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來(lái)源：Digikey 作者：Jeff Shepard 通信協(xié)議對于支持工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 網(wǎng)絡(luò )中的實(shí)時(shí)數據傳輸和控制非常重要。傳感器、執行器、電機驅動(dòng)器和控制器都有各自特定的通信需求�！叭苄汀蓖ㄐ艆f(xié)議并不存在。 雖然沒(méi)有一種協(xié)議能滿(mǎn)足每種應用的需求，但不同設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)）的各種系統元件相連。 很多情況下，整個(gè)機器需要連接到云。這就導致通信架構復雜，協(xié)議繁多。為了應對這一挑戰，機器設計人員可以采用多協(xié)議輸入/輸出 (I/O) 主設備、集線(xiàn)器和轉換器。 本文首先回顧了常見(jiàn)的工業(yè) 4.0 通信協(xié)議及其在網(wǎng)絡(luò )層次結構中的位置。然后介紹了一系列來(lái)自 Banner Engineering 的 I/O 主設備、集線(xiàn)器和轉換器，并探討了這些器件的工作方式，以及它們如何支持復雜的工業(yè) 4.0 和 IIoT 通信架構。 什么是 OSI 七層模型？ 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議通常以開(kāi)放系統互連 (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(wèn)題，如物理連接、數據鏈路連接和網(wǎng)絡(luò )連接。 接下來(lái)三層重點(diǎn)用于數據尋址，包括傳輸、會(huì )話(huà)和呈現過(guò)程。 模型的第七層是應用層，提供用戶(hù)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，應用層包括網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn) (HTTP)、電子郵件 (SMTP)、文件傳輸 (FTP) 等過(guò)程。三個(gè)主機層執行傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP) 過(guò)程，用于建立會(huì )話(huà)、糾錯等。介質(zhì)層包括物理 10 Base-T 連接，以及以太網(wǎng)數據鏈路和網(wǎng)絡(luò )連接的實(shí)現（圖 1）。 
圖 1：EtherNet/IP 與 OSI 七層模型的關(guān)系。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） IO-Link 適合用在哪里？ IO-Link 是一種單滴數字通信接口 (SDCI)，適用于小型傳感器、執行器和類(lèi)似設備，能夠將雙向通信擴展到工廠(chǎng)車(chē)間的各個(gè)設備。該協(xié)議符合 IEC 61131-9 標準，設計可與基于 Modbus、PROFIBUS、EtherNet/IP 等的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構兼容。 IO-Link 使用主設備將 IO-Link 設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)、人機界面 (HMI)、云數據服務(wù) (CDS) 等數據消耗設備的連接。在最底層，IO-Link 使用集線(xiàn)器匯集多個(gè)設備，并將數據向上饋送至主設備。此外，還可以使用 IO-Link 轉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 轉換器、集線(xiàn)器和主設備可從現場(chǎng)設備收集數據，并將其推送至 PLC、HMI 和 CDS 等數據消費者。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 為什么將 IO-Link 與其他協(xié)議相結合？ 大規模定制和靈活的生產(chǎn)流程是工業(yè) 4.0 的顯著(zhù)特征。將 IO-Link 與其他協(xié)議相結合，可提高工業(yè) 4.0 工廠(chǎng)的靈活性和多功能性。IO-Link 的優(yōu)點(diǎn)包括： · Modbus 對模擬設備（如某些傳感器）的支持有限，而 IO-Link 則同時(shí)兼容數字和模擬設備。 · 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(chǎng)自動(dòng)化和擴展能力，并可在現場(chǎng)級傳感器網(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一標準化配置流程以提高運行效率，使用相同型號的傳感器時(shí)，也能利用 IO-Link 自動(dòng)更換有缺陷的傳感器。 · 憑借 IO-Link 的數據收集和通信功能，更能掌握各個(gè)傳感器以及分散傳感器網(wǎng)絡(luò )的運行情況，并可加快將數據傳輸到 PLC 和云的速度。 如何將 Modbus 和 IO-Link 相結合？ 首先要考慮的一種工具是混合 I/O Modbus 集線(xiàn)器，如 8 端口雙模轉 Modbus 的 R95C-8B21-MQ。這款離散雙模轉 Modbus 集線(xiàn)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(guò) Modbus 寄存器對這些端口進(jìn)行監控和配置。 混合 I/O Modbus 集線(xiàn)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，從而提高應用靈活性。 DXMR90-X1 工業(yè)控制器可用作 IIoT 解決方案的平臺。這款控制器可以整合多個(gè)來(lái)源的數據，以便進(jìn)行本地數據處理和訪(fǎng)問(wèn)。DXMR90 包含單獨的 Modbus 客戶(hù)端，支持與多達 5 個(gè)獨立串行網(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 主設備連接的 M12 母接頭。其他 DXMR90 型號配有兩個(gè)母頭 M12 D-Code 以太網(wǎng)連接器和四個(gè)用于 Modbus 客戶(hù)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 信號的 M12 母頭。DXMR90-X1 的其他特性包括（圖 3）： · 將 Modbus RTU 轉換為 Modbus TCP/IP、EtherNet/IP 或 Profinet · 內部邏輯可由操作規則驅動(dòng)以便于編程，或以 MicroPython 和 ScriptBasic 驅動(dòng)，用于開(kāi)發(fā)更復雜的解決方案 · 支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，包括 RESTful 和 MQTT · 非常適合 IIoT 數據分析、狀態(tài)監測、預測性維護、整體設備效率 (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(xiàn)器配合使用。