作者：Jeff Shepard

　　向工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 的加速转变带来了对数据收集和连接的需求，从而实现分析以提高生产力和安全性。然而，整个工厂的水平和垂直数据收集和传输可能非常复杂且成本高昂，特别是在涉及多个网络和恶劣环境的情况下。设计人员需要一种有效设计、部署和管理工业网络的方法，该网络可以与来自不同供应商的多个可编程逻辑控制器 (PLC)、传感器和执行器交换数据，同时使用不同的协议和最少的布线。

　　这可以通过使用集成且优化的分布式输入/输出 (I/O) 平台来实现，该平台可以通过单根以太网电缆处理多种协议。这样的系统还使工业网络运营商能够通过在单一 I/O 平台上进行标准化来简化服务要求并减少备件库存，而无论使用何种 PLC。

　　本文简要回顾了工业 4.0 网络。然后介绍了西门子的 I/O 平台，该平台可在恶劣环境下通过单根电缆容纳多个以太网现场总线，并展示如何使用该平台来满足工业 4.0 设计人员的需求。

　　以太网协议

　　工业 4.0 部署有多种通信需求。 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 三种主要现场总线协议均支持从工厂车间的操作技术 (OT) 到信息技术 (IT) 的不同用例。

　　PROFINET：这是一种确定性高性能协议，用于 PLC 等控制器和设备之间的数据交换。它适用于实时和安全关键功能，包括高速运动控制应用。它还用于集成 OT/IT 功能。

　　EtherNet/IP：使用标准以太网协议，可以轻松使用以太网设备实现。通用工业协议 (CIP) 针对工业自动化应用进行了优化，并支持包括 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，适用于能源消耗和环境数据收集等非时间关键功能，以及现场级与 IT 系统之间的数据交换。

　　鉴于三种现场总线中的每一种都有特定用途，因此三种现场总线都是必需的。这就带来了复杂的通信挑战，这正是 MultiFieldbus 系统发挥作用的地方。MultiFieldbus 通信控制器位于现场层和控制层之间，通过一根网络电缆使用不同的协议同时与多个控制器进行通信(图 1)。多现场总线设备可以在各种环境中找到，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：多现场总线通信控制器位于现场层和控制层之间，促进全面的工业 4.0 连接和通信。 (图片来源：西门子)

　　多样化的环境

　　环境多样性要求设备具有从 IP20 到 IP67 的各种入口防护 (IP) 等级。 IP 评级系统体现在国际电工委员会 (IEC) 标准 60529 中，根据设备外壳提供防止灰尘和液体侵入的能力以及手指、工具接触封闭系统危险部件的难易程度对设备进行评级，或各种尺寸的固体物体。 IP 代码由两位数字组成。第一个表示对固体物体的防护，评级范围为 0(无防护)到 6(无灰尘进入)。第二位数字表示对液体的防护，等级从0(无防护)到9(从不同角度防护高压热水)。

　　例如，IP20 等级的设备在控制柜内或类似环境中非常有用。 2 表示可防止大于 12.5 毫米 (mm) 的颗粒(例如手指或类似物体)，0 表示无法防止进水。

　　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 表示密封且完全防尘的外壳。这些 IP 等级提供不同的防水保护。

　　IP65 表示喷嘴(6.3 毫米)从任何方向向外壳喷射的水不会产生有害影响。

　　IP67 表示当外壳浸入水中达 1 米 (m) 时，不可能出现有害量的水进入。

　　IP69K 适用于道路车辆中使用的设备，适用于高压、高温冲洗。

　　多现场总线平台

　　西门子的SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平台和接口模块可以通过同一电缆使用PROFINET、EtherNet/IP 和Modbus TCP 协议同时与多个控制器交换数据。通信协议均可通过软件进行配置，无需更改硬件。具有多现场总线的完整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 模块以及用于室外的IP69K 模块(图2)。

　　图 2：SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平台包括多个设备系列，可支持控制柜、室内机器和室外的工业 4.0 安装。 (图片来源：西门子)

　　该系统可支持使用不同现场总线协议与多达六个 PLC 同时通信。此外，还有用于 IO-Link、Profibus、点对点 (PtP)、控制器局域网 (CAN)、执行器传感器接口 (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 可以在单个站上混合使用。

