本文概述工业乙太网路和现代化工业通讯协定在提高工厂生产力和效率方面的优势，说明工业闸道器如何以轻松快速的方式，在传统基础设施和乙太网路主干之间进行桥接。并以工业闸道器为范例，说明如何运用。

随着工业4.0和工业物联网（IIoT）逐渐发展，工厂也跟着转型。在其他大规模自动化功能中，工业4.0为厂区带来广泛的机器对机器通讯（M2M）。这带来更多数据收集和分析的机会，可藉此提高生产力和效率。

虽然M2M近年来一直加速发展，但并非新技术，一直都是工厂数位化的环节之一，采用的历史可追溯到几十年前。现代化的有线和无线M2M技术，如工业乙太网路和Wi-Fi，在运作上相当顺畅且有效率，但悠久的历史也意味着存有许多传统网路。此类网路采用的技术较旧，例如可编程逻辑控制器（PLC），就会透过采用序列数据技术（如RS-232和 RS-485）的有线网路传输数据。

但工厂管理人员也因此面临两难的困境。保留旧款通讯系统意味着错过工业4.0带来的生产力优势，但升级工厂引进工业乙太网路，既昂贵也会造成中断。更糟的是，不少老旧机器往往是由PLC控制，这些PLC的世代与较新的工业乙太网路通讯协定（如Ethernet/IP和ModbusTCP）并不相容。然而，这些机器可能还有许多年的使用寿命。工业闸道器可以在传统基础设施和乙太网路主干之间进行桥接，藉此提供符合成本效益的临时解决方案。

本文将概述工业乙太网路和现代化工业通讯协定在提高工厂生产力和效率方面的优势。接着会说明工业闸道器如何以轻松快速的方式，在传统基础设施和乙太网路主干之间进行桥接。本文介绍 Weidmuller 的两个工业闸道器范例，并说明如何运用，以便将采用RS-232/RS-485序列数据技术的PLC连接到Ethernet/IP主干。

工业自动化的脉络

工厂的数位化是在1969年PLC发明後才真正展开。PLC是连续执行单一程式的专用电脑。PLC的关键优势之一，就是在程式的执行上几??即时且高度可重复。此外价格也相对便宜，又耐用可靠。有个很好的例子就是Siemens的SIPLUS装置，搭载RS-485 序列介面。

在工厂自动化早期，制造商会使用RS-232将PLC连接到中央监控系统。这个有线的序列数据链路，最大输送量最多只有几百 Kbit/s。使用接地电压表示数字「0」，并以±3至15 V 表示数字「1」。後来，RS-422和RS-485使用双绞线电缆上的差动讯号，将有线通讯提升到更高水准。此系统能让一个控制器监控多达32个PLC，并在长达1,200 m的距离内提供高达10 Mbit/s的数据传输率。

需要注意的是，RS-232和RS-485是规范实体层（PHY）的标准，并未规范通讯协定。在工业自动化领域，已经有制订几种通讯协定可在RS-232或RS-485 PHY上运作。范例包括Modbus 远端终端单元（RTU）、Modbus美国资讯交换标准代码（ASCII）、DF1 通用工业协定（CIP）、DF1可编程控制器通讯命令（PCCC）、点对点介面协定 （PPI）、DirectNET、辅助处理通讯模组（CCM）和HostLink。这些协定经过许多PLC 厂商开发和支援。

PLC已证实能以可靠耐用且灵活的方式，将自动化引进厂区，RS-485及其相关的工业协定，可提供低廉且容易安装的网路技术。如今，PLC通常用於控制整条组装线，且绝大多数的工业自动化都会用上几种PLC。上千款的工厂自动化装置都以历史悠久的RS-232 和 RS-485网路为基础运作。

乙太网路进入工厂

自世纪交替以来，乙太网路已经为现代化的工厂网路提供最容易取用且经过实证的解决方案。这是最广泛使用的有线网路选项，且具有庞大的厂商支援。乙太网路通常会使用 TCP/IP（网际网路协定（IP）套装的一部分）进行路由和传输，以确保云端互通性，但这个能力已远远超出RS-232和RS-485技术的范围。