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 什么是多協(xié)議支持？ DXMR110-8K 8 端口 IO-Link 主設備是一款結構緊湊的多協(xié)議智能控制器，可整合、處理和分發(fā)來(lái)自多個(gè)來(lái)源的 IO-link 和離散數據。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的通信 · 8 個(gè) M12 母接頭，用于連接 IO-Link 設備 · 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，并具有高級編程功能。ScriptBasic 和操作規則編程可用于創(chuàng )建和實(shí)施自定義腳本與邏輯，以?xún)?yōu)化自動(dòng)化過(guò)程。 DXMR110 具有內部處理能力，可用于將數據處理向邊緣轉移，從而最大限度減少對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(fǎng)問(wèn)數據。最后，采用 IP67 外殼，無(wú)需使用控制柜，從而簡(jiǎn)化了在任何地點(diǎn)的安裝（圖 4）。
圖 4：DXMR110-8K 8 端口 IO-Link 主設備是一種多協(xié)議智能控制器。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 更多選擇 上面介紹的設備并不是實(shí)施多協(xié)議工業(yè)通信解決方案的唯一選擇。機器設計人員可以使用 Banner Engineering 的一系列遠程 I/O 模塊來(lái)優(yōu)化系統設計、空間效率和性能。 Banner 提供的直插式轉換器和主設備采用包塑設計，符合 IP65、IP67 和 IP68 的防護等級 (IP) 要求。R45C 系列直插式轉換器和主設備提供了一個(gè)網(wǎng)關(guān)，采用 Modbus RTU 協(xié)議將 IO-Link 設備連接到 IIoT 網(wǎng)絡(luò )或系統控制器。R45C-2K-MQ 型號可將兩個(gè) IO-Link 設備連接到一個(gè) Modbus RTU 接口。 需要模擬信號時(shí)，設計人員可以使用 R45C-MII-IIQ Modbus 雙模擬直插式 I/O 轉換器。功能包括： · 模擬輸入。轉換器接收到模擬輸入時(shí)，會(huì )將輸入值的數字表示發(fā)送到相應的 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。轉換器輸出與數字輸入相對應的模擬值。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(guò)程數據值，由轉換器向系統發(fā)送信號。 當需要將單個(gè)模擬輸入轉換為 IO-Link 信號時(shí)，設計人員可以使用 S15C-I-KQ。這款圓柱形模擬電流轉 IO-Link 轉換器可連接 4 至 20 mA 電流源，并將相應值輸出至 IO-Link 主設備。 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)模擬和離散設備的連接。這些模塊可以混合或配對使用，以支持靈活的系統設計以及互操作性（圖 5）。
圖 5：用于 IO-Link 集成的 Banner 遠程 I/O 解決方案的外形尺寸和配置示例。（圖片來(lái)源：DigiKey） 能否集成無(wú)線(xiàn)協(xié)議？ Banner 的 Sure Cross DSX80 Performance 無(wú)線(xiàn) I/O 網(wǎng)絡(luò )解決方案可實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接。其既可獨立使用，也可通過(guò) Modbus 或個(gè)人計算機或平板電腦連接到 PLC 主機�；A系統架構包括一個(gè)網(wǎng)關(guān)和一個(gè)或多個(gè)節點(diǎn)（圖 6）。
圖 6：Banner 的 Sure Cross DSX80 Performance 無(wú)線(xiàn) 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)傳感器節點(diǎn)。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 實(shí)施 Sure Cross DX80 Performance 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )涉及三個(gè)要素：網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、主從設備關(guān)系和時(shí)分多址 (TDMA) 架構。 使用星形拓撲結構時(shí)，主設備與每個(gè)節點(diǎn)保持單獨的連接。如果節點(diǎn)與主設備之間的連接失敗，與其他節點(diǎn)的連接不會(huì )受到影響。 諸如 DX80G2M6-QC 之類(lèi)的網(wǎng)關(guān)是主設備，負責發(fā)起與從設備的所有通信。使用 Modbus RTU RS-485 連接的網(wǎng)關(guān)充當 Modbus RTU 主控制器的從設備。單個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可包括多達 47 個(gè)從節點(diǎn)。 從設備可以是無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，如 DX80N9Q45DT 雙熱敏電阻溫度傳感器節點(diǎn)、DX80N9Q45PS150G 壓力傳感器節點(diǎn)或振動(dòng)和濕度傳感器。 從設備無(wú)法發(fā)起與網(wǎng)關(guān)的通信，相互之間也無(wú)法通信�？商砑又T如 DX80SR9M-H 等串行數據無(wú)線(xiàn)電，以擴大網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍，從而適應物理尺寸較大的設施。 TDMA 是保障穩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)節點(diǎn)分配特定的數據收發(fā)時(shí)間。網(wǎng)關(guān)的設備 ID 始終為 0。節點(diǎn)可使用設備 ID 1 到 47 按任意順序編號。 為各個(gè)節點(diǎn)設置特定的通信時(shí)間，可消除節點(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(wú)線(xiàn)電可節省電力，延長(cháng)電池供電節點(diǎn)的續航時(shí)間。 結語(yǔ) 要支持工業(yè) 4.0 和 IIoT 網(wǎng)絡(luò )的高效運行，必須接入多種通信協(xié)議，如 IO-Link、Modbus、EtherNet/IP 等。Banner Engineering 為設計人員提供各種外形尺寸的 IO-Link 集線(xiàn)器、轉換器和主設備，以支持優(yōu)化的通信解決方案。 |
