多协议远程 I/O 如何简化机器控制并支持 OEE？

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

2025-11-06

简化机器控制始于工厂车间，贯穿控制网络，最终延伸至控制柜与云端。整合是实现此目标的关键考量，而多协议 I/O 模块则可以为此提供支持。

诸如以太网、IO-Link 和 Modbus RTU 之类协议是针对特定应用进行优化的，所以不同的应用要使用不同的协议，要使用不同的电缆进行连接。远程多协议 I/O 系统无需将每台机器、传感器和执行器的单独电缆连接回中央控制器，而是利用单根网线将使用不同协议的多个现场设备的数据汇聚在一起。这种整合大大减少了布线，降低了成本，提高了系统的灵活性、可扩展性和维护性。

为了简化整体设备效率 (OEE) 计算的导入，还需要通过整合来支持数据汇总。OEE 是生产流程效率的综合衡量标准，结合了可用性、性能和质量指标。OEE 提供了重要的数据，用于做出明智的、数据驱动的决策，以优化生产流程，从而降低成本、提高产量、改善产品质量并提高盈利能力。

本文回顾了 Banner Engineering 多协议模块如何在整个工业网络中支持远程 I/O 连接和 OEE，涵盖工厂车间的机器、传感器和其他现场设备一直到控制柜和云。

使用 OEE 指标可以为工厂绩效提供清晰、数据化的透视。这可以提高生产率、降低成本、改善质量，并让总体决策更加明智。

OEE 基于一个具有强大意义的优雅方程（图 1）。

可用性衡量的是计划生产时间与设备运行时间的百分比 = 实际运行时间/计划生产时间。如果一台机器计划运行 24 小时（1440 分钟），但由于计划外停机只运行了 20 小时（1200 分钟），则可用性为 1200/1440 = 83.3% 。
性能衡量实际生产速度与最大生产速度之比 =（最大生产周期 x 生产总量）/ 运行时间。如果一台机器的最大生产周期为每分钟 1 个单位，运行时间为 1200 分钟，而它只生产了 1000 个单位，则性能为（1 分钟/单位 x 1000 个单位) / 1200 分钟 = 83.3%
质量衡量的是优等品的百分比 = 优等品数/所生产的产品总数。例如，如果一台机器生产了 1000 件，但有 20 件报废或需要返工，则质量为 980 / 1000 = 98%
OEE = 83.3%（可用性）× 83.3% （性能）× 98% （质量）= 68.0%

计算 OEE 的数学公司非常简单图片 图 1：计算 OEE 的数学公司很简单，但 OEE 的影响却深远而广泛。（图片来源：Banner Engineering）

在工厂车间导入 OEE 所面临的挑战

获取导入 OEE 所需的数据可能具有挑战性。从所有机器中收集准确、实时的数据是一个关键挑战。对于老式机器和自动化孤岛而言，尤其如此。

手动数据录入不仅会减慢数据收集速度，还会导致数据录入错误和不准确，例如错误分类停机时间和缺陷，从而导致不正确或失真 OEE 测量结果。

及时、准确和全面的数据是有效导入 OEE 计划的关键。这不仅包括工厂车间，还包括与现有系统的集成，如企业资源规划 (ERP) 或计算机化维护管理系统 (CMMS)、预测性维护程序和其他先进的工业 4.0 系统。远程 I/O 解决方案，特别是那些包含边缘处理功能的解决方案，可以成为导入 OEE 的重要工具。

远程 I/O 解决方案

远程 I/O 集线器通过一条网络总线将 I/O 模块连接到控制器，从而使 I/O 模块更加接近传感器和执行器等现场设备。这降低了布线成本，简化了集成，并提高了可用性。

支持多协议远程 I/O 解决方案的关键网络设备包括多协议以太网模块、IO-Link 主站、IO-Link 集线器和 Modbus RTU I/O 模块等（图 2）。

Banner Engineering 提供的远程 I/O 配置图片 图 2：Banner Engineering 提供的多种远程 I/O 配置示例。（图片来源：Banner Engineering）

这些远程 I/O 设备中有几款具有 IP67 防护等级，可在具有挑战性的工业环境中使用，主站和控制器还包括边缘处理和数据存储功能，可简化与 OEE 应用的集成。具体包括：

DXMR90-X1 中的四个独立 Modbus 主端口可用于连接多个设备，并将 Modbus 数据转换为符合 EtherNet/IP 和 PROFINET 等通用工业以太网协议要求的格式。
DXMR90-4K 可作为主站和控制器使用，支持多达四个 IO-Link 设备（如传感器、集线器和照明设备），其内置协议转换功能可与 EtherNet/IP、PROFINET、Modbus/TCP 和 Modbus RTU 等多种工业控制系统通信。对于多达 8 个 IO-Link 设备的应用，设计人员可以使用 DXMR110-8K，它具有相同的协议转换功能。
R95C-8B21-MQ 也支持八端口分立 I/O，可将所连接传感器和设备的分立信号转换为 Modbus 协议格式。

