作者：Jeff Shepard

　　向工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的加速轉(zhuǎn)變帶來了對數(shù)據(jù)收集和連接的需求，從而實(shí)現(xiàn)分析以提高生產(chǎn)力和安全性。然而，整個(gè)工廠的水平和垂直數(shù)據(jù)收集和傳輸可能非常復(fù)雜且成本高昂，特別是在涉及多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和惡劣環(huán)境的情況下。設(shè)計(jì)人員需要一種有效設(shè)計(jì)、部署和管理工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的方法，該網(wǎng)絡(luò)可以與來自不同供應(yīng)商的多個(gè)可編程邏輯控制器 (PLC)、傳感器和執(zhí)行器交換數(shù)據(jù)，同時(shí)使用不同的協(xié)議和最少的布線。

　　這可以通過使用集成且優(yōu)化的分布式輸入/輸出 (I/O) 平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)可以通過單根以太網(wǎng)電纜處理多種協(xié)議。這樣的系統(tǒng)還使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能夠通過在單一 I/O 平臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來簡化服務(wù)要求并減少備件庫存，而無論使用何種 PLC。

　　本文簡要回顧了工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)。然后介紹了西門子的 I/O 平臺(tái)，該平臺(tái)可在惡劣環(huán)境下通過單根電纜容納多個(gè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，并展示如何使用該平臺(tái)來滿足工業(yè) 4.0 設(shè)計(jì)人員的需求。

　　以太網(wǎng)協(xié)議

　　工業(yè) 4.0 部署有多種通信需求。 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 三種主要現(xiàn)場總線協(xié)議均支持從工廠車間的操作技術(shù) (OT) 到信息技術(shù) (IT) 的不同用例。

　　PROFINET：這是一種確定性高性能協(xié)議，用于 PLC 等控制器和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。它適用于實(shí)時(shí)和安全關(guān)鍵功能，包括高速運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。它還用于集成 OT/IT 功能。

　　EtherNet/IP：使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，可以輕松使用以太網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。通用工業(yè)協(xié)議 (CIP) 針對工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并支持包括 EtherNet/IP 在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 EtherNet/IP 還可用于從現(xiàn)場級到 IT 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

　　Modbus TCP：這是一種基于 TCP/IP 的協(xié)議，適用于能源消耗和環(huán)境數(shù)據(jù)收集等非時(shí)間關(guān)鍵功能，以及現(xiàn)場級與 IT 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

　　鑒于三種現(xiàn)場總線中的每一種都有特定用途，因此三種現(xiàn)場總線都是必需的。這就帶來了復(fù)雜的通信挑戰(zhàn)，這正是 MultiFieldbus 系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方。MultiFieldbus 通信控制器位于現(xiàn)場層和控制層之間，通過一根網(wǎng)絡(luò)電纜使用不同的協(xié)議同時(shí)與多個(gè)控制器進(jìn)行通信(圖 1)。多現(xiàn)場總線設(shè)備可以在各種環(huán)境中找到，從受保護(hù)的控制柜內(nèi)部到工廠車間外部，再到遠(yuǎn)程室外安裝。

　　圖 1：多現(xiàn)場總線通信控制器位于現(xiàn)場層和控制層之間，促進(jìn)全面的工業(yè) 4.0 連接和通信。 (圖片來源：西門子)

　　多樣化的環(huán)境

　　環(huán)境多樣性要求設(shè)備具有從 IP20 到 IP67 的各種入口防護(hù) (IP) 等級。 IP 評級系統(tǒng)體現(xiàn)在國際電工委員會(huì) (IEC) 標(biāo)準(zhǔn) 60529 中，根據(jù)設(shè)備外殼提供防止灰塵和液體侵入的能力以及手指、工具接觸封閉系統(tǒng)危險(xiǎn)部件的難易程度對設(shè)備進(jìn)行評級，或各種尺寸的固體物體。 IP 代碼由兩位數(shù)字組成。第一個(gè)表示對固體物體的防護(hù)，評級范圍為 0(無防護(hù))到 6(無灰塵進(jìn)入)。第二位數(shù)字表示對液體的防護(hù)，等級從0(無防護(hù))到9(從不同角度防護(hù)高壓熱水)。

