作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

通信協議對于支持工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT) 網絡中的實時數據傳輸和控制非常重要。傳感器、執行器、電機驅動器和控制器都有各自特定的通信需求。“全能型”通信協議并不存在。

雖然沒有一種協議能滿足每種應用的需求，但不同設備之間通常需要連接。傳感器必須與控制器相連，控制器必須與使用不同協議（如 IO-Link、Modbus 和多種形式的以太網）的各種系統元件相連。

很多情況下，整個機器需要連接到云。這就導致通信架構復雜，協議繁多。為了應對這一挑戰，機器設計人員可以采用多協議輸入/輸出 (I/O) 主設備、集線器和轉換器。

本文首先回顧了常見的工業 4.0 通信協議及其在網絡層次結構中的位置。然后介紹了一系列來自 [Banner Engineering] 的 I/O 主設備、集線器和轉換器，并探討了這些器件的工作方式，以及它們如何支持復雜的工業 4.0 和 IIoT 通信架構。

什么是 OSI 七層模型？

網絡通信協議通常以開放系統互連 (OSI) 七層模型為背景進行描述。該模型首先有三個介質層，處理硬件方面的問題，如物理連接、數據鏈路連接和網絡連接。

接下來三層重點用于數據尋址，包括傳輸、會話和呈現過程。

模型的第七層是應用層，提供用戶與網絡之間的接口。Modbus 和 PROFINET 等協議都位于這一層。OSI 模型與 EtherNet/IP 等其他協議的關系更為松散。

就 EtherNet/IP 而言，應用層包括網絡訪問 (HTTP)、電子郵件 (SMTP)、文件傳輸 (FTP) 等過程。三個主機層執行傳輸控制協議/互聯網協議 (TCP/IP) 過程，用于建立會話、糾錯等。介質層包括物理 10 Base-T 連接，以及以太網數據鏈路和網絡連接的實現（圖 1）。

圖 1：EtherNet/IP 與 OSI 七層模型的關系。（圖片來源：Banner Engineering）

IO-Link 適合用在哪里？

IO-Link 是一種單滴數字通信接口 (SDCI)，適用于小型傳感器、執行器和類似設備，能夠將雙向通信擴展到工廠車間的各個設備。該協議符合 IEC 61131-9 標準，設計可與基于 Modbus、PROFIBUS、EtherNet/IP 等的工業網絡架構兼容。

IO-Link 使用主設備將 IO-Link 設備連接到更高層次的協議（如 Modbus），后者提供與可編程邏輯控制器 (PLC)、人機界面 (HMI)、云數據服務 (CDS) 等數據消耗設備的連接。在最底層，IO-Link 使用集線器匯集多個設備，并將數據向上饋送至主設備。此外，還可以使用 IO-Link 轉換器的模擬電壓將模擬傳感器添加到 IO-Link 網絡中（圖 2）。

圖 2：IO-Link 轉換器、集線器和主設備可從現場設備收集數據，并將其推送至 PLC、HMI 和 CDS 等數據消費者。（圖片來源：Banner Engineering）

為什么將 IO-Link 與其他協議相結合？

大規模定制和靈活的生產流程是工業 4.0 的顯著特征。將 IO-Link 與其他協議相結合，可提高工業 4.0 工廠的靈活性和多功能性。IO-Link 的優點包括：

• Modbus 對模擬設備（如某些傳感器）的支持有限，而 IO-Link 則同時兼容數字和模擬設備。
• 使用同時支持 IO-Link 和更高層協議（如 Modbus TCP 或 EtherNet/IP）的網關，可提高工廠自動化和擴展能力，并可在現場級傳感器網絡和工業網絡通信主干網之間發揮橋梁作用。
• IO-Link 為所有傳感器提供統一標準化配置流程以提高運行效率，使用相同型號的傳感器時，也能利用 IO-Link 自動更換有缺陷的傳感器。
• 憑借 IO-Link 的數據收集和通信功能，更能掌握各個傳感器以及分散傳感器網絡的運行情況，并可加快將數據傳輸到 PLC 和云的速度。

