背景

工業(yè)通訊協(xié)議多種多樣，如何解決數(shù)據(jù)交互難題？

現(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀80年代末國際上開始發(fā)展形成的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是連接現(xiàn)場設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的一種開放式的、全數(shù)字化的、雙向傳輸?shù)?、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。而工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的延伸。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，是由于高速以太網(wǎng)技術(shù)、交換式以太網(wǎng)技術(shù)以及全雙工通信模式技術(shù)的發(fā)展及其相互結(jié)合和應(yīng)用，提高了以太網(wǎng)通信的可靠性和實時性，在技術(shù)上與IEEE 802.3標準兼容。

目前市場上現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)還沒有形成真正統(tǒng)一的標準，CAN、PROFIBUS、Modbus、Ethernet/IP、PROFINET、EtherCAT等多種標準并行存在，廣泛應(yīng)用于過程自動化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域。如今，隨著工業(yè)4.0的演變和推進，數(shù)據(jù)交互是其中重要組成部分，現(xiàn)場設(shè)備集成各種工業(yè)通訊協(xié)議變得尤為不可或缺。

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簡單易用的通信模塊

虹科HK-OEM通信模塊工作原理

虹科HK-OEM通訊模塊是一款適用于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線協(xié)議的嵌入式IC模塊，能夠使用戶的設(shè)備快速、方便地連接到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，而不需要進行大量的開發(fā)工作。這將極大地節(jié)省研發(fā)成本，尤其體現(xiàn)在引進新產(chǎn)品的開發(fā)時間成本上，可以使產(chǎn)品快速上市。

該模塊上具備運行協(xié)議棧與數(shù)據(jù)處理所需的組件，包括專用協(xié)議芯片、微控制器、內(nèi)存以及散熱器等，因此不會給需要集成工業(yè)網(wǎng)口接口的現(xiàn)場設(shè)備帶來額外負擔。

虹科HK-OEM系列通訊模塊預(yù)留了三組插針，便于連接到設(shè)備控制器與擴展外圍硬件接口，包括USAST接口、SPI接口、供電電源、模塊復(fù)位、工業(yè)以太網(wǎng)接口或現(xiàn)場總線接口。該模塊作為設(shè)備與現(xiàn)場總線之間的“橋梁”，為用戶通過USART和SPI接口與設(shè)備控制器交換實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)性支持，報文格式參照MODBUS協(xié)議。此外，該模塊還具備32個引腳的數(shù)字量I/O信號，可以直接滿足32個點的數(shù)字量I/O設(shè)計，這32個I/O引腳可以任意設(shè)置成DI或DO。由于采用了通用的針腳分配，該系列的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線通訊模塊都可以簡單快速地被替換，為檢修提供了便捷的同時，還能最大程度縮短更換升級的時間。

虹科HK-OEM的關(guān)鍵特性

○支持PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen、Profibus、DeviceNet等實時通信協(xié)議；

○ 具備32個引腳的數(shù)字量I/O信號，可以直接滿足32個點任意DI或DO的IO設(shè)計；

○ 對用戶開放了2種串行接口，包括USART接口和SPI接口，報文內(nèi)容參照標準MODBUS協(xié)議；

○通用的針腳分配，可互換的接口，支持主流工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議；

○允許用戶自定義廠商名稱、廠商標識、產(chǎn)品型號等產(chǎn)品信息；

虹科HK-OEM通訊模塊由于其緊湊的尺寸設(shè)計，可以嵌入到小型設(shè)備或通信接口空間小的設(shè)備當中，用以開發(fā)各類儀器儀表、傳感器、遠程I/O、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，尤其適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、儀表傳感器行業(yè)、數(shù)據(jù)采集、自動化等領(lǐng)域。

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典型應(yīng)用案例

讓MFC輕松集成工業(yè)以太網(wǎng)