　　例如，IP20 等級的設(shè)備在控制柜內(nèi)或類似環(huán)境中非常有用。 2 表示可防止大于 12.5 毫米 (mm) 的顆粒(例如手指或類似物體)，0 表示無法防止進(jìn)水。

　　對于更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境，典型的 IP 等級包括 IP65、IP67 和 IP69K，其中 6 表示密封且完全防塵的外殼。這些 IP 等級提供不同的防水保護(hù)。

　　IP65 表示噴嘴(6.3 毫米)從任何方向向外殼噴射的水不會(huì)產(chǎn)生有害影響。

　　IP67 表示當(dāng)外殼浸入水中達(dá) 1 米 (m) 時(shí)，不可能出現(xiàn)有害量的水進(jìn)入。

　　IP69K 適用于道路車輛中使用的設(shè)備，適用于高壓、高溫沖洗。

　　多現(xiàn)場總線平臺(tái)

　　西門子的SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平臺(tái)和接口模塊可以通過同一電纜使用PROFINET、EtherNet/IP 和Modbus TCP 協(xié)議同時(shí)與多個(gè)控制器交換數(shù)據(jù)。通信協(xié)議均可通過軟件進(jìn)行配置，無需更改硬件。具有多現(xiàn)場總線的完整SIMATIC ET 200 I/O 平臺(tái)還包括用于控制柜的IP20 防護(hù)等級模塊、用于室內(nèi)機(jī)器的IP65 和IP67 模塊以及用于室外的IP69K 模塊(圖2)。

　　圖 2：SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平臺(tái)包括多個(gè)設(shè)備系列，可支持控制柜、室內(nèi)機(jī)器和室外的工業(yè) 4.0 安裝。 (圖片來源：西門子)

　　該系統(tǒng)可支持使用不同現(xiàn)場總線協(xié)議與多達(dá)六個(gè) PLC 同時(shí)通信。此外，還有用于 IO-Link、Profibus、點(diǎn)對點(diǎn) (PtP)、控制器局域網(wǎng) (CAN)、執(zhí)行器傳感器接口 (Asi)、數(shù)字可尋址照明接口 (DALI) 和數(shù)字多路復(fù)用器 DMX512 的模塊。標(biāo)準(zhǔn)和故障安全 I/O 可以在單個(gè)站上混合使用。

　　該系統(tǒng)的多功能和模塊化架構(gòu)支持大規(guī)模定制，這是工業(yè) 4.0 工廠的標(biāo)志。推入式端子支持快速接線，模塊可用于一系列功能，例如計(jì)數(shù)、能量監(jiān)控、電機(jī)啟動(dòng)器、位置輸入、伺服驅(qū)動(dòng)器、溫度傳感、基于時(shí)間的 I/O，甚至電動(dòng)汽車充電。許多模塊支持 PROFIenergy，這是一種 PROFINET 通信協(xié)議的配置文件，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的電源管理。

　　SIMATIC ET 200SP 是一個(gè)多功能、可擴(kuò)展的分布式 I/O 系統(tǒng)，具有多種模塊。例如，型號6ES71556MU000CN0是一款用于控制柜內(nèi)部的兩端口接口模塊(圖 3)，型號6ES71936BP000BA0是一款占用空間特別小的 SIMATIC ET 200SP 基本單元，設(shè)計(jì)用于安裝在機(jī)器旁邊的小型控制箱中。兩者均具有 IP20 防護(hù)等級，工作溫度范圍為 -30°C 至 +60°C。

　　圖 3：6ES71556MU000CN0 是一款用于控制柜內(nèi)部的兩端口接口模塊。 (圖片來源：西門子)

　　用于裝配線的耐振模塊

　　SIMATIC ET 200AL 已針對涉及自動(dòng)化和半自動(dòng)化裝配線等運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化(圖 4)。該模塊可以連續(xù)承受高達(dá) 5 g 的振動(dòng)，最大振動(dòng)可達(dá) 10 g。它們的防護(hù)等級為 IP65/67，工作溫度范圍為 -25°C 至 +55°C，其緊湊輕巧的設(shè)計(jì)適合機(jī)器上的分布式控制應(yīng)用。它們的模塊寬度為 30 毫米或 45 毫米，每個(gè)站最多支持 32 個(gè)模塊。這些模塊支持使用 M8 或 M12 連接器集成傳感器和執(zhí)行器，具體取決于模塊。它們還具有 PROFIenergy 功能。

