如何使用一條現場匯流排纜線同時支援多個乙太網路協定

業界加速轉型至工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT)，對資料收集和連接的需求持續上升，可藉由數據分析提升生產效率和安全性。不過，在整個工廠進行水平和垂直資料收集和傳輸作業，可能會非常複雜且昂貴，尤其是在涉及多個網路和惡劣環境時。設計人員需要達到高效率的設計、部署和管理，以確保工業網路不僅能夠與不同供應商的多個可編程邏輯控制器 (PLC)、感測器和致動器交換資料，同時還能使用不同協定，並最大程度減少佈線需求。

這可透過能以單一乙太網路纜線處理多種協定的整合式最佳化分佈式輸入／輸出 (I/O) 平台達成。這類系統有助於工業網路業者在單一 I/O 平台上達到標準化、簡化服務需求並減少備用零件庫存，而無需考慮使用哪種 PLC。

本文首先概述工業 4.0 網路，接著介紹 Siemens 的 I/O 平台如何在嚴苛的環境下透過一條纜線納入多個乙太網路現場匯流排。此外，本文還闡述如何使用此平台滿足工業 4.0 設計人員的需求。

乙太網路協定

工業 4.0 的部署涉及多種通訊需求。PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP 是三種主流的現場匯流排協定，每種都可以支援不同的使用案例，包括廠區的操作技術 (OT) 以及資訊技術 (IT) 等。

PROFINET：此協定穩定可靠且具有極高的效能，可用於 PLC 等控制器和裝置之間的資料交換。此協定非常適合達到高速動作控制應用等，要求極高安全性的即時功能。此外，也適合用於整合 OT/IT 功能。

EtherNet/IP：此協定採用標準乙太網路協定，因此可輕鬆實作於乙太網路裝置中。通用工業協定 (CIP) 是一種針對工業自動化應用進行最佳化的協定，可以支援包括 EtherNet/IP 在內的網路技術。另外，EtherNet/IP 也可用於從現場層級到 IT 系統的資料交換。

Modbus TCP：此協定是一種基於 TCP/IP 的協定，非常適合對時間要求不嚴苛的功能，例如能耗和環境資料收集，以及現場層級和 IT 系統之間的資料交換等。

鑑於這三種現場匯流排都有各自的特定用途，因此每一種協定都有存在的價值。但這也會隨之增加通訊的難度，這時 MultiFieldbus 系統就有了用武之地。MultiFieldbus 通訊控制器位於現場層級和控制層級之間，能夠在一條網路纜線上使用不同的協定，與多個控制器同時進行通訊 (圖 1)。MultiFieldbus 裝置可以在各種環境下使用，例如受保護的控制櫃內部、廠區外部以及遠端戶外安裝等。

圖 1：MultiFieldbus 通訊控制器位於現場層級和控制層級之間，可促進建立工業 4.0 的全面連線和通訊。(圖片來源：Siemens)

多樣化的環境

多樣化的環境要求裝置具備從 IP20 到 IP67 等不同侵入防護 (IP) 等級。IP 評等系統已納入國際電工委員會 (IEC) 的 60529 標準中，根據裝置外殼的防塵和防液體侵入能力，以及手指、工具或各種大小的實體物件能否接觸到封閉式系統的危險零件的難易程度進行評等。IP 代碼由兩位數字組成。第一個數字表示對固體物體的保護等級，從 0 (無保護) 到 6 (無灰塵進入)。第二個數字表示對液體的保護等級，從 0 (無保護) 到 9 (從不同角度防止高壓熱水進入)。

例如，IP20 等級的裝置非常適合用於控制櫃或類似環境。2 表示可以防止大於 12.5 mm 的顆粒 (如手指或類似物體) 進入，而 0 表示沒有防水保護。

對於更具挑戰性的環境，典型的 IP 防護等級包括 IP65、IP67 和 IP69K，其中 6 表示完全防塵的密封外殼。這些 IP 防護等級可提供不同的防水保護。

• IP65 表示噴嘴 (6.3 mm) 從任何方向噴向外殼上的水，不會造成不良影響。
• IP67 表示當外殼浸入低於 1 m 高的水中時，不會因進入的水量而造成損傷。
• IP69K 適用於道路車輛內使用的設備，能夠承受高壓、高溫的沖洗。

MultiFieldbus 平台

Siemens 的 SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平台及其介面模組可同時透過同一條纜線，與多個使用 PROFINET、EtherNet/IP 及 Modbus TCP 協定的控制器交換資料。所有通訊協定均可透過軟體進行設定，無需更改硬體。配備 MultiFieldbus 功能的全套 SIMATIC ET 200 I/O 平台還包括適用於控制櫃的 IP20 等級模組；適用於室內機器的 IP65 和 IP67 模組，以及適用於戶外的 IP69K 模組 (圖 2)。

圖 2：SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus 平台包含多個裝置系列，能夠支援工業 4.0 的控制櫃、室內機器和戶外安裝。(圖片：Siemens)

此系統能夠與使用不同現場匯流排協定 (最多六個) 的 PLC 同時進行通訊。此外，系統還提供支援 IO-Link、Profibus、點對點 (PtP)、控制器區域網路 (CAN)、致動器感測器介面 (Asi)、數位可定址照明介面 (DALI) 以及數位多工器 DMX512 的模組。使用者可以在一個站點上組合使用標準和故障防護 I/O。

