如何利用一根现场总线线缆同时传输多个以太网协议

来源：DigiKey
作者：Jeff Shepard

随着向工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 的转变日益加快，对数据收集和连接的需求应运而生，以便能够通过分析提高生产率和安全性。然而，在整个工厂内进行横向和纵向数据采集和传输非常复杂且成本高昂，涉及多个网络和恶劣环境的情况下尤甚。设计人员需要一种能高效设计、部署和管理工业网络的方法，使网络可以与来自不同供应商的多个可编程逻辑控制器 (PLC)、传感器和致动器交换数据，同时使用不同的协议和极少的布线。

要做到这一点，可以借助集成和优化的分布式输入/输出 (I/O) 平台，这种平台可利用一根以太网线缆处理多种协议。这类系统还能让工业网络运营商通过在单一 I/O 平台上实现标准化来简化服务要求并减少备件库存，而不管使用的是哪种 PLC。

本文简要回顾了工业 4.0 网络。随后介绍了 Siemens 的 I/O 平台，该平台可在恶劣环境中通过一根线缆连接多条以太网现场总线，并展示了如何借助该平台满足工业 4.0 设计人员的需求。

以太网协议

工业 4.0 部署有各种各样的通信需求。PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 这三种主要现场总线协议分别支持从工厂车间操作技术 (OT) 到信息技术 (IT) 等不同的使用案例。

PROFINET：这是一种确定性高性能协议，用于 PLC 等控制器与设备之间的数据交换。该协议适用于包括高速运动控制应用在内的实时和安全关键型功能。此外，其还用于集成 OT/IT 功能。

EtherNet/IP：使用标准以太网协议，易于与以太网设备配合使用。通用工业协议 (CIP) 针对工业自动化应用进行了优化，支持包括 EtherNet/IP 在内的网络技术。EtherNet/IP 还可用于从现场级到 IT 系统的数据交换。

Modbus TCP：这是一种基于 TCP/IP 的协议，适用于能耗和环境数据采集等非时间关键型功能，以及现场级与 IT 系统之间的数据交换。

鉴于这三种现场总线各有其特定的用途，因此三种现场总线缺一不可。这就带来了复杂的通信挑战，正因如此，MultiFieldbus 系统有了用武之地。MultiFieldbus 通信控制器位于现场级和控制级之间，通过一根网线同时与使用不同协议的多个控制器进行通信（图 1）。MultiFieldbus 设备遍布于各种环境，从受保护的控制柜内部到工厂车间外部，再到远程室外安装。


图 1：MultiFieldbus 通信控制器位于现场级和控制级之间，可支持全面的工业 4.0 连接和通信。（图片来源：Siemens）

多样化环境

环境的多样性要求设备具有从 IP20 到 IP67 的多种侵入防护 (IP) 等级。IP 防护等级系统包含在国际电工委员会 (IEC) 标准 60529 中，根据设备外壳防止灰尘和液体侵入的能力，以及手指、工具或各种尺寸的固体物进入封闭系统危险部件的难易程度进行评级。IP 代码由两位数组成。第一位数字表示对固体物的防护，防护等级从 0（无防护）到 6（无灰尘侵入）。第二位数字表示对液体的防护，防护等级从 0（无防护）到 9（不同角度的高压热水防护）。

例如，防护等级为 IP20 的设备可用于控制柜或类似环境。2 表示可防止大于 12.5 mm 的颗粒物（如手指或类似物体）进入，0 表示无进水防护。

对于更具挑战性的环境，典型的 IP 等级包括 IP65、IP67 和 IP69K，其中 6 表示外壳密封且完全防尘。这些 IP 防护等级可提供不同的防水保护。

· IP65 表示喷嘴 (6.3 mm) 从任何方向喷向外壳的水都不会产生有害影响。
· IP67 表示当外壳浸入最深 1 m 的水中时，渗入的水不会达到有害水量。
· IP69K 针对公路车辆上使用的设备，适用于高压、高温冲洗。

MultiFieldbus 平台

Siemens 的 SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平台和接口模块可通过同一根线缆与使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 协议的多台控制器同时交换数据。所有通信协议均可通过软件进行配置，无需更改硬件。使用 MultiFieldbus 的完整 SIMATIC ET 200 I/O 平台还包括用于控制柜的 IP20 防护等级模块、用于室内机器的 IP65 和 IP67 防护等级模块，以及用于室外的 IP69K 防护等级模块（图 2）。


图 2：SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平台包括多个设备系列，可支持在控制柜、室内机器和室外安装工业 4.0 系统。（图片来源：Siemens）

该系统可支持与最多 6 个使用不同现场总线协议的 PLC 同时进行通信。此外，还有用于 IO-Link、Profibus、点对点 (PtP)、控制器区域网络 (CAN)、致动器传感器接口 (Asi)、数字可寻址照明接口 (DALI) 和数字多路复用器 DMX512 的模块。标准和故障安全 I/O 可在单站上混合使用。

