為了實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 系統(tǒng)中支持精益生產(chǎn)的數(shù)據(jù)處理優(yōu)化，可以通過狀態(tài)監(jiān)測、預見性維護、整體設備效率 (OEE) 分析和跟蹤、診斷和故障排除來完成。常見的問題是，傳統(tǒng)設備要么沒有采用可以連接的設計，要么可能使用了多種通信協(xié)議中的某一種，使得替換所有設備需要高昂的成本。為了確保最高效率并獲得可操作的機器數(shù)據(jù)，在許多情況下，實施可以連接現(xiàn)有自動化島和傳統(tǒng)設備的疊加網(wǎng)絡將會更加簡單易行、經(jīng)濟實惠。

設計這樣的疊加網(wǎng)絡極具挑戰(zhàn)性。設計時需要這樣一種控制器，即能夠接收來自傳感器的和其他使用各種通信協(xié)議的設備的信號，并將這些信號合并成統(tǒng)一的可用數(shù)據(jù)流，然后將這些數(shù)據(jù)輸出到邊緣計算資源或云端。這種系統(tǒng)需要能夠直接連接傳感器、指示器和其他設備的適配器。需要使用轉(zhuǎn)換器來連接包括傳統(tǒng)設備在內(nèi)的之前不兼容的設備類型。

此外，為了確保運行可靠，需要使用濾波器來保護數(shù)據(jù)通信免受電噪聲和瞬變的影響。所有這些組件都應符合 IP65、IP67 和 IP68 級環(huán)境標準，以便在工業(yè)環(huán)境中運行，而且解決方案需要易于實施、經(jīng)濟實惠。

本文簡要討論了將傳統(tǒng)設備連接到 IIoT 時存在的問題。然后，介紹 Banner Engineering 的 Snap Signal 系列硬件和軟件工具的架構(gòu)，以及如何用于解決這些挑戰(zhàn)。本文以 Snap Signal 設備為例展開介紹，包括 DXMR90 控制器、相關的轉(zhuǎn)換器、適配器和濾波器，以及實施有線和無線邊緣計算或云連接時的應用注意事項。

將傳統(tǒng)設備與 IIoT 連接

許多工廠都早于 IIoT 和工業(yè) 4.0，通常不可能將所有的設備和機器互連成單一網(wǎng)絡，從而導致了自動化島。即使沒有被隔離在“孤島”上，傳統(tǒng)設備也難以互連，因為使用專有通信協(xié)議、非標準連接器和電纜以及其他因素會造成靈活性方面的問題。

Snap Signal IIoT 疊加網(wǎng)絡可提供一種快速、靈活、經(jīng)濟的方式，通過捕捉各種不兼容的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，將其轉(zhuǎn)換為易于分配的標準，并能夠發(fā)送至邊緣或云計算資源處進行分析和操作，從而連接傳統(tǒng)設備、自動化島（圖 1）。

圖 1：Snap Signal 疊加網(wǎng)絡提供了一種模塊化架構(gòu)，可將傳統(tǒng)設備、自動化島與邊緣或云計算資源連接。（Banner Engineering 提供圖片）

部署靈活可靠的 IIoT 疊加網(wǎng)絡需要以下幾個關鍵組件：

適配器——用于重新布線并將傳感器、指示器和其他設備的各種設備布線方案連接到疊加網(wǎng)絡使用的標準格式。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——用于將諸如傳統(tǒng)設備或者自動化島上的離散、模擬和各種數(shù)字格式等不兼容的格式轉(zhuǎn)換成標準諸如 IO-Link 或 Modbus 等標準協(xié)議，以實現(xiàn)集中化性能監(jiān)控。

濾波器——用于保護數(shù)據(jù)，避免在電氣噪聲的工業(yè)環(huán)境中受損，從而提高信號完整性和可靠性，減少故障排除要求。

可編程控制器——用于整合來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)并進行本地數(shù)據(jù)處理，以及提供將傳統(tǒng)設備和自動化島整合到 IIoT 中的連接。

有線或無線連接——用于將收集到的數(shù)據(jù)分發(fā)到邊緣計算資源和/或云端，如 Banner 的云數(shù)據(jù)服務 (CDS) 等，該服務提供數(shù)據(jù)可視化、判斷機器性能并發(fā)送電子郵件或文字警報，以支持機器的實時操作、維護和修理（圖 2）。

