本文概述工業(yè)乙太網(wǎng)路和現(xiàn)代化工業(yè)通訊協(xié)定在提高工廠生產(chǎn)力和效率方面的優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明工業(yè)閘道器如何以輕松快速的方式，在傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施和乙太網(wǎng)路主干之間進(jìn)行橋接。并以工業(yè)閘道器為范例，說(shuō)明如何運(yùn)用。

隨著工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）逐漸發(fā)展，工廠也跟著轉(zhuǎn)型。在其他大規(guī)模自動(dòng)化功能中，工業(yè)4.0為廠區(qū)帶來(lái)廣泛的機(jī)器對(duì)機(jī)器通訊（M2M）。這帶來(lái)更多數(shù)據(jù)收集和分析的機(jī)會(huì)，可藉此提高生產(chǎn)力和效率。

雖然M2M近年來(lái)一直加速發(fā)展，但并非新技術(shù)，一直都是工廠數(shù)位化的環(huán)節(jié)之一，采用的歷史可追溯到幾十年前。現(xiàn)代化的有線和無(wú)線M2M技術(shù)，如工業(yè)乙太網(wǎng)路和Wi-Fi，在運(yùn)作上相當(dāng)順暢且有效率，但悠久的歷史也意味著存有許多傳統(tǒng)網(wǎng)路。此類網(wǎng)路采用的技術(shù)較舊，例如可編程邏輯控制器（PLC），就會(huì)透過(guò)采用序列數(shù)據(jù)技術(shù)（如RS-232和 RS-485）的有線網(wǎng)路傳輸數(shù)據(jù)。

但工廠管理人員也因此面臨兩難的困境。保留舊款通訊系統(tǒng)意味著錯(cuò)過(guò)工業(yè)4.0帶來(lái)的生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)，但升級(jí)工廠引進(jìn)工業(yè)乙太網(wǎng)路，既昂貴也會(huì)造成中斷。更糟的是，不少老舊機(jī)器往往是由PLC控制，這些PLC的世代與較新的工業(yè)乙太網(wǎng)路通訊協(xié)定（如Ethernet/IP和ModbusTCP）并不相容。然而，這些機(jī)器可能還有許多年的使用壽命。工業(yè)閘道器可以在傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施和乙太網(wǎng)路主干之間進(jìn)行橋接，藉此提供符合成本效益的臨時(shí)解決方案。

本文將概述工業(yè)乙太網(wǎng)路和現(xiàn)代化工業(yè)通訊協(xié)定在提高工廠生產(chǎn)力和效率方面的優(yōu)勢(shì)。接著會(huì)說(shuō)明工業(yè)閘道器如何以輕松快速的方式，在傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施和乙太網(wǎng)路主干之間進(jìn)行橋接。本文介紹 Weidmuller 的兩個(gè)工業(yè)閘道器范例，并說(shuō)明如何運(yùn)用，以便將采用RS-232/RS-485序列數(shù)據(jù)技術(shù)的PLC連接到Ethernet/IP主干。

工業(yè)自動(dòng)化的脈絡(luò)

工廠的數(shù)位化是在1969年P(guān)LC發(fā)明後才真正展開。PLC是連續(xù)執(zhí)行單一程式的專用電腦。PLC的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一，就是在程式的執(zhí)行上幾??即時(shí)且高度可重復(fù)。此外價(jià)格也相對(duì)便宜，又耐用可靠。有個(gè)很好的例子就是Siemens的SIPLUS裝置，搭載RS-485 序列介面。

在工廠自動(dòng)化早期，制造商會(huì)使用RS-232將PLC連接到中央監(jiān)控系統(tǒng)。這個(gè)有線的序列數(shù)據(jù)鏈路，最大輸送量最多只有幾百 Kbit/s。使用接地電壓表示數(shù)字「0」，并以±3至15 V 表示數(shù)字「1」。後來(lái)，RS-422和RS-485使用雙絞線電纜上的差動(dòng)訊號(hào)，將有線通訊提升到更高水準(zhǔn)。此系統(tǒng)能讓一個(gè)控制器監(jiān)控多達(dá)32個(gè)PLC，并在長(zhǎng)達(dá)1,200 m的距離內(nèi)提供高達(dá)10 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率。

