如何在不停工的情況下將傳統(tǒng)工廠自動(dòng)化系統(tǒng)與工業(yè) 4.0 相連接

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的發(fā)展，工廠正在發(fā)生著巨大轉(zhuǎn)變。除其他大規(guī)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(jī)器對(duì)機(jī)器通信 (M2M) 。這就為更多的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析創(chuàng)造了機(jī)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數(shù)字化的一部分。諸如工業(yè)以太網(wǎng)和 Wi-Fi 等現(xiàn)代的有線和無(wú)線 M2M 技術(shù)，既精簡(jiǎn)又高效，但這一悠久的歷史意味著仍有許多傳統(tǒng)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)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，采用 RS-232 和 RS-485 等串行數(shù)據(jù)技術(shù)。

這讓工廠經(jīng)理們進(jìn)退兩難。保留舊通信系統(tǒng)意味著錯(cuò)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)行工廠升級(jí)既昂貴又會(huì)造成停工。更糟糕的是，許多老式機(jī)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(jī)器可能還有多年的使用壽命。工業(yè)網(wǎng)關(guān)可以在傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施和以太網(wǎng)主干網(wǎng)之間架起橋梁，成為一種經(jīng)濟(jì)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(xiàn)代工業(yè)協(xié)議在提高工廠的生產(chǎn)力和效率方面的優(yōu)勢(shì)。然后，介紹工業(yè)網(wǎng)關(guān)如何為傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)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(yùn)行 RS-232/RS-485 串行數(shù)據(jù)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

工廠數(shù)字化始于 1969 年 PLC 的發(fā)明。PLC 是一種連續(xù)運(yùn)行單一程序的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。PLC 的主要優(yōu)勢(shì)是其幾乎可以實(shí)時(shí)地、高度可重復(fù)地執(zhí)行程序。此外，PLC 相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、性能可靠和堅(jiān)固耐用。例如，Siemens [SIPLUS] 設(shè)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 是工廠自動(dòng)化的支柱，價(jià)格低廉、性能可靠且堅(jiān)固耐用。（圖片來(lái)源：Siemens）

在工廠自動(dòng)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(jù)鏈路，最大吞吐量為數(shù)百 Kbits/s。該數(shù)據(jù)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(lái)，RS-422 和 RS-485 利用雙絞線上的差分信號(hào)將有線通信提升到了更高的水平。這些系統(tǒng)允許一個(gè)控制器監(jiān)控多達(dá) 32 個(gè) PLC，且數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 10 Mbits/s，傳輸距離長(zhǎng)達(dá) 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(biāo)準(zhǔn)，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(yùn)行的協(xié)議。例如，Modbus 遠(yuǎn)程終端單元 (RTU) 、Modbus 美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(wěn)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，大多數(shù)工業(yè)自動(dòng)化都使用某種類(lèi)型的 PLC。成千上萬(wàn)的工廠自動(dòng)化裝置都是基于傳統(tǒng)的 RS-232 和 RS-485 網(wǎng)絡(luò)。

以太網(wǎng)進(jìn)入工廠

然而，自本世紀(jì)初以來(lái)，以太網(wǎng)成為現(xiàn)代工廠網(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網(wǎng)絡(luò)，得到了供應(yīng)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(jì)算的互操作性，這種能力遠(yuǎn)超 RS-232 和 RS-485 技術(shù)。

“工業(yè)以太網(wǎng)”描述了適合工廠使用的以太網(wǎng)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的特點(diǎn)是堅(jiān)固耐用的硬件、工業(yè)級(jí)軟件。工業(yè)以太網(wǎng)是一種成熟的工廠自動(dòng)化技術(shù)，可讓遠(yuǎn)程監(jiān)控人員輕松訪問(wèn)生產(chǎn)車(chē)間的驅(qū)動(dòng)器、PLC 和 I/O 設(shè)備?；A(chǔ)設(shè)施通常采用線型或環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)有利于縮短電纜長(zhǎng)度（減少電磁干擾 (EMI) 的影響）、減少延遲并建立一定的冗余。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的通信機(jī)制容易中斷和丟失數(shù)據(jù)包，從而增加延遲，不適合快速移動(dòng)和同步生產(chǎn)線近乎實(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(jī)器指令每次都能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)，無(wú)論網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷有多大。

