利用多協定 I/O 集線器與轉換器，使工業 4.0 通訊架構盡善盡美

通訊協定對支援工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT) 網路的即時資料傳輸與控制十分重要。感測器、致動器、馬達驅動器和控制器各有特定的通訊需求，因此不存在「一體適用」的通訊協定。

雖然無任何協定能滿足所有應用的要求，但通常需連結不同的元件。感測器必須連結至控制器，控制器則必須連接許多採用不同協定的系統元件，例如 IO-Link、Modbus 及其他多種乙太網路協定。

許多情況下，整部機器都需要連接雲端，這導致通訊架構相當複雜、使用的通訊協定不計其數。為因應這項挑戰，機器設計人員可改用多協定輸入／輸出 (I/O) 主控元件、集線器和轉換器。

本文會先探討常見的工業 4.0 通訊協定，以及這些協定在網路階層中的功用。接著介紹 Banner Engineering 一系列 I/O 主控元件、集線器和轉換器，並探討其運作方式及如何讓複雜的工業 4.0 和 IIoT 通訊架構事半功倍。

什麼是 OSI 七層模型？

網路通訊協定通常是以開放系統互連 (OSI) 七層模型作為描述背景。模型前三層是媒體層，處理硬體考量層面，例如實體、資料鏈路和網路連接。

後三層以資料定址為主體，包括傳輸、工作階段與表現流程。

模型第七層是應用層，在使用者與網路之間提供介面。Modbus 和 PROFINET 等協定即位於該層。OSI 模型與 EtherNet/IP 等其他協定的關聯性較低。

就 EtherNet/IP 而言，應用層包含網路存取 (HTTP)、電子郵件 (SMTP)、檔案傳輸 (FTP) 等流程。三個主機層實作了傳輸控制協定／網際網路協定 (TCP/IP) 流程，以建立工作階段和修正錯誤等。媒體層包含實體 10 Base-T 連接，以及乙太網路資料鏈路與網路連接的實作 (圖 1)。

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

IO-Link 的功用為何？

IO-Link 是適用於小型感測器、致動器和其他類似元件的單點數位通訊介面 (SDCI)。此介面將雙向通訊向下擴展到廠區的個別元件。IO-Link 指定於 IEC 61131-9 標準中，與採用 Modbus、PROFIBUS、EtherNet/IP 等協定的工業網路架構相容。

IO-Link 利用主控元件將 IO-Link 元件連接到 Modbus 等高階協定，這些協定幫助連至許多耗用資料的元件，例如可編程邏輯控制器 (PLC)、人機介面 (HMI)、雲端資料服務 (CDS) 等。最底層部分，IO-Link 以集線器匯集多個元件，並將資料向上饋送至主控元件。此外，也能利用 IO-Link 轉換器接收的類比電壓，在 IO-Link 網路中加入類比感測器 (圖 2)。

圖 2：IO-Link 轉換器、集線器和主控元件能從現場元件收集資料，並將資料推送到 PLC、HMI 和 CDS 等資料耗用型元件。(圖片來源：Banner Engineering)

IO-Link 為何還要結合其他協定？

大量客製化和彈性的生產流程是工業 4.0 的顯著特徵。結合 IO-Link 與其他協定能為工業 4.0 的工廠增添彈性和功能性。IO-Link 的優點包括：

• Modbus 對類比元件 (例如某些感測器) 的支援有限，IO-Link 則能和數位元件及類比元件相容。
• 支援 IO-Link 和 Modbus TCP 或 EtherNet/IP 等高階協定的閘道器可促進工廠自動化程度並擴大工廠規模，並可作為現場層級感測器網路和工業網路通訊中樞之間的橋樑。
• IO-Link 為所有感測器提供統一標準化配置流程以提高運作效率，使用相同型號的感測器時，也能利用 IO-Link 自動更換有瑕疵的感測器。
• IO-Link 的資料收集和通訊功能，深入呈現個別感測器及離散感測器網路的運作情形，並讓資料更快上傳到 PLC 和雲端。