圖 2：可以通過有線或無線連接把整合后的數(shù)據(jù)發(fā)送至邊緣計算資源或云端，如 Banner 的 CDS（以上截圖）。（Banner Engineering 提供圖片）

用于整合多個數(shù)據(jù)流的控制器

可編程控制器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是設計疊加網(wǎng)絡的關鍵設備。Banner 的 DXMR90 工業(yè)控制器用作通信中樞，將來自多個 Modbus 端口的信號組合成使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進行轉(zhuǎn)發(fā)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)流。例如，DXMR90-X1 型器件包括四個 Modbus 主機，可支持與多達四個串行網(wǎng)絡進行并行通信（圖 3）。

圖 3：DXMR90 器件上方的端口包括一個可配置 Modbus 端口 0（左側(cè)）、Modbus 主端口（1 至 4，位于下方），用于 RS-485 和輸入電源的可配置Modbus 端口 0/PW（右上方），以及一個 D 編碼型以太網(wǎng)端口（右下方）。（Banner Engineering 提供圖片）

DXMR90 是一款高度集成的通信控制器，其特點如下：

能夠與一系列 Modbus 設備一起工作，將 Modbus RTU 轉(zhuǎn)換為 Modbus TCP/IP、以太網(wǎng) I/P 或 Profinet。

四個獨立的 Modbus 主端口，可以連接從設備，無需手動向設備分配地址。

本地控制以及與以下各項的連接功能：

Modbus/TCP、Modbus RTU、以太網(wǎng)/IP 和 Profinet、自動化協(xié)議

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，包括 RESTful API 和 MQTT，以及來自 AWS 的網(wǎng)絡服務等

電子郵件直接通知

具有預定義操作規(guī)則的內(nèi)部邏輯控制器，也可使用 MicroPython 或 ScriptBasic 對其進行編程。

IP65、IP67 和 IP68 級外殼簡化了工業(yè)環(huán)境中的部署。

通過用戶可編程 LED 燈實現(xiàn)了快速狀態(tài)指示。

有線以太網(wǎng)電纜或支持手機的 DXM 控制器可用于連接數(shù)據(jù)庫，如 Banner 的 CDS。

用轉(zhuǎn)換器連接 IIoT 網(wǎng)絡中的設備

需要高效率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力，將傳統(tǒng)設備和自動化島融合到疊加網(wǎng)絡中。為實現(xiàn)這一功能，設計人員可以使用 Banner 的 小型插入式 S15C 系列直插轉(zhuǎn)換器，將各種格式的狀態(tài)監(jiān)測和過程傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 IO-Link 數(shù)據(jù)（圖 4）。例如，S15C-MGN-KQ 是一款 Modbus 主機到 IO-Link 設備的轉(zhuǎn)換器，用戶可將其配置為最多讀取 60 個寄存器，最多寫入 15 個寄存器，且預定義 Modbus 寄存器自動通過 IO-Link 發(fā)送。

圖 4：S15C 系列直插式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以將包括離散、模擬和其他信號在內(nèi)的各類型信號轉(zhuǎn)換為工業(yè)協(xié)議，如 Modbus、IO-Link、PWM 和 PFM 等。（Banner Engineering 提供圖片）

S15C 轉(zhuǎn)換器的直徑為 15 mm，具有 IP68 級包塑外殼和 M12 連接，采用與所連接設備相同的電源。使用 S15C 轉(zhuǎn)換器可消除 IO-Link 的 20 m 通信限制，因為這類轉(zhuǎn)換器可安裝在 Modbus 鏈路末端，靠近 IO-Link 主機。

S15C 系列轉(zhuǎn)換器包括以下八個型號：

六個 Modbus 到 IO-Link 轉(zhuǎn)換器，與 Banner 的 Modbus 傳感器系列一起使用，包括超聲波、測量光幕、溫度/濕度、振動/溫度和 GPS。此外，還有一個通用轉(zhuǎn)換器，可以通過配置使大多數(shù) Modbus 設備被部署為 IO-Link 設備。

兩個模擬傳感器型號，用于將 0 - 10 VDC 或 4 - 20 mA 信號轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字值，并作為 IO-Link 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