「工业乙太网路」是指针对工厂用途而改良的乙太网路系统。这种系统的特点在於坚固耐用的硬体和工业标准软体。工业乙太网路是经过实证且成熟的工厂自动化技术，能让远端监控器轻松存取制造厂区的驱动器、PLC和I/O装置。基础设施通常会使用线型或环状拓扑，因为有助於缩短电缆布线 （减轻电磁干扰（EMI）的影响）、降低延迟并且建立一定程度的备援。

标准乙太网路的通讯机制容易出现中断和封包遗失，这会增加延迟，因此不适合快速移动和同步生产线近??即时的需求。这种环境需要确定性的通讯协定，以确保无论网路上的负载有多高，机器指令每次都可准时抵达。

为了克服这项挑战，工业乙太网路硬体需要客制化的软体相辅相成。有几种经过验证的工业乙太网路路协定可供选择，包括Ethernet/IP、ModbusTCP与PROFINET。全都可用於确保工业自动化应用可达到高度确定性。

标准乙太网路由实体层、数据链路层、网路层和传输层组成（使用TCP/IP或UDP/IP进行传输），可视为一种提供效率、速度和多功能性的通讯机制。相较之下，工业乙太网路协定（如PROFINET）则使用工业乙太网路堆叠的应用层（图一）。

图一 : 此为工业乙太网路软体堆叠。工业乙太网路协定，如PROFINET等，皆在应用层运作。（source：PROFINET）

通往工业4.0的大门

将传统的RS-232和RS-485工厂自动化系统更新为工业乙太网路，对设计人员来说是艰钜的任务。一间大型工厂可能有数千个PLC和数十公里的布线。系统汰旧换新所需的成本与带来的中断，对许多公司来说是不可行的。然而，若不升级，生产设施就无法享受工业乙太网路承诺带来的生产力提升优势。

有个可限制成本和中断的策略就是集中采用工业乙太网路主干，同时保留传统的序列汇流排、PLC和机器。之後要更换机器或在工厂内新添机器时，就可指定采用能与乙太网路主干互通的款式。如此一来，工厂就能逐步更新到最新的通讯标准，而不会发生生产中断或重大的现金流问题。

然而，这种策略会在RS-232/RS-485和工业乙太网路网路之间造成不连续性。这种不连续性可以透过工业闸道器通讯装置，如Weidmuller的7940124932或7940124933来衔接。每个闸道器都是单一解决方案，能以符合成本效益的方式运用不同的协定，在PLC和周边装置之间传输数据，无需添加布线或使用多个闸道器。

Weidmuller的这些闸道器提供两个乙太网路埠，以及两个或四个序列埠。可支援高达10 Mbit/s的EtherNet/IP、EtherNet/IP-PCCC、ModbusTCP和S7comm（Siemens 工业乙太网路协定）。乙太网路埠可接受8针RJ45连接器。在序列端，闸道器可以处理 Modbus RTU、Modbus ASCII、DF1-CIP、DF1-PCCC、PPI、DirectNET、CCM和 HostLink 序列协定。

请注意，虽然序列支援是针对RS-232/RS-485标准提供，但闸道器的序列输入则是透过乙太网路样式的8针RJ45连接器达成，而非RS-232/RS-485类型。这些闸道器可与 Automation Direct、GE、Rockwell Automation、Schneider和Siemens的PLC互通。闸道器可以采用DIN轨道安装，并使用12至24 V输入在0。至55。C的温度范围内工作。

透过浏览器配置後，Weidmuller闸道无需其他设备即可将序列数据（以支援的RS-232/RS-485序列协定之一进行格式化）传输到支援的工业乙太网路协定之一，反之亦然。数据能以任意组合进出任意埠，无需编辑任何PLC代码。