為了滿足這一挑戰(zhàn)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(yīng)用的高確定性。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)包括 PHY、數(shù)據(jù)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(jī)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(yīng)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(yīng)用層運(yùn)行。（圖片來(lái)源：PROFINET）

如需詳細(xì)了解，請(qǐng)參見(jiàn)[ 使用基于工業(yè)以太網(wǎng)的電源和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)堅(jiān)固耐用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 ]

通向工業(yè) 4.0 的門(mén)戶(hù)

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，將傳統(tǒng)的 RS-232 和 RS-485 工廠自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)為工業(yè)以太網(wǎng)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。一座大型工廠可能有數(shù)千臺(tái) PLC 和數(shù)十公里長(zhǎng)的線路。對(duì)于許多公司來(lái)說(shuō)，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(wú)法接受的。然而，如果不進(jìn)行升級(jí)，將無(wú)法利用工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)提高生產(chǎn)設(shè)施的生產(chǎn)力。

在保留傳統(tǒng)串行總線、PLC 和機(jī)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(dāng)工廠更換或增加新機(jī)器時(shí)，可以指定這些機(jī)器與以太網(wǎng)主干網(wǎng)之間的互操作性。這樣，就可以將工廠逐步更新到最新的通信標(biāo)準(zhǔn)，而不會(huì)出現(xiàn)停工或重大現(xiàn)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(xù)性。Weidmüller 的 [7940124932] 或 [7940124933]（圖 3）等工業(yè)網(wǎng)關(guān)通信設(shè)備可彌補(bǔ)這種不連續(xù)性。每個(gè)網(wǎng)關(guān)都是一種單獨(dú)的解決方案，是一種高效經(jīng)濟(jì)的方法，能夠使用不同的協(xié)議在 PLC 和外圍設(shè)備之間移動(dòng)數(shù)據(jù)，而無(wú)需增加布線或增加多個(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(hào)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(dá) 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(qǐng)注意，雖然串行支持 RS-232/RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，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(xiàn)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(xiàn)互操作。網(wǎng)關(guān)可采用 DIN 導(dǎo)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(shè)備在工業(yè)以太網(wǎng)和多達(dá)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(shè)備，即可將針對(duì)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(shù)據(jù)傳輸?shù)剿С值哪硞€(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(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏味丝诨驈娜魏味丝趥鬏敂?shù)據(jù)。

開(kāi)始使用工業(yè)網(wǎng)關(guān)

配置 Weidmüller 網(wǎng)關(guān)只需將設(shè)備連接以太網(wǎng)交換機(jī)，然后將個(gè)人電腦插入交換機(jī)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(xiàn)網(wǎng)關(guān)主對(duì)話框。對(duì)話框簡(jiǎn)化了工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(shè)備的過(guò)程。最后，網(wǎng)關(guān)串行端口的設(shè)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(shè)置包括將設(shè)備與以太網(wǎng)交換機(jī)和電源連接，然后將 PC 與交換機(jī)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(shè)備之間進(jìn)行通信，關(guān)鍵在于使用了“標(biāo)簽”數(shù)據(jù)。通過(guò)網(wǎng)關(guān)，可以在不同的連接設(shè)備之間移動(dòng)標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

標(biāo)簽是現(xiàn)代 PLC 編程的關(guān)鍵。標(biāo)簽是分配給存儲(chǔ)在 PLC 內(nèi)存中任何類(lèi)型變量的名稱(chēng)。例如，有的標(biāo)簽名稱(chēng)為“#DATETIME”、“HEARTBEAT”和“Switch_Group1_IP”。標(biāo)簽存儲(chǔ)在 PLC 內(nèi)存的標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)中。