采用HK-OEM通訊模塊作為MFC與西門子PLC之間通訊的“中間件”，即可集成PROFINET通訊接口。

質(zhì)量流量控制器（Mass Flow Controller縮寫為MFC）用于對于氣體或者液體的質(zhì)量流量進行精密測量和控制。它由一個入口，一個出口，一個質(zhì)量流量傳感器和一個比例控制閥組成，質(zhì)量流量傳感器采集的數(shù)據(jù)與控制器輸入信號進行比較，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)比例閥以達到所需流量。

MFC常用于制藥、生物技術(shù)、石油、天然氣、化學和工業(yè)氣體行業(yè)以及食品和飲料等行業(yè)。然而，傳統(tǒng)質(zhì)量流量控制器往往面臨以下問題：

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無法兼容現(xiàn)場PLC控制器

如今，在各行各業(yè)的現(xiàn)場應(yīng)用中也開始逐步引入了通訊速率更高、實時性更好的如PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等通訊方式的PLC控制器，而質(zhì)量流量控制器本身應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，需要現(xiàn)場控制器給其發(fā)送控制參數(shù)或者采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，因此傳統(tǒng)的質(zhì)量流量控制器可能無法與現(xiàn)場PLC相兼容。

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集成工業(yè)通訊協(xié)議難度大

PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等通訊協(xié)議本身在開發(fā)難度上比較大，開發(fā)周期也很長，MFC制造商需要對相應(yīng)的通訊協(xié)議研究比較深入才能獨立實現(xiàn)相應(yīng)的協(xié)議代碼，顯然，這并不是一種很好的解決方案。

虹科HK-OEM嵌入式通訊模塊是解決以上難題的理想方案。以質(zhì)量流量控制器集成PROFINET通訊為例，可以采用HK-OEM通訊模塊作為MFC與西門子PLC之間通訊的“中間件”，用戶只需要采用支持PROFINET協(xié)議的HK-OEM通訊模塊，并根據(jù)該模塊預(yù)留的外圍硬件電路接口，實現(xiàn)原有MFC與該通訊之間的USART通訊或SPI通訊即可集成PROFINET通訊接口，從而無需用戶去熟悉與PROFINET協(xié)議相關(guān)的內(nèi)容?，F(xiàn)場應(yīng)用中，熟悉PROFINET網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的工程師，可直接利用虹科HK-OEM通訊模塊配套的GSD文件導(dǎo)入到配置軟件中進行配置，便可建立與MFC設(shè)備之間的PROFINET通訊。

虹科HK-OEM通訊模塊數(shù)據(jù)區(qū)定義

根據(jù)功能的不同，HK-OEM模塊用到的數(shù)據(jù)區(qū)劃分為5個區(qū)域，分別是：通訊信息區(qū)、下發(fā)數(shù)據(jù)區(qū)、下發(fā)參數(shù)區(qū)、設(shè)備信息區(qū)、上傳數(shù)據(jù)區(qū)。HK-OEM模塊在狀態(tài)機“S1 握手”階段讀取設(shè)備信息區(qū)的數(shù)據(jù)，由于PROFINET模塊目前未使用此區(qū)域的內(nèi)容，所以用戶僅需要正確回復(fù)報文即可。

下發(fā)數(shù)據(jù)：4xxxx區(qū) - 10H功能碼：

上傳數(shù)據(jù)：3xxxx區(qū) - 04H功能碼：

無論使用USART還是SPI，HK-OEM模塊都作為主站運行，遵循下面的狀態(tài)機，完成HK-OEM模塊與外部MCU之間的握手后，開始進行數(shù)據(jù)交互：

