為了實現工業 4.0 和工業物聯網 （IIoT） 系統中支持精益生產的數據處理優化，可以通過狀態監測、預見性維護、整體設備效率 （OEE） 分析和跟蹤、診斷和故障排除來完成。常見的問題是，傳統設備要么沒有采用可以連接的設計，要么可能使用了多種通信協議中的某一種，使得替換所有設備需要高昂的成本。為了確保最高效率并獲得可操作的機器數據，在許多情況下，實施可以連接現有自動化島和傳統設備的疊加網絡將會更加簡單易行、經濟實惠。

　　設計這樣的疊加網絡極具挑戰性。設計時需要這樣一種控制器，即能夠接收來自傳感器的和其他使用各種通信協議的設備的信號，并將這些信號合并成統一的可用數據流，然后將這些數據輸出到邊緣計算資源或云端。這種系統需要能夠直接連接傳感器、指示器和其他設備的適配器。需要使用轉換器來連接包括傳統設備在內的之前不兼容的設備類型。

　　此外，為了確保運行可靠，需要使用濾波器來保護數據通信免受電噪聲和瞬變的影響。所有這些組件都應符合 IP65、IP67 和 IP68 級環境標準，以便在工業環境中運行，而且解決方案需要易于實施、經濟實惠。

　　本文簡要討論了將傳統設備連接到 IIoT 時存在的問題。然后，介紹 Banner Engineering 的 Snap Signal 系列硬件和軟件工具的架構，以及如何用于解決這些挑戰。本文以 Snap Signal 設備為例展開介紹，包括 DXMR90 控制器、相關的轉換器、適配器和濾波器，以及實施有線和無線邊緣計算或云連接時的應用注意事項。

　　將傳統設備與 IIoT 連接

　　許多工廠都早于 IIoT 和工業 4.0，通常不可能將所有的設備和機器互連成單一網絡，從而導致了自動化島。即使沒有被隔離在“孤島”上，傳統設備也難以互連，因為使用專有通信協議、非標準連接器和電纜以及其他因素會造成靈活性方面的問題。

　　Snap Signal IIoT 疊加網絡可提供一種快速、靈活、經濟的方式，通過捕捉各種不兼容的數據通信協議，將其轉換為易于分配的標準，并能夠發送至邊緣或云計算資源處進行分析和操作，從而連接傳統設備、自動化島（圖 1）。

圖：Snap Signal 疊加網絡提供了一種模塊化架構，可將傳統設備、自動化島與邊緣或云計算資源連接。（Banner Engineering 提供圖片）

　　部署靈活可靠的 IIoT 疊加網絡需要以下幾個關鍵組件：

　　適配器——用于重新布線并將傳感器、指示器和其他設備的各種設備布線方案連接到疊加網絡使用的標準格式。

　　數據轉換器——用于將諸如傳統設備或者自動化島上的離散、模擬和各種數字格式等不兼容的格式轉換成標準諸如 IO-Link 或 Modbus 等標準協議，以實現集中化性能監控。

　　濾波器——用于保護數據，避免在電氣噪聲的工業環境中受損，從而提高信號完整性和可靠性，減少故障排除要求。

　　可編程控制器——用于整合來自多個數據源的數據并進行本地數據處理，以及提供將傳統設備和自動化島整合到 IIoT 中的連接。

　　有線或無線連接——用于將收集到的數據分發到邊緣計算資源和/或云端，如 Banner 的云數據服務 （CDS） 等，該服務提供數據可視化、判斷機器性能并發送電子郵件或文字警報，以支持機器的實時操作、維護和修理（圖 2）。

圖 ：可以通過有線或無線連接把整合后的數據發送至邊緣計算資源或云端，如 Banner 的 CDS（以上截圖）。（Banner Engineering 提供圖片）

　　用于整合多個數據流的控制器

　　可編程控制器和數據轉換器是設計疊加網絡的關鍵設備。Banner 的 DXMR90 工業控制器用作通信中樞，將來自多個 Modbus 端口的信號組合成使用工業以太網協議進行轉發的統一數據流。例如，DXMR90-X1 型器件包括四個 Modbus 主機，可支持與多達四個串行網絡進行并行通信。

　　DXMR90 是一款高度集成的通信控制器，其特點如下：

• 　　能夠與一系列 Modbus 設備一起工作，將 Modbus RTU 轉換為 Modbus TCP/IP、以太網 I/P 或 Profinet。
• 　　四個獨立的 Modbus 主端口，可以連接從設備，無需手動向設備分配地址。
• 　　本地控制以及與以下各項的連接功能：
• 　　Modbus/TCP、Modbus RTU、以太網/IP 和 Profinet、自動化協議
• 　　互聯網協議，包括 RESTful API 和 MQTT，以及來自 AWS 的網絡服務等
• 　　電子郵件直接通知
• 　　具有預定義操作規則的內部邏輯控制器，也可使用 MicroPython 或 ScriptBasic 對其進行編程。
• 　　IP65、IP67 和 IP68 級外殼簡化了工業環境中的部署。
• 　　通過用戶可編程 LED 燈實現了快速狀態指示。
• 　　有線以太網電纜或支持手機的 DXM 控制器可用于連接數據庫，如 Banner 的 CDS。