开始使用工业闸道器

若要配置Weidmuller闸道器，只需将装置连接到乙太网路交换机，然後将PC??入交换机的另一端（图四）。完成後，闸道器就可连接12至24 V电源。接着可利用PC，透过浏览器视窗中出现的主闸道器对话方块进行登入。对话方块可简化工业乙太网路网路的设定，也可在闸道器上添加乙太网路和序列网路装置。最後，闸道器的序列埠会设置成与相连之控制器的序列埠配置匹配。

图二 : 工业闸道器的设置包括将装置连接到乙太网路交换机和电源，然後将PC连接到交换机，再透过浏览器配置闸道器。（source：Weidmuller）

闸道器之所以能在使用不同协定的装置之间进行通讯，关键在於使用「标签」数据。闸道器可在连接的不同装置之间传输标签数据。

标签是现代化PLC编程时的关键。这些标签名称会分配给储存在PLC记忆体中的各类型变数。标签名称的一些范例，包括：#DATETIME、HEARTBEAT与Switch_Group1_IP。标签会储存在标签资料库中的PLC记忆体中。

在此标签资料库中，所有功能区块（如继电器、计时器和计数器）和程式变数（如名为 「Transmitter_ RF_ Mute_Timer」的计时器值），以及其他所有物件都会储存成标签变数并且附加属性，如初始值、浮点、字串、整数、布尔值（开／关）、ASCII文本、独立输入和独立输出等。此标签作法能以更有效率的方式达到更复杂的程式设计，但与其他结构化程式设计语言一样，开发人员都要在程式中使用之前，先分配变数标签以及数据类型。数据阵列也可以在标签资料库中定义。

开发人员必须要针对连接到闸道器的每个PLC，指定要从中读取数据的标签，以及要写入数据的标签。首先要将各个PLC的标签连接到闸道器，以便编程到闸道器中，才可在网路中进行通讯。

使用透过乙太网路交换机连接到闸道器的PC就可完成此工作。在配置浏览器视窗中选择「添加标签」图示，就会出现对话方块，开发人员就可在此指定标签名称、数据类型、位址和其他必要的相关资讯。还可汇入 .csv档案中的标签，藉此加速作业（图三）。

图三 : 使用PLC标签属性对Weidmuller闸道器进行编程的对话方块。标签名称会分配给储存在 PLC记忆体中的任何类型变数。（source：Weidmuller）

输入所有连接装置的标签後，下一步便是建立「标签对应图」。标签对应图能让闸道器读取来源PLC暂存器中的数据，并将其写入正确的目标装置。暂存器中的数据实际上就是有效的通讯酬载。来源标签的酬载会利用来源PLC协定进行撷取，然後传送到闸道器记忆体，以便使用目标装置的协定传输到目标标签。来源和目标标签是否都采用相同的数据类型并不重要。

接着会再次透过连接乙太网路交换机的 PC，利用「添加标签对应图」图示建立标签对应图，就会出现「标签对应图编辑器」对话方块（图四）。连接网路的每个PLC都需要自备标签对应图。在对话方块中，选取目标装置，并将要当作数据来源的每个标签「对应」到数据目标。然後对所有连接的装置重复此过程。

图四 : 标签对应图编辑器能针对每个连接的PLC，将各个标签数据来源对应到数据目标。对所有连接的装置重复此过程。（source：Weidmuller）

流程的最後一步就是启动标记对应图，对网路装置上托管的来源和目标标签，启动两者之间的通讯。PC上有标签对应图检视器，可检查来源数据是否正确传输到正确的目标。

结论

工业4.0可增进制造业的生产力和效率，但需要新的工业乙太网路基础设施，安装成本不仅高昂且会造成营运中断。如本文所述，工业闸道器可衔接起既有的RS-232/RS-485网路与逐步导入的工业乙太网路基础设施，藉此达到工业4.0的分阶段引进。透过这些解决方案，设备和网路就可在数月或数年内逐步升级，并将中断降至最低。

（本文作者Barley Li为DigiKey Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理）