工業通訊協議多種多樣，如何解決數據交互難題？

現場總線（Fieldbus）是20世紀80年代末國際上開始發展形成的一種工業數據總線，是連接現場設備和控制系統之間的一種開放式的、全數字化的、雙向傳輸的、多分支結構的通信網絡。而工業以太網是以太網在工業控制領域的延伸。工業以太網技術的發展，是由於高速以太網技術、交換式以太網技術以及全雙工通訊模式技術的發展及其相互結合和應用，提高了以太網通訊的可靠性和實時性，在技術上與IEEE 802.3標準相容。

目前市場上現場總線和工業以太網還沒有形成真正統一的標準，CAN、PROFIBUS、Modbus、Ethernet/IP、PROFINET、EtherCAT等多種標準並行存在，廣泛應用於過程自動化、醫藥領域、加工製造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域。如今，隨著工業4.0的演變和推進，數據交互是其中重要組成部分，現場設備集成各種工業通訊協議變得尤為不可或缺。

簡單易用的通訊模塊

HK-OEM通訊模塊工作原理

虹科HK-OEM通訊模塊是一款適用於工業以太網和現場總線協議的嵌入式IC模塊，能夠使用戶的設備快速、方便地連接到工業網路中，而不需要進行大量的開發工作。這將極大地節省研發成本，尤其體現在引進新產品的開發時間成本上，可以使產品快速上市。

該模塊上具備運行協議棧與數據處理所需的組件，包括專用協議晶片、微控制器、內存以及散熱器等，因此不會給需要集成工業網口接口的現場設備帶來額外負擔。

虹科HK-OEM系列通訊模塊預留了三組插針，便於連接到設備控制器與擴展外圍硬體接口，包括USAST接口、SPI接口、供電電源、模塊復位、工業以太網接口或現場總線接口。該模塊作為設備與現場總線之間的“橋樑”，為用戶透過 USART和 SPI接口與設備控制器交換實時網路數據提供了基礎性支持，報文格式參照MODBUS協議。此外，該模塊還具備32個引腳的數字量I/O信號，可以直接滿足32個點的數字量I/O設計，這32個I/O引腳可以任意設置成 DI或 DO。由於採用了通用的針腳分配，該系列的工業以太網和現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通訊模塊關鍵特性

■ 支持PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen、Profibus、DeviceNet等實時通訊協議；

■ 具備32個引腳的數字量I/O訊號，可以直接滿足32個點任意DI或DO的IO設計；

■ 對用戶開放了2種串行接口，包括USART接口和SPI接口，報文內容參照標準MODBUS協議；

■ 通用的針腳分配，可互換的接口，支持主流工業網路通訊協議；

■ 允許用戶自定義廠商名稱、廠商標識、產品型號等產品訊息；

虹科HK-OEM通訊模塊由於其緊湊的尺寸設計，可以嵌入到小型設備或通訊接口空間小的設備當中，用以開發各類儀器儀表、傳感器、遠程I/O、網關等設備，尤其適用於工業物聯網、儀表傳感器行業、數據採集、自動化等領域。

典型應用案例

讓MFC輕鬆集成工業以太網

採用 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。

質量流量控制器（Mass Flow Controller縮寫為MFC）用於對於氣體或者液體的質量流量進行精密測量和控制。它由一個入口，一個出口，一個質量流量傳感器和一個比例控制閥組成，質量流量傳感器採集的數據與控制器輸入訊號進行比較，並相應地調節比例閥以達到所需流量。

MFC常用於製藥、生物技術、石油、天然氣、化學和工業氣體行業以及食品和飲料等行業。然而，傳統質量流量控制器往往面臨以下問題：

一、無法相容現場PLC控制器

如今，在各行各業的現場應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，而質量流量控制器本身應用領域比較廣，需要現場控制器給其發送控制參數或者採集現場數據，因此傳統的質量流量控制器可能無法與現場PLC相容。