　　用轉換器連接 IIoT 網絡中的設備

　　需要高效率數據轉換能力，將傳統設備和自動化島融合到疊加網絡中。為實現這一功能，設計人員可以使用 Banner 的 小型插入式 S15C 系列直插轉換器，將各種格式的狀態監測和過程傳感器數據轉換成數字 IO-Link 數據（圖 4）。例如，S15C-MGN-KQ 是一款 Modbus 主機到 IO-Link 設備的轉換器，用戶可將其配置為最多讀取 60 個寄存器，最多寫入 15 個寄存器，且預定義 Modbus 寄存器自動通過 IO-Link 發送。

　　S15C 轉換器的直徑為 15 mm，具有 IP68 級包塑外殼和 M12 連接，采用與所連接設備相同的電源。使用 S15C 轉換器可消除 IO-Link 的 20 m 通信限制，因為這類轉換器可安裝在 Modbus 鏈路末端，靠近 IO-Link 主機。

　　S15C 系列轉換器包括以下八個型號：

　　六個 Modbus 到 IO-Link 轉換器，與 Banner 的 Modbus 傳感器系列一起使用，包括超聲波、測量光幕、溫度/濕度、振動/溫度和 GPS。此外，還有一個通用轉換器，可以通過配置使大多數 Modbus 設備被部署為 IO-Link 設備。

　　兩個模擬傳感器型號，用于將 0 - 10 VDC 或 4 - 20 mA 信號轉換為相應的數字值，并作為 IO-Link 數據轉發。

　　連接適配器和濾波器，完成網絡連接

　　除了控制器和數據轉換器外，設計人員還需要連接適配器、噪聲濾波器，以便快速部署靈活、經濟的疊加網絡。如 Banner 的 S15A-F14325-M14325-Q 等直插式接線適配器可以直接連接傳感器、指示器或其他設備，并根據需要改變接線和隔離信號，以滿足特定的應用需求。這些接線適配器分為標準和定制配置版本。

　　如 S15F-L-4000-Q 之類的 S15F 直插式濾波器也是疊加網絡中的重要器件。這種濾波器可以輕松消除可能對網絡性能產生不利影響的電氣噪聲和瞬態電壓問題。與 S15A 適配器和 S15C 轉換器一樣，這種過濾器采用 M12 連接和符合 IP65、IP67 和 IP68 標準的包塑配置封裝。安裝 S15F 直插式濾波器可以改善信號完整性，減少對網絡故障排除的需求。

　　Snap Signal 網絡的設計和部署

　　Snap Signal 疊加網絡的設計和部署從識別需要監測的數據源開始。然后，需要確定是否添加新傳感器或指示器，以補充現有設備。Snap Signal 網絡的設計步驟包括：

　　使用 Banner 系統圖方法來識別、選擇特定裝置所需的 Snap Signal 元器件。

　　規劃最佳的布線路徑，包括在待監測設備和 DXMR90 控制器之間放置 T 型連接器和濾波器。

　　確定該裝置是否需要使用有線以太網連接用于本地數據消耗，或使用邊緣網關設備以無線方式連接云平臺。

　　Snap Signal 是一種真正的疊加網絡，不需要替換任何現有硬件。模塊化的即插即用 Snap Signal 架構讓安裝變得簡單易行：

　　安裝新的傳感器或其他設備，并在每個需要監測的設備上增加分路電纜，以保持與機器控制機構之間的現有連接，同時也為疊加網絡提供第二條路徑。

　　安裝相應的的直插式信號轉換器。

　　根據需要添加 T 型連接器、濾波器和其他網絡接線，以完成網絡和 DXMR90 控制器連接。

　　使用 ScriptBasic 或 MicroPython 編程和/或嵌入式動作規則，對 DXMR90 進行編程，以創建自定義檢測和控制序列。

　　使用以太網連接將 DXMR90 與邊緣計算資源連接，或者連接支持蜂窩網絡的 DXM 控制器，以實現云連接。

　　結語

　　疊加 IIoT 網絡能夠滿足設計人員將傳統設備和自動化島連接到工業網絡的需求，從而收集可操作數據，以支持現有工廠提高生產力。此類疊加網絡的設計和實施過程復雜，但如圖所示，使用 Banner Engineering 的拓撲結構和 Snap Signal 線路可以大大簡化這個過程。該線路包括 DXMR90 工業控制器、數據轉換器、布線適配器、濾波器和其他實現 IIoT 疊加網絡并將其分配到邊緣計算資源或云端所需的元器件。Snap Signal 網絡架構的模塊化、可編程且靈活的設計支持增加新設備，并能保障未來安裝。