如何結合 Modbus 和 IO-Link 呢？

首要考量工具包括混合式 I/O Modbus 集線器，像是 8 連接埠雙模對 Modbus R95C-8B21-MQ。這款離散式雙模對 Modbus 集線器，將兩個離散通道連接到八個唯一連接埠，使人能透過 Modbus 暫存器監控和配置這些連接埠。

混合式 I/O Modbus 集線器配有四個可設定的類比輸入 (電壓或電流) 和四個類比輸出，以及八個可設定的 PNP (流出) 或 NPN (流入) 離散式輸入與輸出，以提高應用的彈性。

DXMR90-X1 工業控制器可作為 IIoT 解決方案的平台。此產品能將許多來源的資料合併，以便進行本機資料處理和存取。DXMR90 包含個別的 Modbus 用戶端，可同時與最多五個獨立的序列網路進行通訊。

DXMR90-X1 包含一個母端 M12 D-Code 乙太網路連接器，和四個用於 Modbus 主控元件連接的母端 M12 連接器。其他 DXMR90 型號配有兩個母端 M12 D-Code 乙太網路連接器，和四個用於 Modbus 用戶端連接的母端 M12 連接器，或配有一個母端 M12 D-Code 乙太網路連接器，和四個用於 IO-Link 主控元件連接的母端 M12 連接器。

此外，所有 DXMR90 控制器包含一個用於輸入電源和 Modbus RS-485 的公端 M12 (連接埠 0)，和一個用於連接埠 0 訊號菊鏈串接的母端 M12 連接器。DXMR90-X1 還有以下特點 (圖 3)：

• 將 Modbus RTU 轉換為 Modbus TCP/IP、EtherNet/IP 或 Profinet
• 內部邏輯可由作動規則驅動以便於編程，或以 MicroPython 和 ScriptBasic 驅動，用於開發更複雜的解決方案
• 支援網際網路協定，包括 RESTful 和 MQTT
• 非常適合用於 IIoT 資料分析、狀況監測、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 控制器能搭配 R95C 混合式 I/O Modbus 集線器。(圖片來源：Banner Engineering)

什麼是多協定支援？

DXMR110-8K 8 連接埠 IO-Link 主控元件是一種小型多協定智慧控制器，可整合、處理、分配來自多個來源的 IO-Link 和離散資料。連接器包括：

• 兩個母端 M12 D-Code 乙太網路連接器 - 用於菊鏈串接及與高階控制系統的通訊
• 八個用於 IO-Link 元件的母端 M12 連接器
• 一個用於輸入電源的公端 M12 連接器，和一個用於電源菊鏈串接的母端 M12 連接器

DXMR110 支援雲端連線並具有進階編程功能。ScriptBasic 和作動規則編程可用於建立和實作自訂式指令碼和邏輯，以達到最佳自動化流程。

DXMR110 的內部處理能力可用於將資料處理作業轉移到邊緣處，如此一來，控制櫃中的硬體需求能降到最低，也不必在 PLC 上使用 I/O 卡。內建雲端連線可讓人從世界各處存取資料。最後，IP67 外罩無需控制櫃，無論安裝於何處都能更輕鬆完成 (圖 4)。

圖 4：DXMR110-8K 8 連接埠 IO-Link 主控元件是一款多協定智慧控制器。(圖片來源：Banner Engineering)

選擇性不只如此

除了上述所有元件，實作多協定工業通訊解決方案還有其他的選擇。機器設計人員可使用 Banner Engineering 的一系列遠端 I/O 區塊，使系統設計、空間效率和效能皆達到極致。

Banner 提供採用包覆成型設計的線上轉換器和主控元件，包覆成型設計符合 IP65、IP67 和 IP68 的侵入防護效能 (IP) 要求。R45C 系列線上轉換器和主控元件提供閘道器，以便利用 Modbus RTU 協定將 IO-Link 元件連接到 IIoT 網路或系統控制器。型號 R45C-2K-MQ 將兩個 IO-Link 元件連接到 Modbus RTU 介面。