该系统的多功能和模块化结构支持大规模定制，这是工业 4.0 工厂的标志。插入式端子支持快速接线，各种模块可用于计数、能量监测、电机启动器、位置输入、伺服驱动、温度感应、基于时间的 I/O，甚至电动汽车充电等一系列功能。许多模块都支持 PROFIenergy，这是 PROFINET 通信协议的一个配置文件，支持工业自动化设备的电源管理。

SIMATIC ET 200SP 是一种多功能、可扩展的分布式 I/O 系统，具有多种模块。例如，型号 6ES71556MU000CN0 是一种用于控制柜内部的双端口接口模块（图 3），型号 6ES71936BP000BA0 是一种 SIMATIC ET 200SP 基本单元，基底面特别小，设计可安装在机器旁的小型控制箱中。两者的防护等级均为 IP20，工作温度范围为 -30°C 至 +60°C。


图 3：6ES71556MU000CN0 为双端口接口模块，可在控制柜内部使用。（图片来源：Siemens）

用于装配线的抗振模块

SIMATIC ET 200AL 针对自动和半自动装配线等涉及运动的应用场合进行了优化（图 4）。这些模块可持续承受高达 5 g 的振动，最大可承受 10 g。它们的防护等级为 IP65/67，工作温度范围为 -25°C 至 +55°C，设计小巧轻便，适合机器上的分布式控制应用。这些模块宽 30 mm 或 45 mm，每个站最多支持 32 个模块。它们支持使用 M8 或 M12 连接器（视模块而定）集成传感器和致动器。这些模块还具有 PROFIenergy 功能。


图 4：ET 200AL 模块（右下角）针对涉及运动的应用场合进行了优化，可持续承受高达 5 g 的振动。（图片来源：Siemens）

ET 200AL 模块的示例：

· 6ES71415BF000BA0 具有 8 个数字输入和 M8 插座，用于连接接近传感器和开关。该模块尺寸为 30 mm x 159 mm。
· 6ES71445KD500BA0 具有 8 个模拟输入和 M12 插座。可针对每个通道对测量类型进行编程，包括电压、电流（两线和四线传感器）、电阻（两线和三线传感器）和电阻温度计检测器（两线和三线连接）。该模块的分辨率为 16 位，尺寸为 30 mm x 159 mm。

用于机器安装的 IP65/67 防护等级模块

SIMATIC ET 200pro 模块防护等级为 IP65/67，设计可在控制柜外直接安装在机器上。这些模块带有无线连接，非常适合用于自动引导车辆系统、楼宇管理、仓储物流和电动单轨系统等应用。该系列可热插拔，包括中央处理器 (CPU) 模块、接口模块、I/O 模块和功能模块。

ET 200pro 系列包括一系列功能，如 IO-Link 和射频识别 (RFID)。电机启动器模块可用于启动和保护高达 5.5 kW 的电机和负载。另提供可支持安全完整性等级 (SIL) 3 的故障安全版本。变频器模块可用于感应电机的开环或闭环控制。6ES71444JF000AB0 温度测量模块高度灵活，可编程以使用一系列电阻温度检测器 (RTD)，包括 Pt100、PT200、PT500、Pt1000、NI100、NI200、NI500 和 NI1000，并可输出摄氏或华氏温度。

用于室外和危险区域的机器安装模块

SIMATIC ET 200eco PN 模块提供 IP65 和 IP67 防护等级的紧凑型模块式 I/O，适合直接在机器上进行无机柜安装。与所有 ET 200 模块一样，这些模块支持 PROFINET、Ethernet/IP 和 Modbus TCP。这些模块采用全密封锌压铸外壳，具有抗振、防尘、防油和防潮特性，适合室外安装。模块的工作温度为 -40°C 至 +60°C。ET 200eco PN 系列通过了欧盟 (EU) 防爆 (ATEX) 指令的认证，可用于 2 区以下的危险区域。

对于符合 IO-Link V1.1 规范的设备，如果需要更换设备，可使用“自动启动功能”自动传输设备和主站参数，而无需事先进行任何配置。例如，模块 6ES71486JG000BB0 可作为 IO-Link V1.1 主设备运行，包括 4 个 A 类和 4 个 B 类 IO-Link 端口（图 5）。这些端口可用作数字输入或输出，具体取决于参数分配。该模块的防护等级为 IP67 和 IP69K，支持三种传输速率：COM1 为 4.8 kBd，COM2 为 38.4 kBd，COM3 为 230.4 kBd。


图 5：SIMATIC ET 200eco PN 模块（左）和典型安装特写（右）（图片来源：Siemens）

总结

工业 4.0 网络部署工作非常复杂，必须考虑到多种通信接口和不同的运行环境。为了简化工厂网络，设计人员可以使用 Siemens 的 SIMATIC ET 200 MultiFieldbus 平台，通过同一根线缆与多达 6 个使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 协议的 PLC 同时交换数据。