二、集成工業通訊協議難度大

PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等通訊協議本身在開發難度上比較大，開發週期也很長，MFC製造商需要對相應的通訊協議研究比較深入才能獨立實現相應的協議代碼，顯然，這並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。以質量流量控制器集成 PROFINET通訊為例，可以採用 HK-OEM通訊模塊作為 MFC與西門子 PLC之間通訊的『中間件』，用戶只需要採用支持 PROFINET協議的 HK-OEM通訊模塊，並根據該模塊預留的外圍硬體電路接口，實現原有 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協議相關的內容。現場應用中，熟悉 PROFINET網路組態的工程師，可直接利用虹科 HK-OEM通訊模塊配套的 GSD文件導入到配置軟體中進行配置，便可建立與 MFC設備之間的 PROFINET通訊。

虹科HK-OEM通訊模塊數據區定義

根據功能的不同，HK-OEM模塊用到的數據區劃分為5個區域，分別是：通訊訊息區、下發數據區、下發參數區、設備訊息區、上傳數據區。HK-OEM模塊在狀態機『S1 握手』階段讀取設備訊息區的數據，由於 PROFINET模塊目前未使用此區域的內容，所以用戶僅需要正確回復報文即可。

下發數據：4xxxx區- 10H功能碼：

上傳數據：3xxxx區- 04H功能碼：

無論使用USART還是SPI，HK-OEM模塊都作為主站運行，遵循下面的狀態機，完成 HK-OEM模塊與外部MCU之間的握手後，開始進行數據交互：

示例程序

本示例以USART實現數據交互為例。

USART接口規定如下：

• USART接口波特率支持：9.6Kbps、19.2Kbps、38.4Kbps、57.6Kbps、115.2Kbps、230.4Kbps、460.8Kbps；
• HK-OEM模塊上電後，在S1握手階段，通過握手報文，OEM模塊可以自動適應用戶的波特率。用戶使用的波特率需要在以上7種波特率之中；
• USART接口數據幀格式：8 個數據位、偶校驗、1 個停止位；
• USART使用標準MODBUS協議；
• 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模塊的報文命令後，按照相應命令回复報文即可。

通訊報文約定如下：

A.下發數據

板卡發送：

用戶應答：

B.上傳數據

板卡發送：

用戶應答：

程序代碼如下：

MFC與西門子S7-1200 PLC通訊連接

現場應用中，PROFINET網路中通常由 PROFINET的主站和從站構成，PROFINET主站實現對網路中各從站設備的控制和數據採集，西門子 S7-1200 PLC是常用的 PROFINET主站之一。本應用案例中，以集成了 PROFINET通訊接口的質量流量控制器作為從站，要實現與西門子 S7-1200 PLC主站的通訊，不僅需要透過網線將 MFC設備接入 PROFINET網路，同時也需要在主站配置軟體TIA Portal中進行適當的網路組態並下載配置給PLC才能正確建立兩者之間通訊。

組態配置如下：

運行博途 TIA Portal軟體，新建項目工程後在項目視圖中進行 PROFINET網絡組態。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，選中文件並點擊安裝。

在配置界面右側“硬體目錄”導航區中找到 HK-OEM通訊模塊，將對應的模塊標籤拖入 PLC PN/IE_1網路中，然後點擊“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網路中。

在“設備視圖”中，首先選擇 HK-OEM通訊模塊，配置其輸入輸出數據量，並在右側“硬體目錄”導航區中，將所需 IO拖入到 HONGKE Interface節點下，本例拖入16個字節的輸入模塊16個字節的輸出模塊。然後分別選中 PLC和 HK-OEM通訊模塊的以太網口，分配對應的 IP地址和子網掩碼。

以上關於 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會通過組態的參數識別 PROFINET網路中設備並建立通訊。下載完成並提示無誤後，轉到線上模式，便可查看各設備狀態，同時添加新監控表，查看數據變化。

總結

透過虹科HK-OEM通訊模塊可以讓質量流量控制器輕鬆集成像 PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen、Profibus、DeviceNet等實時通訊協議，且無需對原有設備做太多修改，從而極大的節約開發工作量和開發成本，輕鬆的實現與現場應用中各種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備中，如RFID，工業讀寫器，稱重設備，罐裝設備等，十分適用於當前工業4.0發展需要。若想了解虹科HK-OEM模塊的更多訊息，歡迎聯繫宏虹電子。