此系統採用多功能和模組化架構，有助於使用者達到大規模客製化，這也是工業 4.0 工廠的特色之一。其直插式端子可支援快速接線，同時提供多個模組達到各種功能，如計數、能源監控、啟動馬達、輸入位置、驅動伺服器、感應溫度、基於時間的 I/O，甚至電動車充電等。許多模組都支援基於 PROFINET 通訊協定的 PROFIenergy 技術，可達到工業自動化裝置的電源管理。

SIMATIC ET 200SP 是一款功能豐富且可擴充的分佈式 I/O 系統，具備多種模組。例如，6ES71556MU000CN0 型號是一款雙埠型介面模組，適用於內部控制櫃 (圖 3)，而 6ES71936BP000BA0 型號則是 SIMATIC ET 200SP 的基礎單元，其覆蓋區非常小，專為安裝在機器旁的小型控制櫃所設計。這兩款型號均具有 IP20 等級，工作溫度範圍為 -30°C 至 +60°C。

圖 3：6ES71556MU000CN0 是一款適用於控制機櫃內部的雙埠型介面模組。(圖片來源：Siemens)

適用於組裝線的耐振模組

SIMATIC ET 200AL 針對涉及動作的應用進行最佳化，如自動化和半自動化組裝線 (圖 4)。這些模組可以連續處理高達 5 g 的振動，最大可達 10 g。具有 IP65/67 等級，工作溫度範圍為 -25°C 至 +55°C，其小型輕便的設計，適合用於機器上的分散式控制應用。模組寬度為 30 mm 或 45 mm，每個站點最多可支援 32 個模組。這些模組支援以 M8 或 M12 連接器整合感測器和致動器，依模組型號而定。此外，模組還具有 PROFIenergy 功能。

圖 4：ET 200AL 模組 (右下角) 針對涉及動作的應用進行最佳化，可連續處理高達 5 g 的振動。(圖片來源：Siemens)

ET 200AL 模組型號包括：

• 6ES71415BF000BA0：此模組具有八個數位輸入與 M8 插槽，可用於連接接近感測器與開關。尺寸為 30 mm x 159 mm。
• 6ES71445KD500BA0：此模組具有八個類比輸入與 M12 插槽，可用於建立連接。使用者可以為每個通道設定測量類型，包括電壓、電流 (2 線和 4 線傳感器)、電阻 (2 線和 3 線傳感器) 以及電阻溫度計偵測器 (2 線和 3 線連接)。此模組的解析度為 16 位元，尺寸為 30 mm x 159 mm。

適用於機器安裝的 IP65/67 模組

SIMATIC ET 200pro 模組的防護等級為 IP65/67，是專為直接安裝於機器控制櫃外部而設計。這些模組採用無線連線，非常適合用於自動導引車系統、大樓管理、倉庫物流和電動單軌系統等應用。此系列產品支援熱抽換，含有中央處理器 (CPU) 模組、介面模組、I/O 模組和功能模組。

ET 200pro 系列具有 IO-Link 和射頻識別 (RFID) 等一系列功能。馬達啟動器模組可用於啟動並保護高達 5.5 kW 的馬達和負載。此模組提供故障防護版本，可支援安全完整性等級 (SIL) 3。頻率轉換器模組可用於感應馬達的開迴路或封閉迴路控制。6ES71444JF000AB0 溫度測量模組具有高度靈活性，可透過編程方式使用各種電阻溫度偵測器 (RTD)，包括 Pt100、PT200、PT500、Pt1000、NI100、NI200、NI500 和 NI1000，也可輸出攝氏或華氏度數。

適用於戶外和危險區域的機器安裝模組

SIMATIC ET 200eco PN 模組提供具有 IP65 和 IP67 等級的小型區塊 I/O，適合直接以無櫃方式安裝於機器上。與所有 ET 200 模組一樣，此產品也支援 PROFINET、Ethernet/IP 及 Modbus TCP 協定。這些模組採用完全密封的鋅壓鑄外殼設計，能夠抵抗振動、防塵、防油和防潮，因此非常適合戶外安裝。其工作溫度範圍為 -40°C 至 +60 °C。ET 200eco PN 系列已通過歐盟 (EU) 大氣爆炸物 (ATEX) 指令認證，可以安全應用於 2 類以下的危險區域。

裝置若符合 IO-Link V1.1 規範，在更換裝置的過程中，可以使用「自動啟動功能」來自動傳輸裝置和主控元件的參數，而無需預先設定。例如，6ES71486JG000BB0 模組可以用作 IO-Link V1.1 主控元件裝置並能提供 4 個 A 類和 4 個 B 類 IO-Link 連接埠 (圖 5)。這些連接埠可以根據所分配的參數，用作數位輸入或輸出。此模組的防護等級為 IP67 和 IP69K，並支援三種傳輸速率：COM1 為 4.8 kBd，COM2 為 38.4 kBd，COM3 為 230.4 kBd。

圖 5：SIMATIC ET 200eco PN 模組 (左) 和典型安裝特寫 (右) (圖片來源：Siemens)

結論

部署工業 4.0 網路是一項複雜的作業，需要考慮到眾多的通訊介面和不同的操作環境。為了簡化工廠網路，設計人員可以使用 Siemens 的 SIMATIC ET 200 MultiFieldbus 平台，透過同一條纜線使用 PROFINET、EtherNet/IP 和 Modbus TCP 等協定，同時與多達六個 PLC 交換資料。

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