示例程序

本示例以USART實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互為例。

USART接口規(guī)定如下：

USART接口波特率支持：9.6Kbps、19.2Kbps、38.4Kbps、57.6Kbps、115.2Kbps、230.4Kbps、460.8Kbps；

HK-OEM模塊上電后，在S1握手階段，通過握手報文，OEM模塊可以自動適應(yīng)用戶的波特率。用戶使用的波特率需要在以上7種波特率之中；

USART接口數(shù)據(jù)幀格式：8 個數(shù)據(jù)位、偶校驗、1 個停止位；

USART使用標準MODBUS協(xié)議；

HK-OEM模塊做為USART通訊主站，用戶做為USART通訊從站；

用戶串口的處理機制：用戶作為標準的MODBUS從站，只需要在收到HK-OEM模塊的報文命令后，按照相應(yīng)命令回復(fù)報文即可。

通訊報文約定如下：

A.下發(fā)數(shù)據(jù)

板卡發(fā)送：

用戶應(yīng)答：

B.上傳數(shù)據(jù)

板卡發(fā)送：

用戶應(yīng)答：

程序代碼如下：

USART配置

USART接收數(shù)據(jù)處理

USART發(fā)送數(shù)據(jù)處理

USART中斷

MFC與西門子S7-1200 PLC通訊連接

現(xiàn)場應(yīng)用中，PROFINET網(wǎng)絡(luò)中通常由PROFINET的主站和從站構(gòu)成，PROFINET主站實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中各從站設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集，西門子 S7-1200 PLC是常用的PROFINET主站之一。本應(yīng)用案例中，以集成了PROFINET通訊接口的質(zhì)量流量控制器作為從站，要實現(xiàn)與西門子 S7-1200 PLC主站的通訊，不僅需要通過網(wǎng)線將MFC設(shè)備接入PROFINET網(wǎng)絡(luò)，同時也需要在主站配置軟件TIA Portal中進行適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)組態(tài)并下載配置給PLC才能正確建立兩者之間通訊。

組態(tài)配置如下：

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運行博途TIA Portal軟件，新建項目工程后在項目視圖中進行PROFINET網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。在菜單欄“選項”下拉菜單中選擇“管理通用站描述文件（GSD）”，安裝HK-OEM通訊模塊的GSD文件，在彈出的對話框中選擇GSD文件的路徑，選中文件并點擊安裝。

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在配置界面右側(cè)“硬件目錄”導(dǎo)航區(qū)中找到HK-OEM通訊模塊，將對應(yīng)的模塊標簽拖入PLC PN/IE_1網(wǎng)絡(luò)中，然后點擊“未分配”，在彈出的提示框中點擊“PLC_1.PROFINET interface_1”,將HK-OEM模塊分配到Profinet網(wǎng)絡(luò)中。

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在“設(shè)備視圖”中，首先選擇HK-OEM通訊模塊，配置其輸入輸出數(shù)據(jù)量，并在右側(cè)“硬件目錄”導(dǎo)航區(qū)中，將所需IO拖入到HONGKE Interface節(jié)點下，本例拖入16個字節(jié)的輸入模塊16個字節(jié)的輸出模塊。然后分別選中PLC和HK-OEM通訊模塊的以太網(wǎng)口，分配對應(yīng)的IP地址和子網(wǎng)掩碼。

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以上關(guān)于PLC與HK-OEM模塊的配置基本完成，便可以選擇編譯和下載配置至PLC中，PLC會通過組態(tài)的參數(shù)識別PROFINET網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備并建立通訊。下載完成并提示無誤后，轉(zhuǎn)到在線模式，便可查看各設(shè)備狀態(tài)，同時添加新監(jiān)控表，查看數(shù)據(jù)變化。

總結(jié)/Conclusion

通過虹科HK-OEM通訊模塊可以讓質(zhì)量流量控制器輕松集成像PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen、Profibus、DeviceNet等實時通信協(xié)議，且無需對原有設(shè)備做太多修改，從而極大的節(jié)約開發(fā)工作量和開發(fā)成本，輕松的實現(xiàn)與現(xiàn)場應(yīng)用中各種PLC控制器之間的通訊。同樣的，該通訊模塊也可以這種方式集成到其他設(shè)備中，如RFID，工業(yè)讀寫器，稱重設(shè)備，罐裝設(shè)備等，十分適用于當前工業(yè)4.0發(fā)展需要。