如何在不停工的情况下将传统工厂自动化系统与工业 4.0 相连接

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美编辑

随着工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 的发展，工厂正在发生着巨大转变。除其他大规模自动化功能外，工业 4.0 还为车间带来了广泛的机器对机器通信 (M2M) 。这就为更多的数据收集和数据分析创造了机会，从而提高生产力和生产效率。

虽然近年来 M2M 的发展速度不断加快，但它并非新生事物，早在几十年前就已成为工厂数字化的一部分。诸如工业以太网和 Wi-Fi 等现代的有线和无线 M2M 技术，既精简又高效，但这一悠久的历史意味着仍有许多传统网络存在。此类网络使用可编程逻辑控制器 (PLC) 等陈旧技术，通过有线网络传输数据，采用 RS-232 和 RS-485 等串行数据技术。

这让工厂经理们进退两难。保留旧通信系统意味着错失工业 4.0 带来的生产效益，但为了引入工业以太网而进行工厂升级既昂贵又会造成停工。更糟糕的是，许多老式机器通常由新一代 PLC 控制，这些 PLC 与如 Ethernet/IP 和 ModbusTCP 等较新的工业以太网协议不兼容，而且这些机器可能还有多年的使用寿命。工业网关可以在传统基础设施和以太网主干网之间架起桥梁，成为一种经济高效的临时解决方案。

本文将简要介绍工业以太网网络和现代工业协议在提高工厂的生产力和效率方面的优势。然后，介绍工业网关如何为传统基础设施和以太网主干网提供快速、简便的桥接方案。本文将以 [Weidmüller] 的两个工业网关为例进行介绍，说明如何使用这种网关将运行 RS-232/RS-485 串行数据技术的 PLC 连接到以太网/IP 主干网。

工业自动化简史

工厂数字化始于 1969 年 PLC 的发明。PLC 是一种连续运行单一程序的专用计算机。PLC 的主要优势是其几乎可以实时地、高度可重复地执行程序。此外，PLC 相对经济实惠、性能可靠和坚固耐用。例如，Siemens [SIPLUS] 设备就是一款很好的产品，且采用 RS-485 串行接口（图 1）。

图 1：PLC 是工厂自动化的支柱，价格低廉、性能可靠且坚固耐用。（图片来源：Siemens）

在工厂自动化的早期，制造商使用 RS-232 将 PLC 与中央监控系统连接。这是一种有线串行数据链路，最大吞吐量为数百 Kbits/s。该数据链路用接地电压表示数字“0”，用 ±3 V 至 15 V 电压表示数字“1”。后来，RS-422 和 RS-485 利用双绞线上的差分信号将有线通信提升到了更高的水平。这些系统允许一个控制器监控多达 32 个 PLC，且数据传输速率高达 10 Mbits/s，传输距离长达 1,200 m。

值得注意的是，RS-232 和 RS-485 是用来指定物理层 (PHY) 的标准，并不指定通信协议。在工业自动化领域，已经开发出多种可在 RS-232 或 RS-485 PHY 上运行的协议。例如，Modbus 远程终端单元 (RTU) 、Modbus 美国信息交换标准代码 (ASCII) 、DF1 通用工业协议 (CIP) 、DF1 可编程控制器通信命令 (PCCC) 、点对点接口协议 (PPI) 、DirectNET、协同处理通信模块 (CCM) 和 HostLink。许多 PLC 制造商都开发并支持这些协议。

事实证明，PLC 是一种将自动化带入车间的稳定、可靠和灵活的方式，而 RS-485 及其相关工业协议则提供了一种价格低廉、安装简单的网络技术。如今，PLC 通常用于控制整条装配线，大多数工业自动化都使用某种类型的 PLC。成千上万的工厂自动化装置都是基于传统的 RS-232 和 RS-485 网络。

以太网进入工厂

然而，自本世纪初以来，以太网成为现代工厂网络的最便捷、最成熟的解决方案。以太网是使用最广泛的有线网络，得到了供应商的广泛支持。以太网通常使用 TCP/IP（互联网协议 (IP) 套装的一部分）进行路由选择和传输，从而确保云计算的互操作性，这种能力远超 RS-232 和 RS-485 技术。

