将机器连接到现场总线和工业以太网的六种方式

如果您设计制作了一款优秀的工业设备，大家对这款产品赞不绝口，您也收到了全球各地工厂的需求和订单。但这时会出现一个问题：这些客户工厂的 PLC 各不相同，工业网络协议也不一样。那么，您的设备应该如何实现设备的多网络连接呢？

本期的指南中，我们将介绍六种连接工业网络的方法，以及它们的优缺点。

1. 外部协议转换器（网关）

网关是一种可以将网络协议转换的独立设备。如果您不想对设备的硬件或软件作出修改，选择网关是最简单的办法。只需将设备接入网关，就能与任何工业网络进行通信。

网关是将自动化产品连接到工业网络的最快、最简便的方式。用户可以通过网页配置工具设置连接，无需进行编程，设置后的配置还能保存，方便以后重复使用。还可以定制网关的外观，例如添加您公司的标志、产品名称或颜色。

不过，与嵌入式方案相比，网关也有一些缺点。由于它是一台独立的设备，因此不适用于需要嵌入式通信技术的产品。而且，它的功能比较通用，且价格较高，所以并不适合大批量生产的自动化设备。

使用网关是连接设备最快、最简便的方法。如果您只需要连接少量设备，并且不要求集成方案或复杂功能，网关是您的最佳选择。

2. 嵌入式一体化模块

嵌入式通信模块是工业市场中最常用的多网络连接方式。因为它能让您轻松支持多种工业网络，无需投入大量时间或精力进行开发。

只需要通过在设备上安装一个通用的模块插槽，并进行简单的软件调试，设备就可以与通信模块完成连接。模块负责管理与各网络通信所需的所有软件协议栈，简单方便。

在将来，只需更换适配不同网络的模块，即可使您的产品支持另一种工业网络协议，节省时间和金钱。

一次开发，即可支持超过 20 种工业网络协议。这样不仅简化了物流，还减少了认证工作，并提高了认证成功率。

对于工业以太网网络，部分模块可以通过刷写固件实现将相同的硬件重复用于不同的网络。想要连接到另一个网络？只需要下载另一个固件包就可以了。

这种方式为设备提供了嵌入式的多网络连接方案，适合需要快速上市的机器设备制造商。

3. 嵌入式可插拔板卡

可插拔板卡与一体化模块有许多相似之处，因为它包括硬件、软件、高级功能，并提供支持任何主要网络并提供一流网络安全保护的版本。同样，可以重复使用相同的硬件并根据需要切换网络。

但是，两者还是有一些差异。首先，可插拔板卡需要手动连接到您的产品载板上，才能实现完全嵌入。当产品空间有限或需要提供 IP 等级认证保护时，板卡的优势就体现出来了。其次，您可以使用自己的连接器，提高产品设计的自由度，以便根据您的特定需求定制接口。

可插拔板卡比完整的模块更便宜，更适合大批量使用的产品。

板卡的缺点都有哪些？与模块相比，板卡的开发周期更长，因为您需要先添加连接器和外围组件，之后才能将模块安装到您的产品上。自行添加连接器还意味着您需要确保接口满足 EMC 认证，也会增加工作量。虽然模块的设计自由度更大，但这也意味着如果您想为其他网络或产品实现连网，就需要调整设计以适应不同的物理接口。

可插拔板卡集成了软件及硬件，适用于大规模生产并需要特定网络连接器或保护等级的场合，同时提供良好的安全保护。

4. 邮票孔可贴片式板卡

您也可以将通信接口板卡作为一个单独的组件焊接到设备内。与可插拔板卡类似，B40 mini 板卡包含硬件、软件和高级功能，并且由于它是完全嵌入式的，您可以自行添加网络连接器。

然而，相较于可插拔模块，焊接B40 mini 板卡有以下几个优势。它的尺寸缩小了 30%，节省了高度和深度的空间，并且采用矩形形状，许多制造商对此更为青睐。它的价格更低，对于低成本产品更为友好。由于是焊接在板上，它省去了通信接口和载板之间连接器的需求，降低了成本并简化了生产过程。它还可以预先设置所有基于以太网的网络，或者在文件系统中保存，甚至预设为某个特定网络。最后，B40 mini 板卡通常以卷带的形式交付，方便自动化生产。

其弊端在于，由于体积较小，它缺乏模块和板卡中快速的内存映射通信接口，这意味着 SPI（串行外设接口）性能必须满足要求。尽管其焊接设计带来了许多优势，但也意味着它在制造过程中后期更不容易更换或安装。目前，它仅支持工业以太网网络，无法连接现场总线或工业物联网（IIoT）网络。此外，它缺乏一些模块和板卡型号中提供的高级安全功能。

邮票孔可贴片式板卡集成了软件及硬件，适合预算有限或空间受限的产品。

5. 基于通信芯片定制解决方案

通信芯片由网络处理器组成，它将通信任务从处理器中 offload，并且包含连接不同网络所需的软件。使用芯片，您可以完全按照自己的意愿围绕芯片设计硬件。

通信芯片有几种类型。一些芯片几乎是空壳，您需要自己添加软件协议栈，从零开始构建（类似于下文中的第 6 部分）。

另一方面，也有一些芯片已经加载了多网络连接的软件，安装后您无需担心网络升级和维护。后者会为您节省时间，因为一旦网络组织更新网络或提供新功能，您就会收到软件更新。

对于工业以太网网络，您可以使用相同的芯片，并下载不同的软件来连接所选的网络（如前文 1-4 部分）。

如果您生产大量产品并希望最大程度地降低成本，芯片是一个不错的选择，因为您可以选择组件并围绕芯片设计。然而，这也意味着在整个过程中需要更多的工作。为了顺利完成设计，您需要具备网络通信、硬件和连接器方面的专业知识。您需要采购所有所需的组件，并处理物流。此外，您还必须进行更多的内部测试，以确保设计正常运行。最后，您需要维护所有组件，确保芯片能持续按计划工作。如果某些组件的使用寿命结束，您需要找到替代品，更新设计，并重新测试。

芯片方案提供了较大的灵活性，但在设计阶段需要做更多的工作。

5. 自行开发网络连接解决方案

如果您希望完全掌控网络连接，那么就需要自行开发并组装所需的硬件。还需要开发自己的软件协议栈，以实现设备与网络之间的通信。并且需要让团队掌握所选工业网络和连接性的知识。

自行开发的缺点显而易见，这种方法需要大量的时间和资源，这些资源可能会让您无法专注于自己产品的核心竞争力——也就是开发优秀的工业自动化设备。您还必须跟进网络更新维护和后续的重新设计工作，并且每当要支持新的网络协议时，开发工作也必须从零再开始一遍。

对于大规模生产且仅需要连接到单一网络的企业来说，自行开发网络接口是可行的。然而，对于生产规模较小或需要多网络连接的公司来说，这通常是不具成本效益的，因为这需要大量的前期投资，并且消耗了过多的核心业务资源。

自行开发让您拥有完全的网络接口自主权，但需要消耗大量的资源。

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