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來源：DigiKey 作者：Steven Keeping 隨著工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 的發(fā)展，工廠正在發(fā)生著巨大轉變。除其他大規(guī)模自動化功能外，工業(yè) 4.0 還為車間帶來了廣泛的機器對機器通信 (M2M) 。這就為更多的數(shù)據收集和數(shù)據分析創(chuàng)造了機會，從而提高生產力和生產效率。 雖然近年來 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數(shù)字化的一部分。諸如工業(yè)以太網和 Wi-Fi 等現(xiàn)代的有線和無線 M2M 技術，既精簡又高效，但這一悠久的歷史意味著仍有許多傳統(tǒng)網絡存在。此類網絡使用可編程邏輯控制器 (PLC) 等陳舊技術，通過有線網絡傳輸數(shù)據，采用 RS-232 和 RS-485 等串行數(shù)據技術。 這讓工廠經理們進退兩難。保留舊通信系統(tǒng)意味著錯失工業(yè) 4.0 帶來的生產效益，但為了引入工業(yè)以太網而進行工廠升級既昂貴又會造成停工。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)網關可以在傳統(tǒng)基礎設施和以太網主干網之間架起橋梁，成為一種經濟高效的臨時解決方案。 本文將簡要介紹工業(yè)以太網網絡和現(xiàn)代工業(yè)協(xié)議在提高工廠的生產力和效率方面的優(yōu)勢。然后，介紹工業(yè)網關如何為傳統(tǒng)基礎設施和以太網主干網提供快速、簡便的橋接方案。本文將以 Weidmüller 的兩個工業(yè)網關為例進行介紹，說明如何使用這種網關將運行 RS-232/RS-485 串行數(shù)據技術的 PLC 連接到以太網/IP 主干網。 工業(yè)自動化簡史 工廠數(shù)字化始于 1969 年 PLC 的發(fā)明。PLC 是一種連續(xù)運行單一程序的專用計算機。PLC 的主要優(yōu)勢是其幾乎可以實時地、高度可重復地執(zhí)行程序。此外，PLC 相對經濟實惠、性能可靠和堅固耐用。例如，Siemens SIPLUS 設備就是一款很好的產品，且采用 RS-485 串行接口（圖 1）。 
圖 1：PLC 是工廠自動化的支柱，價格低廉、性能可靠且堅固耐用。（圖片來源：Siemens） 在工廠自動化的早期，制造商使用 RS-232 將 PLC 與中央監(jiān)控系統(tǒng)連接。這是一種有線串行數(shù)據鏈路，最大吞吐量為數(shù)百 Kbits/s。該數(shù)據鏈路用接地電壓表示數(shù)字“0”，用 ±3 V 至 15 V 電壓表示數(shù)字“1”。后來，RS-422 和 RS-485 利用雙絞線上的差分信號將有線通信提升到了更高的水平。這些系統(tǒng)允許一個控制器監(jiān)控多達 32 個 PLC，且數(shù)據傳輸速率高達 10 Mbits/s，傳輸距離長達 1,200 m。 值得注意的是，RS-232 和 RS-485 是用來指定物理層 (PHY) 的標準，并不指定通信協(xié)議。在工業(yè)自動化領域，已經開發(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) 、點對點接口協(xié)議 (PPI) 、DirectNET、協(xié)同處理通信模塊 (CCM) 和 HostLink。許多 PLC 制造商都開發(fā)并支持這些協(xié)議。 事實證明，PLC 是一種將自動化帶入車間的穩(wěn)定、可靠和靈活的方式，而 RS-485 及其相關工業(yè)協(xié)議則提供了一種價格低廉、安裝簡單的網絡技術。如今，PLC 通常用于控制整條裝配線，大多數(shù)工業(yè)自動化都使用某種類型的 PLC。成千上萬的工廠自動化裝置都是基于傳統(tǒng)的 RS-232 和 RS-485 網絡。 以太網進入工廠 然而，自本世紀初以來，以太網成為現(xiàn)代工廠網絡的最便捷、最成熟的解決方案。以太網是使用最廣泛的有線網絡，得到了供應商的廣泛支持。以太網通常使用 TCP/IP（互聯(lián)網協(xié)議 (IP) 套裝的一部分）進行路由選擇和傳輸，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。 “工業(yè)以太網”描述了適合工廠使用的以太網系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的特點是堅固耐用的硬件、工業(yè)級軟件。工業(yè)以太網是一種成熟的工廠自動化技術，可讓遠程監(jiān)控人員輕松訪問生產車間的驅動器、PLC 和 I/O 設備。基礎設施通常采用線型或環(huán)型拓撲結構，因為這些結構有利于縮短電纜長度（減少電磁干擾 (EMI) 的影響）、減少延遲并建立一定的冗余。 標準以太網的通信機制容易中斷和丟失數(shù)據包，從而增加延遲，不適合快速移動和同步生產線近乎實時的要求。這樣的環(huán)境需要一個確定的協(xié)議，以保證機器指令每次都能準時到達，無論網絡負荷有多大。 為了滿足這一挑戰(zhàn)性要求，可用定制軟件來輔助工業(yè)以太網硬件。目前有幾個成熟的工業(yè)以太網協(xié)議，包括 Ethernet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。每個協(xié)議都是旨在確保工業(yè)自動化應用的高確定性。 標準以太網包括 PHY、數(shù)據鏈路、網絡和傳輸層（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)以太網協(xié)議使用工業(yè)以太網堆棧的應用層（圖 2）。
圖 2：所示為工業(yè)以太網軟件棧。PROFINET 等工業(yè)以太網協(xié)議位于應用層運行。（圖片來源：PROFINET） 如需詳細了解，請參見使用基于工業(yè)以太網的電源和數(shù)據網絡設計堅固耐用的物聯(lián)網應用 通向工業(yè) 4.0 的門戶 對于設計人員來說，將傳統(tǒng)的 RS-232 和 RS-485 工廠自動化系統(tǒng)升級為工業(yè)以太網是一項艱巨的任務。一座大型工廠可能有數(shù)千臺 PLC 和數(shù)十公里長的線路。對于許多公司來說，拆掉舊系統(tǒng)更換新系統(tǒng)所造成的成本增加和停工是無法接受的。然而，如果不進行升級，將無法利用工業(yè)以太網來提高生產設施的生產力。 在保留傳統(tǒng)串行總線、PLC 和機器的同時，采用工業(yè)以太網主干網，是限制成本和避免停工的一種策略。然后，當工廠更換或增加新機器時，可以指定這些機器與以太網主干網之間的互操作性。這樣，就可以將工廠逐步更新到最新的通信標準，而不會出現(xiàn)停工或重大現(xiàn)金流問題。 但是，此類策略會造成 RS-232/RS-485 和工業(yè)以太網網絡之間的不連續(xù)性。Weidmüller 的 7940124932 或 7940124933（圖 3）等工業(yè)網關通信設備可彌補這種不連續(xù)性。每個網關都是一種單獨的解決方案，是一種高效經濟的方法，能夠使用不同的協(xié)議在 PLC 和外圍設備之間移動數(shù)據，而無需增加布線或增加多個網關。 Weidmüller 的這類網關提供兩個以太網端口和兩個或四個串行端口，其代表型號分別為 7940124932 型和 7940124933 型產品。這些產品支持 EtherNet/IP、EtherNet/IP-PCCC、ModbusTCP 和 S7comm（Siemens 工業(yè)以太網協(xié)議），傳輸速率高達 10 Mbits/s。以太網端口采用 8 針 RJ45 連接器。在串行方面，這些網關可處理 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，但網關的串行輸入是通過以太網式 8 針 RJ45 連接器實現(xiàn)的，而不是 RS-232/RS-485 型連接器。網關可與 Automation Direct、GE、Rockwell Automation、Schneider 和 Siemens 的 PLC 實現(xiàn)互操作。網關可采用 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)網關通信設備在工業(yè)以太網和多達四個的 RS-232/RS-485 串行網絡之間架起了一座橋梁。7940124932 版本支持兩個串行端口。