　　该系统的多功能和模块化架构支持大规模定制，这是工业 4.0 工厂的标志。推入式端子支持快速接线，模块可用于一系列功能，例如计数、能量监控、电机启动器、位置输入、伺服驱动器、温度传感、基于时间的 I/O，甚至电动汽车充电。许多模块支持 PROFIenergy，这是一种 PROFINET 通信协议的配置文件，可实现工业自动化设备中的电源管理。

　　SIMATIC ET 200SP 是一个多功能、可扩展的分布式 I/O 系统，具有多种模块。例如，型号6ES71556MU000CN0是一款用于控制柜内部的两端口接口模块(图 3)，型号6ES71936BP000BA0是一款占用空间特别小的 SIMATIC ET 200SP 基本单元，设计用于安装在机器旁边的小型控制箱中。两者均具有 IP20 防护等级，工作温度范围为 -30°C 至 +60°C。

　　图 3：6ES71556MU000CN0 是一款用于控制柜内部的两端口接口模块。 (图片来源：西门子)

　　用于装配线的耐振模块

　　SIMATIC ET 200AL 已针对涉及自动化和半自动化装配线等运动的应用进行了优化(图 4)。该模块可以连续承受高达 5 g 的振动，最大振动可达 10 g。它们的防护等级为 IP65/67，工作温度范围为 -25°C 至 +55°C，其紧凑轻巧的设计适合机器上的分布式控制应用。它们的模块宽度为 30 毫米或 45 毫米，每个站最多支持 32 个模块。这些模块支持使用 M8 或 M12 连接器集成传感器和执行器，具体取决于模块。它们还具有 PROFIenergy 功能。

　　图 4：ET 200AL 模块(右下角)针对涉及运动的应用进行了优化，可以连续处理高达 5 g 的振动。 (图片来源：西门子)

　　ET 200AL 模块的示例包括：

　　6ES71415BF000BA0具有八个数字输入和 M8 插座，用于连接接近传感器和开关。它的尺寸为 30 毫米 x 159 毫米。

　　6ES71445KD500BA0具有八个模拟输入和用于连接的 M12 插座。可为每个通道编程测量类型，包括电压、电流(2 线和 4 线传感器)、电阻(2 线和 3 线传感器)以及电阻温度计检测器(2 线和 3 线连接)。它具有 16 位分辨率，尺寸为 30 毫米 x 159 毫米。

　　用于机器安装的 IP65/67 级模块

　　SIMATIC ET 200pro 模块的防护等级为 IP65/67，设计用于直接安装在控制柜外部的机器上。通过无线连接，这些模块非常适合自动引导车辆系统、楼宇管理、仓库物流和电动单轨系统等应用。该系列可热插拔，包括中央处理单元 (CPU) 模块、接口模块、I/O 模块和功能模块。

　　ET 200pro 系列包括 IO-Link 和射频识别 (RFID) 等一系列功能。电机启动器模块可用于启动和保护高达 5.5 千瓦 (kW) 的电机和负载。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，可进行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，并且可以输出摄氏温度或华氏度。

　　适用于室外和危险区域的机器安装模块

　　SIMATIC ET 200eco PN 模块提供具有 IP65 和 IP67 防护等级的紧凑型块 I/O，适合直接在机器上进行无柜安装。与所有 ET 200 模块一样，它们支持 PROFINET、以太网/IP 和 Modbus TCP。这些模块采用完全密封的锌压铸外壳，耐振动、防尘、防油和防潮，适合户外安装。它们的工作温度为 -40°C 至 +60°C。 ET 200eco PN 系列经欧盟 (EU) 易爆环境 (ATEX) 指令批准，可用于最高 2 区的危险区域。

　　对于符合 IO-Link V1.1 规范的设备，如果需要更换设备，可以使用“自动启动功能”自动传输设备和主站参数，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，并包含 4 个 A 类和 4 个 B 类 IO-Link 端口的混合(图 5)。根据参数分配，端口可以用作数字输入或输出。它的防护等级为 IP67 和 IP69K，支持三种传输速率：COM1 上的 4.8 kBd、COM2 上的 38.4 kBd 和 COM3 上的 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)

　　结论

　　部署工业 4.0 网络是一项复杂的工作，必须考虑多种通信接口和不同的操作环境。为了简化工厂网络，设计人员可以使用西门子的SIMATIC ET 200 MultiFieldbus 平台，通过同一电缆使用PROFINET、EtherNet/IP 和Modbus TCP 协议同时与最多六个PLC 交换数据