如何將 Modbus 和 IO-Link 相結合？

首先要考慮的一種工具是混合 I/O Modbus 集線器，如 8 端口雙模轉 Modbus 的 [R95C-8B21-MQ。] 這款離散雙模轉 Modbus 集線器將兩個離散通道分別連接至 8 個不同的端口，使得能夠通過 Modbus 寄存器對這些端口進行監控和配置。

混合 I/O Modbus 集線器配有 4 個可配置的模擬輸入（電壓或電流）和 4 個模擬輸出，以及 8 個可配置的 PNP（拉電流）或 NPN（灌電流）離散輸入和輸出，從而提高應用靈活性。

[DXMR90-X1] 工業控制器可用作 IIoT 解決方案的平臺。這款控制器可以整合多個來源的數據，以便進行本地數據處理和訪問。DXMR90 包含單獨的 Modbus 客戶端，支持與多達 5 個獨立串行網絡同時通信。

DXMR90-X1 包括一個母頭 M12 D-Code 以太網連接器和四個用于 Modbus 主設備連接的 M12 母接頭。其他 DXMR90 型號配有兩個母頭 M12 D-Code 以太網連接器和四個用于 Modbus 客戶端連接的 M12 母接頭；或者配有一個母頭 M12 D-Code 以太網連接器和四個用于 IO-Link 主設備連接的 M12 母頭連接器。

所有 DXMR90 控制器還包括一個用于輸入電源和 Modbus RS-485 的 M12 公頭（端口 0）和一個用于菊花鏈端口 0 信號的 M12 母頭。DXMR90-X1 的其他特性包括（圖 3）：

• 將 Modbus RTU 轉換為 Modbus TCP/IP、EtherNet/IP 或 Profinet
• 內部邏輯可由操作規則驅動以便于編程，或以 MicroPython 和 ScriptBasic 驅動，用于開發更復雜的解決方案
• 支持互聯網協議，包括 RESTful 和 MQTT
• 非常適合 IIoT 數據分析、狀態監測、預測性維護、整體設備效率 (OEE) 分析、診斷和故障排除

圖 3：DXMR90-X1 控制器可與 R95C 混合 I/O Modbus 集線器配合使用。（圖片來源：Banner Engineering）

什么是多協議支持？

[DXMR110-8K] 8 端口 IO-Link 主設備是一款結構緊湊的多協議智能控制器，可整合、處理和分發來自多個來源的 IO-link 和離散數據。接頭包括：

• 兩個母頭 M12 D-Code 以太網連接器，用于菊花鏈和與上一層控制系統的通信
• 8 個 M12 母接頭，用于連接 IO-Link 設備
• 一個 M12 公頭，用于輸入電源，一個 M12 母頭，用于菊花鏈供電

DXMR110 支持云連接，并具有高級編程功能。ScriptBasic 和操作規則編程可用于創建和實施自定義腳本與邏輯，以優化自動化過程。

DXMR110 具有內部處理能力，可用于將數據處理向邊緣轉移，從而最大限度減少對控制柜中硬件的需求，并且不需要在 PLC 上使用 I/O 卡。集成式云連接支持從世界任何地方訪問數據。最后，采用 IP67 外殼，無需使用控制柜，從而簡化了在任何地點的安裝（圖 4）。

圖 4：DXMR110-8K 8 端口 IO-Link 主設備是一種多協議智能控制器。（圖片來源：Banner Engineering）

更多選擇

上面介紹的設備并不是實施多協議工業通信解決方案的唯一選擇。機器設計人員可以使用 Banner Engineering 的一系列[遠程 I/O 模塊] 來優化系統設計、空間效率和性能。