（圖片來源：Weidmüller） 在瀏覽器中進行配置后，Weidmüller 網關無需其他設備，即可將針對所支持的某個 RS-232/RS-485 串行協(xié)議而經過格式化的串行數(shù)據傳輸?shù)剿С值哪硞�工業(yè)以太網協(xié)議中，反之亦然。無需編輯任何 PLC 代碼，就能以任意組合方式將數(shù)據傳輸?shù)饺魏味丝诨驈娜魏味丝趥鬏敂?shù)據。 開始使用工業(yè)網關 配置 Weidmüller 網關只需將設備連接以太網交換機，然后將個人電腦插入交換機的另一端即可（圖 4）。完成后，就可將網關連接 12 V 至 24 V 電源。然后，就可以使用個人電腦通過瀏覽器登錄，此時會出現(xiàn)網關主對話框。對話框簡化了工業(yè)以太網網絡的設置，也簡化了向網關添加以太網和串行網絡設備的過程。最后，網關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)網關的設置包括將設備與以太網交換機和電源連接，然后將 PC 與交換機連接，并通過瀏覽器配置網關。（圖片來源：Weidmüller） 網關之所以能在使用不同協(xié)議的設備之間進行通信，關鍵在于使用了“標簽”數(shù)據。通過網關，可以在不同的連接設備之間移動標簽數(shù)據。 標簽是現(xiàn)代 PLC 編程的關鍵。標簽是分配給存儲在 PLC 內存中任何類型變量的名稱。例如，有的標簽名稱為“#DATETIME”、“HEARTBEAT”和“Switch_Group1_IP”。標簽存儲在 PLC 內存的標簽數(shù)據庫中。 在標簽數(shù)據庫中，所有功能塊（如繼電器、定時器和計數(shù)器）、程序變量（如名為“Transmitter_ RF_Mute_Timer”的定時器值）以及所有其他對象都存儲為標簽變量，其屬性包括初始值、浮點數(shù)、字符串、整數(shù)、布爾型（開/關）、ASCII 文本、離散輸入和離散輸出。使用標簽法可以更有效地進行較復雜的編程，但也要求（與其他結構化編程語言一樣）開發(fā)人員在程序中使用變量之前，預先指定變量標簽和數(shù)據類型。數(shù)據陣列也可以在標簽數(shù)據庫中定義。 對于連接網關的每個 PLC，開發(fā)人員必須指定數(shù)據的讀取標簽和寫入標簽。這首先需要將連接網關的每個 PLC 的標簽編程到網關中，然后網關才能使用這些標簽進行跨網絡通信。 該操作通過以太網交換機連接到網關的 PC 完成。在瀏覽器的配置窗口中選擇“添加標簽”圖標后，會激活一個對話框，開發(fā)人員可以此對話框中指定標簽名稱、數(shù)據類型、地址和其他相關信息（如果需要）。也可以通過從 .csv 文件導入標簽來加快速度（圖 5）。
圖 5：使用 PLC 標簽屬性對 Weidmüller 網關進行編程的對話框。標簽是分配給存儲在 PLC 內存中任何類型變量的名稱。（圖片來源：Weidmüller） 輸入所有連接設備的標簽后，下一步就是創(chuàng)建“標簽圖”。標簽映射使網關能夠讀取源 PLC 寄存器中的數(shù)據，并將其寫入正確的目標設備。寄存器中的數(shù)據實際上就是有效的通信載荷。有效載荷通過源 PLC 協(xié)議從源標簽中提取，然后通過目標設備協(xié)議傳輸?shù)骄W關存儲器，再傳輸?shù)侥繕藰撕灐Ｔ礃撕灪湍繕藰撕灥臄?shù)據類型是否相同并不重要。 通過“添加標簽映射”圖標，與以太網交換機連接的電腦將啟動標簽映射編輯器對話框（圖 6），再次創(chuàng)建標簽映射。每個與網絡連接的 PLC 都需要有自己的標簽圖。在對話框中，選擇目標設備，并將用作數(shù)據源的每個標簽“映射”到數(shù)據目標。然后，對所有連接的設備重復這一過程。
圖 6：對于每個連接的 PLC，標簽映射編輯器可將每個標簽數(shù)據源映射到一個數(shù)據目標。對所有連接的設備重復此過程。（圖片來源：Weidmüller） 該過程的最后一步是激活標簽映射，啟動網絡設備上的源標簽和目標標簽之間的通信。通過電腦上的標簽映射查看器，可以檢查正確的源數(shù)據是否被發(fā)送至正確的目標。 結語 工業(yè) 4.0 提高了制造業(yè)的生產力和效率。然而，這需要新的工業(yè)以太網基礎設施，但安裝成本高昂且需要停工。綜上所述，工業(yè)網關可彌合現(xiàn)有 RS-232/RS-485 網絡與工業(yè)以太網基礎設施之間的差距，從而實現(xiàn)工業(yè) 4.0 分階段引入。利用這些解決方案，可以在數(shù)月或數(shù)年內逐步升級設備和網絡，并將停工時間降至最少。 |