　　圖 4：ET 200AL 模塊(右下角)針對涉及運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以連續(xù)處理高達(dá) 5 g 的振動(dòng)。 (圖片來源：西門子)

　　ET 200AL 模塊的示例包括：

　　6ES71415BF000BA0具有八個(gè)數(shù)字輸入和 M8 插座，用于連接接近傳感器和開關(guān)。它的尺寸為 30 毫米 x 159 毫米。

　　6ES71445KD500BA0具有八個(gè)模擬輸入和用于連接的 M12 插座?？蔀槊總€(gè)通道編程測量類型，包括電壓、電流(2 線和 4 線傳感器)、電阻(2 線和 3 線傳感器)以及電阻溫度計(jì)檢測器(2 線和 3 線連接)。它具有 16 位分辨率，尺寸為 30 毫米 x 159 毫米。

　　用于機(jī)器安裝的 IP65/67 級模塊

　　SIMATIC ET 200pro 模塊的防護(hù)等級為 IP65/67，設(shè)計(jì)用于直接安裝在控制柜外部的機(jī)器上。通過無線連接，這些模塊非常適合自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)、樓宇管理、倉庫物流和電動(dòng)單軌系統(tǒng)等應(yīng)用。該系列可熱插拔，包括中央處理單元 (CPU) 模塊、接口模塊、I/O 模塊和功能模塊。

　　ET 200pro 系列包括 IO-Link 和射頻識(shí)別 (RFID) 等一系列功能。電機(jī)啟動(dòng)器模塊可用于啟動(dòng)和保護(hù)高達(dá) 5.5 千瓦 (kW) 的電機(jī)和負(fù)載。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(yīng)電機(jī)的開環(huán)或閉環(huán)控制。6ES71444JF000AB0溫度測量模塊高度靈活，可進(jìn)行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，并且可以輸出攝氏溫度或華氏度。

　　適用于室外和危險(xiǎn)區(qū)域的機(jī)器安裝模塊

　　SIMATIC ET 200eco PN 模塊提供具有 IP65 和 IP67 防護(hù)等級的緊湊型塊 I/O，適合直接在機(jī)器上進(jìn)行無柜安裝。與所有 ET 200 模塊一樣，它們支持 PROFINET、以太網(wǎng)/IP 和 Modbus TCP。這些模塊采用完全密封的鋅壓鑄外殼，耐振動(dòng)、防塵、防油和防潮，適合戶外安裝。它們的工作溫度為 -40°C 至 +60°C。 ET 200eco PN 系列經(jīng)歐盟 (EU) 易爆環(huán)境 (ATEX) 指令批準(zhǔn)，可用于最高 2 區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域。

　　對于符合 IO-Link V1.1 規(guī)范的設(shè)備，如果需要更換設(shè)備，可以使用“自動(dòng)啟動(dòng)功能”自動(dòng)傳輸設(shè)備和主站參數(shù)，無需事先進(jìn)行任何配置。例如，模塊6ES71486JG000BB0可作為 IO-Link V1.1 主設(shè)備運(yùn)行，并包含 4 個(gè) A 類和 4 個(gè) B 類 IO-Link 端口的混合(圖 5)。根據(jù)參數(shù)分配，端口可以用作數(shù)字輸入或輸出。它的防護(hù)等級為 IP67 和 IP69K，支持三種傳輸速率：COM1 上的 4.8 kBd、COM2 上的 38.4 kBd 和 COM3 上的 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)

　　結(jié)論

　　部署工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，必須考慮多種通信接口和不同的操作環(huán)境。為了簡化工廠網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)人員可以使用西門子的SIMATIC ET 200 MultiFieldbus 平臺(tái)，通過同一電纜使用PROFINET、EtherNet/IP 和Modbus TCP 協(xié)議同時(shí)與最多六個(gè)PLC 交換數(shù)據(jù)