作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT) 的發展，工廠正在發生著巨大轉變。除其他大規模自動化功能外，工業 4.0 還為車間帶來了廣泛的機器對機器通信 (M2M) 。這就為更多的數據收集和數據分析創造了機會，從而提高生產力和生產效率。

雖然近年來 M2M 的發展速度不斷加快，但它并非新生事物，早在幾十年前就已成為工廠數字化的一部分。諸如工業以太網和 Wi-Fi 等現代的有線和無線 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據，采用 RS-232 和 RS-485 等串行數據技術。

這讓工廠經理們進退兩難。保留舊通信系統意味著錯失工業 4.0 帶來的生產效益，但為了引入工業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 等較新的工業以太網協議不兼容，而且這些機器可能還有多年的使用壽命。工業網關可以在傳統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以太網網絡和現代工業協議在提高工廠的生產力和效率方面的優勢。然后，介紹工業網關如何為傳統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 串行數據技術的 PLC 連接到以太網/IP 主干網。

工業自動化簡史

工廠數字化始于 1969 年 PLC 的發明。PLC 是一種連續運行單一程序的專用計算機。PLC 的主要優勢是其幾乎可以實時地、高度可重復地執行程序。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 與中央監控系統連接。這是一種有線串行數據鏈路，最大吞吐量為數百 Kbits/s。該數據鏈路用接地電壓表示數字“0”，用 ±3 V 至 15 V 電壓表示數字“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。這些系統允許一個控制器監控多達 32 個 PLC，且數據傳輸速率高達 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，并不指定通信協議。在工業自動化領域，已經開發出多種可在 RS-232 或 RS-485 PHY 上運行的協議。例如，Modbus 遠程終端單元 (RTU) 、Modbus 美國信息交換標準代碼 (ASCII) 、DF1 通用工業協議 (CIP) 、DF1 可編程控制器通信命令 (PCCC) 、點對點接口協議 (PPI) 、DirectNET、協同處理通信模塊 (CCM) 和 HostLink。許多 PLC 制造商都開發并支持這些協議。

事實證明，PLC 是一種將自動化帶入車間的穩定、可靠和靈活的方式，而 RS-485 及其相關工業協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，大多數工業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（互聯網協議 (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。

“工業以太網”描述了適合工廠使用的以太網系統。這些系統的特點是堅固耐用的硬件、工業級軟件。工業以太網是一種成熟的工廠自動化技術，可讓遠程監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。這樣的環境需要一個確定的協議，以保證機器指令每次都能準時到達，無論網絡負荷有多大。

為了滿足這一挑戰性要求，可用定制軟件來輔助工業以太網硬件。目前有幾個成熟的工業以太網協議，包括 Ethernet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。每個協議都是旨在確保工業自動化應用的高確定性。

標準以太網包括 PHY、數據鏈路、網絡和傳輸層（使用 TCP/IP 或 UDP/IP 作為傳輸協議），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 等工業以太網協議使用工業以太網堆棧的應用層（圖 2）。

圖 2：所示為工業以太網軟件棧。PROFINET 等工業以太網協議位于應用層運行。（圖片來源：PROFINET）

如需詳細了解，請參見[ 使用基于工業以太網的電源和數據網絡設計堅固耐用的物聯網應用 ]

通向工業 4.0 的門戶

對于設計人員來說，將傳統的 RS-232 和 RS-485 工廠自動化系統升級為工業以太網是一項艱巨的任務。一座大型工廠可能有數千臺 PLC 和數十公里長的線路。對于許多公司來說，拆掉舊系統更換新系統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，將無法利用工業以太網來提高生產設施的生產力。

在保留傳統串行總線、PLC 和機器的同時，采用工業以太網主干網，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，而不會出現停工或重大現金流問題。

但是，此類策略會造成 RS-232/RS-485 和工業以太網網絡之間的不連續性。Weidmüller 的 [7940124932] 或 [7940124933]（圖 3）等工業網關通信設備可彌補這種不連續性。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，能夠使用不同的協議在 PLC 和外圍設備之間移動數據，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 工業以太網協議），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 工業網關通信設備在工業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 串行協議而經過格式化的串行數據傳輸到所支持的某個工業以太網協議中，反之亦然。無需編輯任何 PLC 代碼，就能以任意組合方式將數據傳輸到任何端口或從任何端口傳輸數據。

開始使用工業網關

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，此時會出現網關主對話框。對話框簡化了工業以太網網絡的設置，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議的設備之間進行通信，關鍵在于使用了“標簽”數據。通過網關，可以在不同的連接設備之間移動標簽數據。

標簽是現代 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 內存的標簽數據庫中。

在標簽數據庫中，所有功能塊（如繼電器、定時器和計數器）、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、字符串、整數、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）開發人員在程序中使用變量之前，預先指定變量標簽和數據類型。數據陣列也可以在標簽數據庫中定義。

對于連接網關的每個 PLC，開發人員必須指定數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，開發人員可以此對話框中指定標簽名稱、數據類型、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，下一步就是創建“標簽圖”。標簽映射使網關能夠讀取源 PLC 寄存器中的數據，并將其寫入正確的目標設備。寄存器中的數據實際上就是有效的通信載荷。有效載荷通過源 PLC 協議從源標簽中提取，然后通過目標設備協議傳輸到網關存儲器，再傳輸到目標標簽。源標簽和目標標簽的數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，并將用作數據源的每個標簽“映射”到數據目標。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據源映射到一個數據目標。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據是否被發送至正確的目標。

結語

工業 4.0 提高了制造業的生產力和效率。然而，這需要新的工業以太網基礎設施，但安裝成本高昂且需要停工。綜上所述，工業網關可彌合現有 RS-232/RS-485 網絡與工業以太網基礎設施之間的差距，從而實現工業 4.0 分階段引入。利用這些解決方案，可以在數月或數年內逐步升級設備和網絡，并將停工時間降至最少。