Banner 提供的直插式轉換器和主設備采用包塑設計，符合 IP65、IP67 和 IP68 的防護等級 (IP) 要求。[R45C 系列] 直插式轉換器和主設備提供了一個網關，采用 Modbus RTU 協議將 IO-Link 設備連接到 IIoT 網絡或系統控制器。[R45C-2K-MQ] 型號可將兩個 IO-Link 設備連接到一個 Modbus RTU 接口。

需要模擬信號時，設計人員可以使用 [R45C-MII-IIQ] Modbus 雙模擬直插式 I/O 轉換器。功能包括：

• 模擬輸入。轉換器接收到模擬輸入時，會將輸入值的數字表示發送到相應的 Modbus 寄存器。該寄存器可接受 0 至 11,000 mV 或 0 至 24,000 μA 的模擬輸入。
• 模擬輸出。轉換器輸出與數字輸入相對應的模擬值。模擬輸出范圍為 0 至 11,000 mV 或 0 至 24,000 μA。
• 還可以檢測和處理超出有效范圍 (POVR) 的過程數據值，由轉換器向系統發送信號。

當需要將單個模擬輸入轉換為 IO-Link 信號時，設計人員可以使用 [S15C-I-KQ。] 這款圓柱形模擬電流轉 IO-Link 轉換器可連接 4 至 20 mA 電流源，并將相應值輸出至 IO-Link 主設備。

Banner 提供各種 Modbus RTU I/O 模塊，支持連接到 Modbus 或 IO-Link 網絡的多個模擬和離散設備的連接。這些模塊可以混合或配對使用，以支持靈活的系統設計以及互操作性（圖 5）。

圖 5：用于 IO-Link 集成的 Banner 遠程 I/O 解決方案的外形尺寸和配置示例。（圖片來源：DigiKey）

能否集成無線協議？

Banner 的 Sure Cross DSX80 Performance 無線 I/O 網絡解決方案可實現無線連接。其既可獨立使用，也可通過 Modbus 或個人計算機或平板電腦連接到 PLC 主機。基礎系統架構包括一個網關和一個或多個節點（圖 6）。

圖 6：Banner 的 Sure Cross DSX80 Performance 無線 I/O 網絡解決方案包括一個網關和一個或多個傳感器節點。（圖片來源：Banner Engineering）

實施 Sure Cross DX80 Performance 無線網絡涉及三個要素：網絡拓撲結構、主從設備關系和時分多址 (TDMA) 架構。

使用星形拓撲結構時，主設備與每個節點保持單獨的連接。如果節點與主設備之間的連接失敗，與其他節點的連接不會受到影響。

諸如 [DX80G2M6-QC] 之類的網關是主設備，負責發起與從設備的所有通信。使用 Modbus RTU RS-485 連接的網關充當 Modbus RTU 主控制器的從設備。單個無線網絡可包括多達 47 個從節點。

從設備可以是無線節點，如 [DX80N9Q45DT] 雙熱敏電阻溫度傳感器節點、[DX80N9Q45PS150G] 壓力傳感器節點或振動和濕度傳感器。

從設備無法發起與網關的通信，相互之間也無法通信。可添加諸如 [DX80SR9M-H] 等串行數據無線電，以擴大網絡覆蓋范圍，從而適應物理尺寸較大的設施。

TDMA 是保障穩固連接與最低能耗的關鍵。網關中的 TDMA 控制器為每個節點分配特定的數據收發時間。網關的設備 ID 始終為 0。節點可使用設備 ID 1 到 47 按任意順序編號。

為各個節點設置特定的通信時間，可消除節點之間發生沖突的可能性，從而提高效率。這樣還能讓節點在通信間歇期進入低功耗狀態，只在指定時間喚醒。在兩次傳輸之間關閉無線電可節省電力，延長電池供電節點的續航時間。

結語

要支持工業 4.0 和 IIoT 網絡的高效運行，必須接入多種通信協議，如 IO-Link、Modbus、EtherNet/IP 等。Banner Engineering 為設計人員提供各種外形尺寸的 IO-Link 集線器、轉換器和主設備，以支持優化的通信解決方案。

審核編輯 黃宇