連接適配器和濾波器，完成網(wǎng)絡連接

除了控制器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器外，設計人員還需要連接適配器、噪聲濾波器，以便快速部署靈活、經(jīng)濟的疊加網(wǎng)絡。如 Banner 的 S15A-F14325-M14325-Q 等直插式接線適配器可以直接連接傳感器、指示器或其他設備，并根據(jù)需要改變接線和隔離信號，以滿足特定的應用需求（圖 5）。這些接線適配器分為標準和定制配置版本。

圖 5：S15A-F14325-M14325-Q 等 S15A 適配器使用 M12 連接，便于安裝，并可根據(jù)需要重新布線，以符合特定的應用要求。（Banner Engineering 提供圖片）

如 S15F-L-4000-Q 之類的 S15F 直插式濾波器也是疊加網(wǎng)絡中的重要器件（圖 6）。這種濾波器可以輕松消除可能對網(wǎng)絡性能產(chǎn)生不利影響的電氣噪聲和瞬態(tài)電壓問題。與 S15A 適配器和 S15C 轉(zhuǎn)換器一樣，這種過濾器采用 M12 連接和符合 IP65、IP67 和 IP68 標準的包塑配置封裝。安裝 S15F 直插式濾波器可以改善信號完整性，減少對網(wǎng)絡故障排除的需求。

圖 6：如 S15F-L-4000-Q 之類的 S15F 直插式濾波器可立即用于保護設備免受電噪聲和瞬態(tài)干擾的影響，其 M12 連接方式使其可方便地安裝在網(wǎng)絡中任何需要的位置。（Banner Engineering 提供圖片）

Snap Signal 網(wǎng)絡的設計和部署

Snap Signal 疊加網(wǎng)絡的設計和部署從識別需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)源開始。然后，需要確定是否添加新傳感器或指示器，以補充現(xiàn)有設備。Snap Signal 網(wǎng)絡的設計步驟包括：

使用 Banner 系統(tǒng)圖方法來識別、選擇特定裝置所需的 Snap Signal 元器件。

規(guī)劃最佳的布線路徑，包括在待監(jiān)測設備和 DXMR90 控制器之間放置 T 型連接器和濾波器。

確定該裝置是否需要使用有線以太網(wǎng)連接用于本地數(shù)據(jù)消耗，或使用邊緣網(wǎng)關設備以無線方式連接云平臺。

Snap Signal 是一種真正的疊加網(wǎng)絡，不需要替換任何現(xiàn)有硬件。模塊化的即插即用 Snap Signal 架構(gòu)讓安裝變得簡單易行：

安裝新的傳感器或其他設備，并在每個需要監(jiān)測的設備上增加分路電纜，以保持與機器控制機構(gòu)之間的現(xiàn)有連接，同時也為疊加網(wǎng)絡提供第二條路徑。

安裝相應的的直插式信號轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)需要添加 T 型連接器、濾波器和其他網(wǎng)絡接線，以完成網(wǎng)絡和 DXMR90 控制器連接。

使用 ScriptBasic 或 MicroPython 編程和/或嵌入式動作規(guī)則，對 DXMR90 進行編程，以創(chuàng)建自定義檢測和控制序列。

使用以太網(wǎng)連接將 DXMR90 與邊緣計算資源連接，或者連接支持蜂窩網(wǎng)絡的 DXM 控制器，以實現(xiàn)云連接。

結(jié)語

疊加 IIoT 網(wǎng)絡能夠滿足設計人員將傳統(tǒng)設備和自動化島連接到工業(yè)網(wǎng)絡的需求，從而收集可操作數(shù)據(jù)，以支持現(xiàn)有工廠提高生產(chǎn)力。此類疊加網(wǎng)絡的設計和實施過程復雜，但如圖所示，使用 Banner Engineering 的拓撲結(jié)構(gòu)和 Snap Signal 線路可以大大簡化這個過程。該線路包括 DXMR90 工業(yè)控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、布線適配器、濾波器和其他實現(xiàn) IIoT 疊加網(wǎng)絡并將其分配到邊緣計算資源或云端所需的元器件。Snap Signal 網(wǎng)絡架構(gòu)的模塊化、可編程且靈活的設計支持增加新設備，并能保障未來安裝。

審核編輯 黃宇