用于连接传感器的转换器也至关重要。使用 S15C-I-KQ 在线转换器，可将具有 4-20 mA 模拟电流输出的传统传感器连接到 IO-Link 网络。产生分立 NPN 或 PNP 输出的传感器可使用 S15C-B22-MQ 在线转换器与 Modbus 网络连接。

集线器可用于整合工厂车间的信号。R90C-4B21-KQ 是一款 4 端口分立 IO-Link 集线器，可将非 IO-Link 分立设备连接到 IO-Link 系统中，将其信号合并并传输到 IO-Link 主站。它的 IP 防护等级为 IP65、IP67 和 IP68。

柜内 IO-Link 集线器

柜内 IO-Link 集线器为导入 OEE、加强数据收集、减少停机时间和简化维护提供了另一种功能强大且经济高效的工具。通过集中多个分立和模拟传感器，集线器可简化布线，并可直接、实时地访问导入 OEE 所需的详细性能和诊断数据。

当需要柜内 IO-Link 集线器时，设计人员可以使用 Banner 的 IC70 系列。这些集线器简化了将单个传感器和执行器集成到控制系统中的过程，无需额外的 I/O 模块。

集成的延迟模式和端口监控可实现基本的逻辑功能，而无需依赖系统的可编程逻辑控制器 (PLC)，从而加快了设置速度并简化了编程。LED 状态指示灯支持实时诊断，确保快速准确地排除故障，最大限度地减少停机时间。

IC70-16P-K 型号（图 3）专为 PNP 器件设计，而 IC70-16N-K 型号则专为 NPN 器件设计。两者都有 16 个通道，环境防护等级均为 IP20，适合在控制柜中使用，并可安装在标准的 35 mm DIN 导轨上。

Banner Engineering 柜内 IO-Link 集线器防护等级为 IP20 图片 图 3：这种柜内 IO-Link 集线器的防护等级为 IP20，最多可连接 16 个 PNP 器件。（图片来源：Banner Engineering）

无线连接和 OEE

在导入 OEE 时，与控制柜和云的无线连接至关重要。通过消除有线系统的限制，无线连接可以提高操作的灵活性、可扩展性和效率。

Banner 提供适用于各种自动化协议的无线 I/O 解决方案，协议包括用于 PLC、HMI 或其他本地主机之间通信的 Modbus/TCP、Modbus RTU 和 EtherNet/IP。这些无线控制器可与本地串行端口、本地 I/O 端口和本地 ISM 无线电设备连接，并通过蜂窝连接或有线以太网网络连接，将它们连接到互联网。

DXM700-B1 和 DXM1200-B2R1 控制器均可使用 Banner 的 Sure Cross DX80 无线网关或 MultiHop 无线电进行无线通信，900 MHz 或 2.4 GHz ISM 频段可用于远距离通信。它们具有行业标准 RS-485、以太网和 USB 通信端口。

两者都包括一个内部逻辑控制器，带有操作规则和 ScriptBasic 编程功能，能够开发简单或复杂的解决方案，处理、记录和控制与多个无线射频和传感器之间的数据往来。它们还配有集成的可编程 LDC 屏幕和 LED 指示灯（图 4）。

Banner Engineering DXM1200-B2 控制器（左）和 DXM700-B1 控制器（右）图片 图 4：DXM1200-B2 控制器（左）和 DXM700-B1 控制器（右）。（图片来源：Banner Engineering）

这两款控制器都可以连接到云服务，如 Banner 的 Connected Data Solutions (CDS)，以实现数据可视化和分析，并带有 300 MHz M7 处理器和 16 MB 板载内存。它们可以发送电子邮件和短信警报，支持将数据记录到外置 microSD 卡（最大 8GB）上，并且都在相同的 12 V_DC 至 30 V_DC 电源下工作。

主要区别在于其应用环境不同。DXM700 的外壳防护等级为 IP20，为室内安装提供适度保护，并采用 DIN 导轨安装。DXM1200 的外壳防护等级为 IP67，具有强大的防尘防水功能，适用于恶劣的室外环境，可安装在面板或墙壁上。

它们还具有不同的以太网连接。DXM700 有一个 RJ45 插孔，使用标准以太网电缆。DXM1200 采用更坚固的工业级 M12 (D-code) 连接器，可承受振动和环境压力。

结语

Banner Engineering 的多协议远程 I/O 主站和控制器，特别是 DXMR 有线系列和 DXM 无线解决方案，具有边缘处理功能，可在本地整合和处理数据，这对于导入 OEE 和其他工业物联网 (IIoT) 应用至关重要。Banner 还提供在线协议转换器和柜内 IO-Link 集线器，可简化布线，实现远程配置和监控，并降低成本。它们可以有效整合传统设备和现代设备。