需要注意的是，RS-232和RS-485是規(guī)范實(shí)體層（PHY）的標(biāo)準(zhǔn)，并未規(guī)范通訊協(xié)定。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，已經(jīng)有制訂幾種通訊協(xié)定可在RS-232或RS-485 PHY上運(yùn)作。范例包括Modbus 遠(yuǎn)端終端單元（RTU）、Modbus美國(guó)資訊交換標(biāo)準(zhǔn)代碼（ASCII）、DF1 通用工業(yè)協(xié)定（CIP）、DF1可編程控制器通訊命令（PCCC）、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)介面協(xié)定 （PPI）、DirectNET、輔助處理通訊模組（CCM）和HostLink。這些協(xié)定經(jīng)過(guò)許多PLC 廠商開發(fā)和支援。

PLC已證實(shí)能以可靠耐用且靈活的方式，將自動(dòng)化引進(jìn)廠區(qū)，RS-485及其相關(guān)的工業(yè)協(xié)定，可提供低廉且容易安裝的網(wǎng)路技術(shù)。如今，PLC通常用於控制整條組裝線，且絕大多數(shù)的工業(yè)自動(dòng)化都會(huì)用上幾種PLC。上千款的工廠自動(dòng)化裝置都以歷史悠久的RS-232 和 RS-485網(wǎng)路為基礎(chǔ)運(yùn)作。

乙太網(wǎng)路進(jìn)入工廠

自世紀(jì)交替以來(lái)，乙太網(wǎng)路已經(jīng)為現(xiàn)代化的工廠網(wǎng)路提供最容易取用且經(jīng)過(guò)實(shí)證的解決方案。這是最廣泛使用的有線網(wǎng)路選項(xiàng)，且具有龐大的廠商支援。乙太網(wǎng)路通常會(huì)使用 TCP/IP（網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定（IP）套裝的一部分）進(jìn)行路由和傳輸，以確保云端互通性，但這個(gè)能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出RS-232和RS-485技術(shù)的范圍。

「工業(yè)乙太網(wǎng)路」是指針對(duì)工廠用途而改良的乙太網(wǎng)路系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)在於堅(jiān)固耐用的硬體和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟體。工業(yè)乙太網(wǎng)路是經(jīng)過(guò)實(shí)證且成熟的工廠自動(dòng)化技術(shù)，能讓遠(yuǎn)端監(jiān)控器輕松存取制造廠區(qū)的驅(qū)動(dòng)器、PLC和I/O裝置。基礎(chǔ)設(shè)施通常會(huì)使用線型或環(huán)狀拓?fù)洌驗(yàn)橛兄犊s短電纜布線 （減輕電磁干擾（EMI）的影響）、降低延遲并且建立一定程度的備援。

標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路的通訊機(jī)制容易出現(xiàn)中斷和封包遺失，這會(huì)增加延遲，因此不適合快速移動(dòng)和同步生產(chǎn)線近??即時(shí)的需求。這種環(huán)境需要確定性的通訊協(xié)定，以確保無(wú)論網(wǎng)路上的負(fù)載有多高，機(jī)器指令每次都可準(zhǔn)時(shí)抵達(dá)。

為了克服這項(xiàng)挑戰(zhàn)，工業(yè)乙太網(wǎng)路硬體需要客制化的軟體相輔相成。有幾種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的工業(yè)乙太網(wǎng)路路協(xié)定可供選擇，包括Ethernet/IP、ModbusTCP與PROFINET。全都可用於確保工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用可達(dá)到高度確定性。

標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)路由實(shí)體層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)路層和傳輸層組成（使用TCP/IP或UDP/IP進(jìn)行傳輸），可視為一種提供效率、速度和多功能性的通訊機(jī)制。相較之下，工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定（如PROFINET）則使用工業(yè)乙太網(wǎng)路堆疊的應(yīng)用層（圖一）。

圖一 : 此為工業(yè)乙太網(wǎng)路軟體堆疊。工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定，如PROFINET等，皆在應(yīng)用層運(yùn)作。（source：PROFINET）

通往工業(yè)4.0的大門

將傳統(tǒng)的RS-232和RS-485工廠自動(dòng)化系統(tǒng)更新為工業(yè)乙太網(wǎng)路，對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是艱鉅的任務(wù)。一間大型工廠可能有數(shù)千個(gè)PLC和數(shù)十公里的布線。系統(tǒng)汰舊換新所需的成本與帶來(lái)的中斷，對(duì)許多公司來(lái)說(shuō)是不可行的。然而，若不升級(jí)，生產(chǎn)設(shè)施就無(wú)法享受工業(yè)乙太網(wǎng)路承諾帶來(lái)的生產(chǎn)力提升優(yōu)勢(shì)。

