虹科方案 | 一种使现场设备快速集成各种工业协议的通讯模块方案

背景

工业通讯协议多种多样，如何解决数据交互难题？

现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末国际上开始发展形成的一种工业数据总线，是连接现场设备和控制系统之间的一种开放式的、全数字化的、双向传输的、多分支结构的通信网络。而工业以太网是以太网在工业控制领域的延伸。工业以太网技术的发展，是由于高速以太网技术、交换式以太网技术以及全双工通信模式技术的发展及其相互结合和应用，提高了以太网通信的可靠性和实时性，在技术上与IEEE 802.3标准兼容。

目前市场上现场总线和工业以太网还没有形成真正统一的标准，CAN、PROFIBUS、Modbus、Ethernet/IP、PROFINET、EtherCAT等多种标准并行存在，广泛应用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。如今，随着工业4.0的演变和推进，数据交互是其中重要组成部分，现场设备集成各种工业通讯协议变得尤为不可或缺。

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简单易用的通信模块

虹科HK-OEM通信模块工作原理

虹科HK-OEM通讯模块是一款适用于工业以太网和现场总线协议的嵌入式IC模块，能够使用户的设备快速、方便地连接到工业网络中，而不需要进行大量的开发工作。这将极大地节省研发成本，尤其体现在引进新产品的开发时间成本上，可以使产品快速上市。

该模块上具备运行协议栈与数据处理所需的组件，包括专用协议芯片、微控制器、内存以及散热器等，因此不会给需要集成工业网口接口的现场设备带来额外负担。

虹科HK-OEM系列通讯模块预留了三组插针，便于连接到设备控制器与扩展外围硬件接口，包括USAST接口、SPI接口、供电电源、模块复位、工业以太网接口或现场总线接口。该模块作为设备与现场总线之间的“桥梁”，为用户通过USART和SPI接口与设备控制器交换实时网络数据提供了基础性支持，报文格式参照MODBUS协议。此外，该模块还具备32个引脚的数字量I/O信号，可以直接满足32个点的数字量I/O设计，这32个I/O引脚可以任意设置成DI或DO。由于采用了通用的针脚分配，该系列的工业以太网和现场总线通讯模块都可以简单快速地被替换，为检修提供了便捷的同时，还能最大程度缩短更换升级的时间。

虹科HK-OEM的关键特性

○支持PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen、Profibus、DeviceNet等实时通信协议；

○ 具备32个引脚的数字量I/O信号，可以直接满足32个点任意DI或DO的IO设计；

○ 对用户开放了2种串行接口，包括USART接口和SPI接口，报文内容参照标准MODBUS协议；

○通用的针脚分配，可互换的接口，支持主流工业网络通讯协议；

○允许用户自定义厂商名称、厂商标识、产品型号等产品信息；

虹科HK-OEM通讯模块由于其紧凑的尺寸设计，可以嵌入到小型设备或通信接口空间小的设备当中，用以开发各类仪器仪表、传感器、远程I/O、网关等设备，尤其适用于工业物联网、仪表传感器行业、数据采集、自动化等领域。

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典型应用案例

让MFC轻松集成工业以太网

采用HK-OEM通讯模块作为MFC与西门子PLC之间通讯的“中间件”，即可集成PROFINET通讯接口。

质量流量控制器（Mass Flow Controller缩写为MFC）用于对于气体或者液体的质量流量进行精密测量和控制。它由一个入口，一个出口，一个质量流量传感器和一个比例控制阀组成，质量流量传感器采集的数据与控制器输入信号进行比较，并相应地调节比例阀以达到所需流量。

MFC常用于制药、生物技术、石油、天然气、化学和工业气体行业以及食品和饮料等行业。然而，传统质量流量控制器往往面临以下问题：

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无法兼容现场PLC控制器

如今，在各行各业的现场应用中也开始逐步引入了通讯速率更高、实时性更好的如PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等通讯方式的PLC控制器，而质量流量控制器本身应用领域比较广，需要现场控制器给其发送控制参数或者采集现场数据，因此传统的质量流量控制器可能无法与现场PLC相兼容。

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集成工业通讯协议难度大

PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等通讯协议本身在开发难度上比较大，开发周期也很长，MFC制造商需要对相应的通讯协议研究比较深入才能独立实现相应的协议代码，显然，这并不是一种很好的解决方案。

虹科HK-OEM嵌入式通讯模块是解决以上难题的理想方案。以质量流量控制器集成PROFINET通讯为例，可以采用HK-OEM通讯模块作为MFC与西门子PLC之间通讯的“中间件”，用户只需要采用支持PROFINET协议的HK-OEM通讯模块，并根据该模块预留的外围硬件电路接口，实现原有MFC与该通讯之间的USART通讯或SPI通讯即可集成PROFINET通讯接口，从而无需用户去熟悉与PROFINET协议相关的内容。现场应用中，熟悉PROFINET网络组态的工程师，可直接利用虹科HK-OEM通讯模块配套的GSD文件导入到配置软件中进行配置，便可建立与MFC设备之间的PROFINET通讯。