“工业以太网”描述了适合工厂使用的以太网系统。这些系统的特点是坚固耐用的硬件、工业级软件。工业以太网是一种成熟的工厂自动化技术，可让远程监控人员轻松访问生产车间的驱动器、PLC 和 I/O 设备。基础设施通常采用线型或环型拓扑结构，因为这些结构有利于缩短电缆长度（减少电磁干扰 (EMI) 的影响）、减少延迟并建立一定的冗余。

标准以太网的通信机制容易中断和丢失数据包，从而增加延迟，不适合快速移动和同步生产线近乎实时的要求。这样的环境需要一个确定的协议，以保证机器指令每次都能准时到达，无论网络负荷有多大。

为了满足这一挑战性要求，可用定制软件来辅助工业以太网硬件。目前有几个成熟的工业以太网协议，包括 Ethernet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。每个协议都是旨在确保工业自动化应用的高确定性。

标准以太网包括 PHY、数据链路、网络和传输层（使用 TCP/IP 或 UDP/IP 作为传输协议），可以看作是一种能提高效率、加快速度的多功能通信机制。相反，诸如 PROFINET 等工业以太网协议使用工业以太网堆栈的应用层（图 2）。

图 2：所示为工业以太网软件栈。PROFINET 等工业以太网协议位于应用层运行。（图片来源：PROFINET）

如需详细了解，请参见[ 使用基于工业以太网的电源和数据网络设计坚固耐用的物联网应用 ]

通向工业 4.0 的门户

对于设计人员来说，将传统的 RS-232 和 RS-485 工厂自动化系统升级为工业以太网是一项艰巨的任务。一座大型工厂可能有数千台 PLC 和数十公里长的线路。对于许多公司来说，拆掉旧系统更换新系统所造成的成本增加和停工是无法接受的。然而，如果不进行升级，将无法利用工业以太网来提高生产设施的生产力。

在保留传统串行总线、PLC 和机器的同时，采用工业以太网主干网，是限制成本和避免停工的一种策略。然后，当工厂更换或增加新机器时，可以指定这些机器与以太网主干网之间的互操作性。这样，就可以将工厂逐步更新到最新的通信标准，而不会出现停工或重大现金流问题。

但是，此类策略会造成 RS-232/RS-485 和工业以太网网络之间的不连续性。Weidmüller 的 [7940124932] 或 [7940124933]（图 3）等工业网关通信设备可弥补这种不连续性。每个网关都是一种单独的解决方案，是一种高效经济的方法，能够使用不同的协议在 PLC 和外围设备之间移动数据，而无需增加布线或增加多个网关。

Weidmüller 的这类网关提供两个以太网端口和两个或四个串行端口，其代表型号分别为 7940124932 型和 7940124933 型产品。这些产品支持 EtherNet/IP、EtherNet/IP-PCCC、ModbusTCP 和 S7comm（Siemens 工业以太网协议），传输速率高达 10 Mbits/s。以太网端口采用 8 针 RJ45 连接器。在串行方面，这些网关可处理 Modbus RTU、Modbus ASCII、DF1-CIP、DF1-PCCC、PPI、DirectNET、CCM 和 HostLink 串行协议。请注意，虽然串行支持 RS-232/RS-485 标准，但网关的串行输入是通过以太网式 8 针 RJ45 连接器实现的，而不是 RS-232/RS-485 型连接器。网关可与 Automation Direct、GE、Rockwell Automation、Schneider 和 Siemens 的 PLC 实现互操作。网关可采用 DIN 导轨安装，使用 12 V 至 24 V 输入电压，工作温度范围为 0˚C 至 55˚C。

图 3：7940124933 工业网关通信设备在工业以太网和多达四个的 RS-232/RS-485 串行网络之间架起了一座桥梁。7940124932 版本支持两个串行端口。（图片来源：Weidmüller）

