作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著向工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT) 的轉變日益加快，對數據收集和連接的需求應運而生，以便能夠通過分析提高生產率和安全性。然而，在整個工廠內進行橫向和縱向數據采集和傳輸非常復雜且成本高昂，涉及多個網絡和惡劣環境的情況下尤甚。設計人員需要一種能高效設計、部署和管理工業網絡的方法，使網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據，同時使用不同的協議和極少的布線。

要做到這一點，可以借助集成和優化的分布式輸入/輸出 (I/O) 平臺，這種平臺可利用一根以太網線纜處理多種協議。這類系統還能讓工業網絡運營商通過在單一 I/O 平臺上實現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 4.0 網絡。隨后介紹了 [Siemens]的 I/O 平臺，該平臺可在惡劣環境中通過一根線纜連接多條以太網現場總線，并展示了如何借助該平臺滿足工業 4.0 設計人員的需求。

以太網協議

工業 4.0 部署有各種各樣的通信需求。PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 這三種主要現場總線協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議，用于 PLC 等控制器與設備之間的數據交換。該協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：使用標準以太網協議，易于與以太網設備配合使用。通用工業協議 (CIP) 針對工業自動化應用進行了優化，支持包括 EtherNet/IP 在內的網絡技術。EtherNet/IP 還可用于從現場級到 IT 系統的數據交換。

Modbus TCP：這是一種基于 TCP/IP 的協議，適用于能耗和環境數據采集等非時間關鍵型功能，以及現場級與 IT 系統之間的數據交換。

鑒于這三種現場總線各有其特定的用途，因此三種現場總線缺一不可。這就帶來了復雜的通信挑戰，正因如此，MultiFieldbus 系統有了用武之地。MultiFieldbus 通信控制器位于現場級和控制級之間，通過一根網線同時與使用不同協議的多個控制器進行通信（圖 1）。MultiFieldbus 設備遍布于各種環境，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 通信控制器位于現場級和控制級之間，可支持全面的工業 4.0 連接和通信。（圖片來源：Siemens）

多樣化環境

環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 (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入封閉系統危險部件的難易程度進行評級。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（無防護）到 6（無灰塵侵入）。第二位數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。

對于更具挑戰性的環境，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 協議的多臺控制器同時交換數據。所有通信協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 4.0 系統。（圖片來源：Siemens）

該系統可支持與最多 6 個使用不同現場總線協議的 PLC 同時進行通信。此外，還有用于 IO-Link、Profibus、點對點 (PtP)、控制器區域網絡 (CAN)、致動器傳感器接口 (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 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、能量監測、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 通信協議的一個配置文件，支持工業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，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化（圖 4）。這些模塊可持續承受高達 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化，可持續承受高達 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。可針對每個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、樓宇管理、倉儲物流和電動單軌系統等應用。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或閉環控制。[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“自動啟動功能”自動傳輸設備和主站參數，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（右）（圖片來源：Siemens）

總結

工業 4.0 網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境。為了簡化工廠網絡，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 協議的 PLC 同時交換數據。