有個(gè)可限制成本和中斷的策略就是集中采用工業(yè)乙太網(wǎng)路主干，同時(shí)保留傳統(tǒng)的序列匯流排、PLC和機(jī)器。之後要更換機(jī)器或在工廠內(nèi)新添機(jī)器時(shí)，就可指定采用能與乙太網(wǎng)路主干互通的款式。如此一來(lái)，工廠就能逐步更新到最新的通訊標(biāo)準(zhǔn)，而不會(huì)發(fā)生生產(chǎn)中斷或重大的現(xiàn)金流問(wèn)題。

然而，這種策略會(huì)在RS-232/RS-485和工業(yè)乙太網(wǎng)路網(wǎng)路之間造成不連續(xù)性。這種不連續(xù)性可以透過(guò)工業(yè)閘道器通訊裝置，如Weidmuller的7940124932或7940124933來(lái)銜接。每個(gè)閘道器都是單一解決方案，能以符合成本效益的方式運(yùn)用不同的協(xié)定，在PLC和周邊裝置之間傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需添加布線或使用多個(gè)閘道器。

Weidmuller的這些閘道器提供兩個(gè)乙太網(wǎng)路埠，以及兩個(gè)或四個(gè)序列埠。可支援高達(dá)10 Mbit/s的EtherNet/IP、EtherNet/IP-PCCC、ModbusTCP和S7comm（Siemens 工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定）。乙太網(wǎng)路埠可接受8針RJ45連接器。在序列端，閘道器可以處理 Modbus RTU、Modbus ASCII、DF1-CIP、DF1-PCCC、PPI、DirectNET、CCM和 HostLink 序列協(xié)定。

請(qǐng)注意，雖然序列支援是針對(duì)RS-232/RS-485標(biāo)準(zhǔn)提供，但閘道器的序列輸入則是透過(guò)乙太網(wǎng)路樣式的8針RJ45連接器達(dá)成，而非RS-232/RS-485類型。這些閘道器可與 Automation Direct、GE、Rockwell Automation、Schneider和Siemens的PLC互通。閘道器可以采用DIN軌道安裝，并使用12至24 V輸入在0。至55。C的溫度范圍內(nèi)工作。

透過(guò)瀏覽器配置後，Weidmuller閘道無(wú)需其他設(shè)備即可將序列數(shù)據(jù)（以支援的RS-232/RS-485序列協(xié)定之一進(jìn)行格式化）傳輸?shù)街г墓I(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定之一，反之亦然。數(shù)據(jù)能以任意組合進(jìn)出任意埠，無(wú)需編輯任何PLC代碼。

開始使用工業(yè)閘道器

若要配置Weidmuller閘道器，只需將裝置連接到乙太網(wǎng)路交換機(jī)，然後將PC??入交換機(jī)的另一端（圖四）。完成後，閘道器就可連接12至24 V電源。接著可利用PC，透過(guò)瀏覽器視窗中出現(xiàn)的主閘道器對(duì)話方塊進(jìn)行登入。對(duì)話方塊可簡(jiǎn)化工業(yè)乙太網(wǎng)路網(wǎng)路的設(shè)定，也可在閘道器上添加乙太網(wǎng)路和序列網(wǎng)路裝置。最後，閘道器的序列埠會(huì)設(shè)置成與相連之控制器的序列埠配置匹配。

圖二 : 工業(yè)閘道器的設(shè)置包括將裝置連接到乙太網(wǎng)路交換機(jī)和電源，然後將PC連接到交換機(jī)，再透過(guò)瀏覽器配置閘道器。（source：Weidmuller）

閘道器之所以能在使用不同協(xié)定的裝置之間進(jìn)行通訊，關(guān)鍵在於使用「標(biāo)簽」數(shù)據(jù)。閘道器可在連接的不同裝置之間傳輸標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

標(biāo)簽是現(xiàn)代化PLC編程時(shí)的關(guān)鍵。這些標(biāo)簽名稱會(huì)分配給儲(chǔ)存在PLC記憶體中的各類型變數(shù)。標(biāo)簽名稱的一些范例，包括：#DATETIME、HEARTBEAT與Switch_Group1_IP。標(biāo)簽會(huì)儲(chǔ)存在標(biāo)簽資料庫(kù)中的PLC記憶體中。

在此標(biāo)簽資料庫(kù)中，所有功能區(qū)塊（如繼電器、計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器）和程式變數(shù)（如名為 「Transmitter_ RF_ Mute_Timer」的計(jì)時(shí)器值），以及其他所有物件都會(huì)儲(chǔ)存成標(biāo)簽變數(shù)并且附加屬性，如初始值、浮點(diǎn)、字串、整數(shù)、布爾值（開／關(guān)）、ASCII文本、獨(dú)立輸入和獨(dú)立輸出等。此標(biāo)簽作法能以更有效率的方式達(dá)到更復(fù)雜的程式設(shè)計(jì)，但與其他結(jié)構(gòu)化程式設(shè)計(jì)語(yǔ)言一樣，開發(fā)人員都要在程式中使用之前，先分配變數(shù)標(biāo)簽以及數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)陣列也可以在標(biāo)簽資料庫(kù)中定義。