在浏览器中进行配置后，Weidmüller 网关无需其他设备，即可将针对所支持的某个 RS-232/RS-485 串行协议而经过格式化的串行数据传输到所支持的某个工业以太网协议中，反之亦然。无需编辑任何 PLC 代码，就能以任意组合方式将数据传输到任何端口或从任何端口传输数据。

开始使用工业网关

配置 Weidmüller 网关只需将设备连接以太网交换机，然后将个人电脑插入交换机的另一端即可（图 4）。完成后，就可将网关连接 12 V 至 24 V 电源。然后，就可以使用个人电脑通过浏览器登录，此时会出现网关主对话框。对话框简化了工业以太网网络的设置，也简化了向网关添加以太网和串行网络设备的过程。最后，网关串行端口的设置要与所连接控制器的串行端口的配置相匹配。

图 4：工业网关的设置包括将设备与以太网交换机和电源连接，然后将 PC 与交换机连接，并通过浏览器配置网关。（图片来源：Weidmüller）

网关之所以能在使用不同协议的设备之间进行通信，关键在于使用了“标签”数据。通过网关，可以在不同的连接设备之间移动标签数据。

标签是现代 PLC 编程的关键。标签是分配给存储在 PLC 内存中任何类型变量的名称。例如，有的标签名称为“#DATETIME”、“HEARTBEAT”和“Switch_Group1_IP”。标签存储在 PLC 内存的标签数据库中。

在标签数据库中，所有功能块（如继电器、定时器和计数器）、程序变量（如名为“Transmitter_ RF_Mute_Timer”的定时器值）以及所有其他对象都存储为标签变量，其属性包括初始值、浮点数、字符串、整数、布尔型（开/关）、ASCII 文本、离散输入和离散输出。使用标签法可以更有效地进行较复杂的编程，但也要求（与其他结构化编程语言一样）开发人员在程序中使用变量之前，预先指定变量标签和数据类型。数据阵列也可以在标签数据库中定义。

对于连接网关的每个 PLC，开发人员必须指定数据的读取标签和写入标签。这首先需要将连接网关的每个 PLC 的标签编程到网关中，然后网关才能使用这些标签进行跨网络通信。

该操作通过以太网交换机连接到网关的 PC 完成。在浏览器的配置窗口中选择“添加标签”图标后，会激活一个对话框，开发人员可以此对话框中指定标签名称、数据类型、地址和其他相关信息（如果需要）。也可以通过从 .csv 文件导入标签来加快速度（图 5）。

图 5：使用 PLC 标签属性对 Weidmüller 网关进行编程的对话框。标签是分配给存储在 PLC 内存中任何类型变量的名称。（图片来源：Weidmüller）

输入所有连接设备的标签后，下一步就是创建“标签图”。标签映射使网关能够读取源 PLC 寄存器中的数据，并将其写入正确的目标设备。寄存器中的数据实际上就是有效的通信载荷。有效载荷通过源 PLC 协议从源标签中提取，然后通过目标设备协议传输到网关存储器，再传输到目标标签。源标签和目标标签的数据类型是否相同并不重要。

通过“添加标签映射”图标，与以太网交换机连接的电脑将启动标签映射编辑器对话框（图 6），再次创建标签映射。每个与网络连接的 PLC 都需要有自己的标签图。在对话框中，选择目标设备，并将用作数据源的每个标签“映射”到数据目标。然后，对所有连接的设备重复这一过程。

图 6：对于每个连接的 PLC，标签映射编辑器可将每个标签数据源映射到一个数据目标。对所有连接的设备重复此过程。（图片来源：Weidmüller）

该过程的最后一步是激活标签映射，启动网络设备上的源标签和目标标签之间的通信。通过电脑上的标签映射查看器，可以检查正确的源数据是否被发送至正确的目标。

结语

工业 4.0 提高了制造业的生产力和效率。然而，这需要新的工业以太网基础设施，但安装成本高昂且需要停工。综上所述，工业网关可弥合现有 RS-232/RS-485 网络与工业以太网基础设施之间的差距，从而实现工业 4.0 分阶段引入。利用这些解决方案，可以在数月或数年内逐步升级设备和网络，并将停工时间降至最少。