如何利用一根現(xiàn)場總線線纜同時傳輸多個以太網(wǎng)協(xié)議

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) 的轉變日益加快，對數(shù)據(jù)收集和連接的需求應運而生，以便能夠通過分析提高生產(chǎn)率和安全性。然而，在整個工廠內進行橫向和縱向數(shù)據(jù)采集和傳輸非常復雜且成本高昂，涉及多個網(wǎng)絡和惡劣環(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)絡的方法，使網(wǎng)絡可以與來自不同供應商的多個可編程邏輯控制器 (PLC)、傳感器和致動器交換數(shù)據(jù)，同時使用不同的協(xié)議和極少的布線。

要做到這一點，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)線纜處理多種協(xié)議。這類系統(tǒng)還能讓工業(yè)網(wǎng)絡運營商通過在單一 I/O 平臺上實現(xiàn)標準化來簡化服務要求并減少備件庫存，而不管使用的是哪種 PLC。

本文簡要回顧了工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡。隨后介紹了 [Siemens]的 I/O 平臺，該平臺可在惡劣環(huán)境中通過一根線纜連接多條以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，并展示了如何借助該平臺滿足工業(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(xiàn)場總線協(xié)議分別支持從工廠車間操作技術 (OT) 到信息技術 (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(shù)據(jù)交換。該協(xié)議適用于包括高速運動控制應用在內的實時和安全關鍵型功能。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)自動化應用進行了優(yōu)化，支持包括 EtherNet/IP 在內的網(wǎng)絡技術。EtherNet/IP 還可用于從現(xiàn)場級到 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)采集等非時間關鍵型功能，以及現(xiàn)場級與 IT 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

鑒于這三種現(xiàn)場總線各有其特定的用途，因此三種現(xiàn)場總線缺一不可。這就帶來了復雜的通信挑戰(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)場級和控制級之間，通過一根網(wǎng)線同時與使用不同協(xié)議的多個控制器進行通信（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車間外部，再到遠程室外安裝。

[]圖 1：MultiFieldbus 通信控制器位于現(xiàn)場級和控制級之間，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(tǒng)包含在國際電工委員會 (IEC) 標準 60529 中，根據(jù)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入封閉系統(tǒng)危險部件的難易程度進行評級。IP 代碼由兩位數(shù)組成。第一位數(shù)字表示對固體物的防護，防護等級從 0（無防護）到 6（無灰塵侵入）。第二位數(shù)字表示對液體的防護，防護等級從 0（無防護）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似環(huán)境。2 表示可防止大于 12.5 mm 的顆粒物（如手指或類似物體）進入，0 表示無進水防護。

對于更具挑戰(zhàn)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產(chǎn)生有害影響。
• IP67 表示當外殼浸入最深 1 m 的水中時，滲入的水不會達到有害水量。
• IP69K 針對公路車輛上使用的設備，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同一根線纜與使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 協(xié)議的多臺控制器同時交換數(shù)據(jù)。所有通信協(xié)議均可通過軟件進行配置，無需更改硬件。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(tǒng)。（圖片來源：Siemens）

該系統(tǒng)可支持與最多 6 個使用不同現(xiàn)場總線協(xié)議的 PLC 同時進行通信。此外，還有用于 IO-Link、Profibus、點對點 (PtP)、控制器區(qū)域網(wǎng)絡 (CAN)、致動器傳感器接口 (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(tǒng)的多功能和模塊化結構支持大規(guī)模定制，這是工業(yè) 4.0 工廠的標志。插入式端子支持快速接線，各種模塊可用于計數(shù)、能量監(jiān)測、電機啟動器、位置輸入、伺服驅動、溫度感應、基于時間的 I/O，甚至電動汽車充電等一系列功能。許多模塊都支持 PROFIenergy，這是 PROFINET 通信協(xié)議的一個配置文件，支持工業(yè)自動化設備的電源管理。

SIMATIC ET 200SP 是一種多功能、可擴展的分布式 I/O 系統(tǒng)，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。（圖片來源：Siemens）

用于裝配線的抗振模塊

SIMATIC ET 200AL 針對自動和半自動裝配線等涉及運動的應用場合進行了優(yōu)化（圖 4）。這些模塊可持續(xù)承受高達 5 g 的振動，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，每個站最多支持 32 個模塊。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）針對涉及運動的應用場合進行了優(yōu)化，可持續(xù)承受高達 5 g 的振動。（圖片來源：Siemens）

ET 200AL 模塊的示例：

• [6ES71415BF000BA0]具有 8 個數(shù)字輸入和 M8 插座，用于連接接近傳感器和開關。該模塊尺寸為 30 mm x 159 mm。
• [6ES71445KD500BA0] 具有 8 個模擬輸入和 M12 插座?？舍槍γ總€通道對測量類型進行編程，包括電壓、電流（兩線和四線傳感器）、電阻（兩線和三線傳感器）和電阻溫度計檢測器（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。這些模塊帶有無線連接，非常適合用于自動引導車輛系統(tǒng)、樓宇管理、倉儲物流和電動單軌系統(tǒng)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)。電機啟動器模塊可用于啟動和保護高達 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(qū)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行無機柜安裝。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 系列通過了歐盟 (EU) 防爆 (ATEX) 指令的認證，可用于 2 區(qū)以下的危險區(qū)域。

對于符合 IO-Link V1.1 規(guī)范的設備，如果需要更換設備，可使用“自動啟動功能”自動傳輸設備和主站參數(shù)，而無需事先進行任何配置。例如，模塊 [6ES71486JG000BB0]可作為 IO-Link V1.1 主設備運行，包括 4 個 A 類和 4 個 B 類 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（右）（圖片來源：Siemens）

總結

工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡部署工作非常復雜，必須考慮到多種通信接口和不同的運行環(huán)境。為了簡化工廠網(wǎng)絡，設計人員可以使用 Siemens 的 SIMATIC ET 200 MultiFieldbus 平臺，通過同一根線纜與多達 6 個使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 協(xié)議的 PLC 同時交換數(shù)據(jù)。