開發(fā)人員必須要針對(duì)連接到閘道器的每個(gè)PLC，指定要從中讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)簽，以及要寫入數(shù)據(jù)的標(biāo)簽。首先要將各個(gè)PLC的標(biāo)簽連接到閘道器，以便編程到閘道器中，才可在網(wǎng)路中進(jìn)行通訊。

使用透過(guò)乙太網(wǎng)路交換機(jī)連接到閘道器的PC就可完成此工作。在配置瀏覽器視窗中選擇「添加標(biāo)簽」圖示，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)話方塊，開發(fā)人員就可在此指定標(biāo)簽名稱、數(shù)據(jù)類型、位址和其他必要的相關(guān)資訊。還可匯入 .csv檔案中的標(biāo)簽，藉此加速作業(yè)（圖三）。

圖三 : 使用PLC標(biāo)簽屬性對(duì)Weidmuller閘道器進(jìn)行編程的對(duì)話方塊。標(biāo)簽名稱會(huì)分配給儲(chǔ)存在 PLC記憶體中的任何類型變數(shù)。（source：Weidmuller）

輸入所有連接裝置的標(biāo)簽後，下一步便是建立「標(biāo)簽對(duì)應(yīng)圖」。標(biāo)簽對(duì)應(yīng)圖能讓閘道器讀取來(lái)源PLC暫存器中的數(shù)據(jù)，并將其寫入正確的目標(biāo)裝置。暫存器中的數(shù)據(jù)實(shí)際上就是有效的通訊酬載。來(lái)源標(biāo)簽的酬載會(huì)利用來(lái)源PLC協(xié)定進(jìn)行擷取，然後傳送到閘道器記憶體，以便使用目標(biāo)裝置的協(xié)定傳輸?shù)侥繕?biāo)標(biāo)簽。來(lái)源和目標(biāo)標(biāo)簽是否都采用相同的數(shù)據(jù)類型并不重要。

接著會(huì)再次透過(guò)連接乙太網(wǎng)路交換機(jī)的 PC，利用「添加標(biāo)簽對(duì)應(yīng)圖」圖示建立標(biāo)簽對(duì)應(yīng)圖，就會(huì)出現(xiàn)「標(biāo)簽對(duì)應(yīng)圖編輯器」對(duì)話方塊（圖四）。連接網(wǎng)路的每個(gè)PLC都需要自備標(biāo)簽對(duì)應(yīng)圖。在對(duì)話方塊中，選取目標(biāo)裝置，并將要當(dāng)作數(shù)據(jù)來(lái)源的每個(gè)標(biāo)簽「對(duì)應(yīng)」到數(shù)據(jù)目標(biāo)。然後對(duì)所有連接的裝置重復(fù)此過(guò)程。

圖四 : 標(biāo)簽對(duì)應(yīng)圖編輯器能針對(duì)每個(gè)連接的PLC，將各個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)來(lái)源對(duì)應(yīng)到數(shù)據(jù)目標(biāo)。對(duì)所有連接的裝置重復(fù)此過(guò)程。（source：Weidmuller）

流程的最後一步就是啟動(dòng)標(biāo)記對(duì)應(yīng)圖，對(duì)網(wǎng)路裝置上托管的來(lái)源和目標(biāo)標(biāo)簽，啟動(dòng)兩者之間的通訊。PC上有標(biāo)簽對(duì)應(yīng)圖檢視器，可檢查來(lái)源數(shù)據(jù)是否正確傳輸?shù)秸_的目標(biāo)。

結(jié)論

工業(yè)4.0可增進(jìn)制造業(yè)的生產(chǎn)力和效率，但需要新的工業(yè)乙太網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施，安裝成本不僅高昂且會(huì)造成營(yíng)運(yùn)中斷。如本文所述，工業(yè)閘道器可銜接起既有的RS-232/RS-485網(wǎng)路與逐步導(dǎo)入的工業(yè)乙太網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施，藉此達(dá)到工業(yè)4.0的分階段引進(jìn)。透過(guò)這些解決方案，設(shè)備和網(wǎng)路就可在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)逐步升級(jí)，并將中斷降至最低。

（本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區(qū)技術(shù)內(nèi)容部門應(yīng)用工程經(jīng)理）