虹科HK-OEM通讯模块数据区定义

根据功能的不同，HK-OEM模块用到的数据区划分为5个区域，分别是：通讯信息区、下发数据区、下发参数区、设备信息区、上传数据区。HK-OEM模块在状态机“S1 握手”阶段读取设备信息区的数据，由于PROFINET模块目前未使用此区域的内容，所以用户仅需要正确回复报文即可。

下发数据：4xxxx区 - 10H功能码：

Address	Name	Size	Definition	Default	Access
0…99	通讯信息区	100 words	通讯配置参数	0	R/W
100…599	下发数据区	500 words	PROFINET下发的数据	0	R/W
1000…1499	下发参数区	500 words	PROFINET下发的参数	0	R/W

上传数据：3xxxx区 - 04H功能码：

Address	Name	Size	Definition	Default	Access
0…99	设备信息区	100 words	通讯配置参数	0	R/W
100…599	上传数据区	500 words	PROFINET下发的数据	0	R/W

无论使用USART还是SPI，HK-OEM模块都作为主站运行，遵循下面的状态机，完成HK-OEM模块与外部MCU之间的握手后，开始进行数据交互：

示例程序

本示例以USART实现数据交互为例。

USART接口规定如下：

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

HK-OEM模块上电后，在S1握手阶段，通过握手报文，OEM模块可以自动适应用户的波特率。用户使用的波特率需要在以上7种波特率之中；

USART接口数据帧格式：8 个数据位、偶校验、1 个停止位；

USART使用标准MODBUS协议；

HK-OEM模块做为USART通讯主站，用户做为USART通讯从站；

用户串口的处理机制：用户作为标准的MODBUS从站，只需要在收到HK-OEM模块的报文命令后，按照相应命令回复报文即可。

通讯报文约定如下：

A.下发数据

板卡发送：

站地址	功能码	寄存器起始地址（高）	寄存器起始地址（低）	寄存器数（高）	寄存器数（低）	字节数	数据值（高）	数据值（低）	CRC
01	10	00	64	00	01	02	XX	XX	XX XX

用户应答：

站地址	功能码	寄存器起始地址（高）	寄存器起始地址（低）	寄存器数（高）	寄存器数（低）	CRC
01	10	00	64	00	01	XX XX

B.上传数据

板卡发送：

站地址	功能码	寄存器起始地址（高）	寄存器起始地址（低）	寄存器数（高）	寄存器数（低）	CRC
01	04	00	64	00	02	XX XX

用户应答：

站地址	功能码	字节计数	数据值（高）	数据值（低）	数据值（高）	数据值（低）	CRC
01	04	04	00	00	00	00	XX XX

程序代码如下：

USART配置

USART接收数据处理

USART发送数据处理

USART中断

MFC与西门子S7-1200 PLC通讯连接

现场应用中，PROFINET网络中通常由PROFINET的主站和从站构成，PROFINET主站实现对网络中各从站设备的控制和数据采集，西门子 S7-1200 PLC是常用的PROFINET主站之一。本应用案例中，以集成了PROFINET通讯接口的质量流量控制器作为从站，要实现与西门子 S7-1200 PLC主站的通讯，不仅需要通过网线将MFC设备接入PROFINET网络，同时也需要在主站配置软件TIA Portal中进行适当的网络组态并下载配置给PLC才能正确建立两者之间通讯。

组态配置如下：

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运行博途TIA Portal软件，新建项目工程后在项目视图中进行PROFINET网络组态。在菜单栏“选项”下拉菜单中选择“管理通用站描述文件（GSD）”，安装HK-OEM通讯模块的GSD文件，在弹出的对话框中选择GSD文件的路径，选中文件并点击安装。

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在配置界面右侧“硬件目录”导航区中找到HK-OEM通讯模块，将对应的模块标签拖入PLC PN/IE_1网络中，然后点击“未分配”，在弹出的提示框中点击“PLC_1.PROFINET interface_1”,将HK-OEM模块分配到Profinet网络中。

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在“设备视图”中，首先选择HK-OEM通讯模块，配置其输入输出数据量，并在右侧“硬件目录”导航区中，将所需IO拖入到HONGKE Interface节点下，本例拖入16个字节的输入模块16个字节的输出模块。然后分别选中PLC和HK-OEM通讯模块的以太网口，分配对应的IP地址和子网掩码。

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以上关于PLC与HK-OEM模块的配置基本完成，便可以选择编译和下载配置至PLC中，PLC会通过组态的参数识别PROFINET网络中设备并建立通讯。下载完成并提示无误后，转到在线模式，便可查看各设备状态，同时添加新监控表，查看数据变化。

总结/Conclusion

通过虹科HK-OEM通讯模块可以让质量流量控制器轻松集成像PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen、Profibus、DeviceNet等实时通信协议，且无需对原有设备做太多修改，从而极大的节约开发工作量和开发成本，轻松的实现与现场应用中各种PLC控制器之间的通讯。同样的，该通讯模块也可以这种方式集成到其他设备中，如RFID，工业读写器，称重设备，罐装设备等，十分适用于当前工业4.0发展需要。