動(dòng)功能”自動(dòng)傳輸設備和主站參數，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 主設備運行，包括 4 個(gè) A 類(lèi)和 4 個(gè) B 類(lèi) IO-Link 端口（圖 5）。這些端口可用作數字輸入或輸出，具體取決于參數分配。該模塊的防護等級為 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 工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò )部署工作非常復雜，必須考慮到多種通信接口和不同的運行環(huán)境。為了簡(jiǎn)化工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，設計人員可以使用 Siemens 的 SIMATIC ET 200 MultiFieldbus 平臺，通過(guò)同一根線(xiàn)纜與多達 6 個(gè)使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 協(xié)議的 PLC 同時(shí)交換數據。 |