需要類比訊號時，設計人員能使用 R45C-MII-IIQ Modbus 作為雙類比線上 I/O 轉換器。功能包括：

• 類比輸入：轉換器接收到類比輸入時，會將數值的數字表示法傳送到對應的 Modbus 暫存器。此元件能接受 0 至 11,000 mV 或 0 至 24,000 μA 的類比輸入。
• 類比輸出：轉換器輸出與輸入的數字相對應的類比值。類比輸出範圍可介於 0 至 11,000 mV 或 0 至 24,000 μA。
• 也能偵測和處理有效範圍 (POVR) 之外的流程資料值，轉換器會向系統傳送訊號。

需要將某一類比輸入轉換為 IO-Link 訊號時，設計人員可以使用 S15C-I-KQ。這款圓柱形「類比電流到 IO-Link」轉換器，連接到 4 至 20 mA 的電流源，再將對應的值輸出到 IO-Link 主控元件。

Banner 提供多種 Modbus RTU I/O 區塊，這些區塊有助連接許多連至 Modbus 或 IO-Link 網路的類比元件和離散式元件。這些元件可以混搭，以達到系統設計彈性並支援互通性 (圖 5)。

圖 5：針對 IO-Link 整合之 Banner 遠端 I/O 解決方案的尺寸和配置範例。(圖片來源：DigiKey)

可以整合無線協定嗎？

Banner 的 Sure Cross DSX80 Performance 無線 I/O 網路解決方案能達到無線連線。此產品能獨立使用，或是以 Modbus、個人電腦或平板電腦連接到主機 PLC。基本系統架構包含一個閘道器和一或多個節點 (圖 6)。

圖 6：Banner 的 Sure Cross DSX80 Performance 無線 I/O 網路解決方案，包含一個閘道器和一或多個感測器節點。(圖片來源：Banner Engineering)

實作 Sure Cross DX80 Performance 無線網路涉及了三個要素，即網路拓撲、主控元件和從屬元件的關係，以及分時多工存取 (TDMA) 架構。

使用星形拓撲時，主控元件與每個節點個別相連。即使某個節點與主控元件連接失敗，其他節點仍正常連接、不受影響。

DX80G2M6-QC 等閘道器是主控元件，並且與從屬元件的所有通訊都是由閘道器啟動。採用 Modbus RTU RS-485 連接器的閘道器，本身充當 Modbus RTU 主機控制器的從屬元件。一個無線網路最多能包含 47 個從屬節點。

從屬元件可以是無線節點，如 DX80N9Q45DT 雙熱敏電阻溫度感測器節點、DX80N9Q45PS150G 壓力感測器節點，或振動和濕度感測器。

從屬元件無法主動與閘道器啟動通訊，各從屬元件也無法相互通訊。可額外搭配 DX80SR9M-H 等序列資料無線電擴大網路覆蓋範圍，以配合大型安裝結構。

TDMA 是兼顧穩定連線與最小能源消耗的關鍵。閘道器中的 TDMA 控制器，為每個節點指派特定的資料收發時間。閘道器的元件 ID 編號始終為 0。可以使用元件 ID 1 到 47 以任何順序對節點進行編號。

為個別節點設定特定的通訊時間能避免節點之間發生衝突，達到最高的效率。這也能使節點在非通訊期間進入低功耗狀態，只在指定的時間點喚醒。在非傳輸期間關閉無線電不僅省電，還能延長電池供電型節點的工作壽命。

結論

要讓工業 4.0 和 IIoT 網路達到高運作效率，必須存取許多通訊協定，例如 IO-Link、Modbus、EtherNet/IP 等。Banner Engineering 為設計人員提供完整一系列不同尺寸的 IO-Link 集線器、轉換器與主控元件，幫助通訊解決方案達到最佳化。