在標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)中，所有功能塊（如繼電器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)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(duì)象都存儲(chǔ)為標(biāo)簽變量，其屬性包括初始值、浮點(diǎn)數(shù)、字符串、整數(shù)、布爾型（開(kāi)/關(guān)）、ASCII 文本、離散輸入和離散輸出。使用標(biāo)簽法可以更有效地進(jìn)行較復(fù)雜的編程，但也要求（與其他結(jié)構(gòu)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(yù)先指定變量標(biāo)簽和數(shù)據(jù)類(lèi)型。數(shù)據(jù)陣列也可以在標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)中定義。

對(duì)于連接網(wǎng)關(guān)的每個(gè) PLC，開(kāi)發(fā)人員必須指定數(shù)據(jù)的讀取標(biāo)簽和寫(xiě)入標(biāo)簽。這首先需要將連接網(wǎng)關(guān)的每個(gè) PLC 的標(biāo)簽編程到網(wǎng)關(guān)中，然后網(wǎng)關(guān)才能使用這些標(biāo)簽進(jìn)行跨網(wǎng)絡(luò)通信。

該操作通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)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(biāo)簽”圖標(biāo)后，會(huì)激活一個(gè)對(duì)話框，開(kāi)發(fā)人員可以此對(duì)話框中指定標(biāo)簽名稱(chēng)、數(shù)據(jù)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(dǎo)入標(biāo)簽來(lái)加快速度（圖 5）。

圖 5：使用 PLC 標(biāo)簽屬性對(duì) Weidmüller 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編程的對(duì)話框。標(biāo)簽是分配給存儲(chǔ)在 PLC 內(nèi)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(shè)備的標(biāo)簽后，下一步就是創(chuàng)建“標(biāo)簽圖”。標(biāo)簽映射使網(wǎng)關(guān)能夠讀取源 PLC 寄存器中的數(shù)據(jù)，并將其寫(xiě)入正確的目標(biāo)設(shè)備。寄存器中的數(shù)據(jù)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(biāo)簽中提取，然后通過(guò)目標(biāo)設(shè)備協(xié)議傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)器，再傳輸?shù)侥繕?biāo)標(biāo)簽。源標(biāo)簽和目標(biāo)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)類(lèi)型是否相同并不重要。

通過(guò)“添加標(biāo)簽映射”圖標(biāo)，與以太網(wǎng)交換機(jī)連接的電腦將啟動(dòng)標(biāo)簽映射編輯器對(duì)話框（圖 6），再次創(chuàng)建標(biāo)簽映射。每個(gè)與網(wǎng)絡(luò)連接的 PLC 都需要有自己的標(biāo)簽圖。在對(duì)話框中，選擇目標(biāo)設(shè)備，并將用作數(shù)據(jù)源的每個(gè)標(biāo)簽“映射”到數(shù)據(jù)目標(biāo)。然后，對(duì)所有連接的設(shè)備重復(fù)這一過(guò)程。

圖 6：對(duì)于每個(gè)連接的 PLC，標(biāo)簽映射編輯器可將每個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)源映射到一個(gè)數(shù)據(jù)目標(biāo)。對(duì)所有連接的設(shè)備重復(fù)此過(guò)程。（圖片來(lái)源：Weidmüller）

該過(guò)程的最后一步是激活標(biāo)簽映射，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的源標(biāo)簽和目標(biāo)標(biāo)簽之間的通信。通過(guò)電腦上的標(biāo)簽映射查看器，可以檢查正確的源數(shù)據(jù)是否被發(fā)送至正確的目標(biāo)。

結(jié)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(chǔ)設(shè)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(xiàn)有 RS-232/RS-485 網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施之間的差距，從而實(shí)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(nèi)逐步升級(jí)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，并將停工時(shí)間降至最少。