工業(yè)中關(guān)于IO-Link 控制器的應(yīng)用

隨著第四次工業(yè)革命和工業(yè) 4.0 時代的到來，確定的是，全面、智能的自動化需要有先進的控制、監(jiān)測和診斷功能，而這種能力只有通過工業(yè)連接才能實現(xiàn)。通過工業(yè)連接，控制裝置和機器設(shè)備統(tǒng)一連接到某些平臺上（如 IO-Link），以便持續(xù)地交換數(shù)據(jù)。

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圖 ：IO-Link 可通過 IO-Link 主站輕松地集成到現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的補充。IO-Link 主站與其 IO-Link 設(shè)備之間的連接是通過非屏蔽或無屏蔽的三線或五線電纜實現(xiàn)的，這些電纜也能夠為 IO-Link設(shè)備供電。圖中來自主站的電源是 24 伏直流電。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

支撐工業(yè)連接的關(guān)鍵使能技術(shù)是標準化的網(wǎng)絡(luò)和具有板載通信功能的設(shè)備。針對這些功能的協(xié)議有很多。然而，并非所有的工業(yè)協(xié)議都能滿足當今自動化所需的數(shù)據(jù)交換和智能要求。IO-Link 協(xié)議的提出就是為了滿足這些現(xiàn)代應(yīng)用的廣泛需求。

正如 digikey.com 以前的文章所介紹，IO-Link 是一種有線點對點通信協(xié)議，便于設(shè)備之間進行智能雙向數(shù)據(jù)通信。通常情況下，IO-Link 主站（本地控制器）有多個 IO-Link 端口（通道），各種 IO-Link 設(shè)備分別插入其中。這些節(jié)點對節(jié)點的端點連接是使 IO-Link 成為點對點通信協(xié)議的原因。

IO-Link 協(xié)議由一個有著 41 個成員的聯(lián)盟于 2009 年推出，現(xiàn)在已經(jīng)有數(shù)百個成員，已經(jīng)成為一個廣泛接受的通信協(xié)議，對數(shù)據(jù)利用至關(guān)重要，可實現(xiàn)：

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• 優(yōu)化操作
• 減少停機時間并簡化維護工作
• 削減原材料成本，并有利于做出戰(zhàn)略性的運營決策。

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協(xié)調(diào)的 IO-Link 接口由 IEC 61131-9 標準定義，并得到了 Siemens、Omron Corp.、ifm Efector Balluff、Cinch Connectivity、Banner Engineering， 、Rockwell Automation、SICK、Pepperl+Fuchs 以及其他眾多元器件和系統(tǒng)制造商支持。難怪 IO-Link 連接在涉及裝配自動化、機床和內(nèi)部物流的操作中被廣泛運用。其在這些和其他工業(yè)環(huán)境中的三個主要用途包括狀態(tài)通信、機器控制和設(shè)備智能化。

IO-Link 控制器模式與使用相關(guān)聯(lián)

與連接電纜一起使用的連接器類型取決于端口的類型。IO-Link 的 A 類主站端口接受 M8 或 M12（如這里顯示的 ifm efector 的 AL1120）連接器，最多有四個插針，而 B 類對應(yīng)端口則接受與具有五插針 M12 連接器（用于雙向數(shù)據(jù)通信）的設(shè)備連接。在任何既定時間分配到某個主站端口的模式由其所連接的設(shè)備和當前的操作決定。（圖片來源：ifm Efector）

根據(jù)以前的 digikey.com 文章記載，IO-Link 通信協(xié)議能夠讓 IO-Link 高層主站（控制器）上的每個連接器端口實現(xiàn)四種通信模式。具體模式包括完全停用模式以及 IO-Link、數(shù)字輸入 （DI） 和數(shù)字輸出 （DQ） 工作模式。這些模式與上述三種主要 IO-Link 用途松散地聯(lián)系在一起。

IO-Link 工作模式支持與現(xiàn)場設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)通信，通常在監(jiān)測、測試和診斷的數(shù)據(jù)收集期間使用。一個主站端口在 DI 模式下可接受數(shù)字輸入，且當該端口連接到傳感器時開始工作——在這種情況下，充當輸入設(shè)備。相比之下，DQ 模式下的端口則作為數(shù)字輸出，通常這種情形出現(xiàn)在端口連接到執(zhí)行器（在這種情況下，實際上是一個輸出設(shè)備）時或當系統(tǒng) PLC 被設(shè)置為直接向另一個 IO-Link 設(shè)備發(fā)送指令時。

雖然超出了本文的范圍，但需要說明一下，IO-Link 主站上的端口可以隨時在各種模式之間切換。例如，連接到傳感器的主站端口可以在 DI 模式下運行——然后在主站要求從傳感器獲得診斷和監(jiān)測數(shù)據(jù)時切換到 IO-Link 通信模式。

IO-Link 應(yīng)用 1/3：可操作的狀態(tài)通信

通過設(shè)置 IO-Link 設(shè)備來報告狀態(tài)，進而告知系統(tǒng)是否需要必要的調(diào)整和修正，從而可以實現(xiàn)機器監(jiān)控。考慮機床行業(yè)的一個用途，即用 IO-Link 壓力傳感器來驗證工件夾持壓力是否適合，以確保卸下材料的操作中實現(xiàn)無損壞的安全夾持。在這里，IO-Link 傳感器基本上支持優(yōu)化機器任務(wù)，以減少拒絕工件情況。

IO-Link 設(shè)備還可以進行可操作的狀態(tài)通信，以支持加強維護程序，最大限度地減少停機時間。例如，裝配機器上的 IO-Link 位置傳感器可以不斷地報告末端效應(yīng)器的位置，以確保沒有一個超出范圍或?qū)R。

通過分析 IO-Link 設(shè)備提供的診斷數(shù)據(jù)，工廠的機器技術(shù)人員可以預(yù)測到錯誤和潛在故障，并在其發(fā)生之前進行糾正。技術(shù)人員還可以識別機器或工廠的薄弱環(huán)節(jié)，通知企業(yè)管理層未來進行作業(yè)調(diào)整、采購決策和受控機器設(shè)計。

IO-Link 應(yīng)用 2/3：高級控制和自動化

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圖 ：能夠進行高級控制的 IO-Link 系統(tǒng)包括一個 IO-Link 主站（控制器），如圖所示的 Omron NX-ILM400，以及連接到該主站的各種支持 IO-Link 的傳感器、電源和機電設(shè)備。用于此類應(yīng)用的 IO-Link 系統(tǒng)通常將 IO-Link 主站和設(shè)備與 PLC 或其他自動化系統(tǒng)連接起來。（圖片來源：Omron）

控制和自動化是 IO-Link 支持的其他應(yīng)用功能。在 IO-Link 安裝支持無人干預(yù)即可運行的功能的情況下，IO-Link 主站通常連接到主機系統(tǒng)或更高級別的 PLC，后者負責處理收到的數(shù)據(jù)，然后直接或間接地命令設(shè)計中的執(zhí)行器做出適當?shù)膮f(xié)調(diào)反應(yīng)。這種自動化控制要求 IO-Link 系統(tǒng)通過標準化的現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)協(xié)議和電纜連接到更高級別的控制器。事實上，大多數(shù) IO-Link 主站都有現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)端口用于這種連接。

涉及 IO-Link 系統(tǒng)的高級控制應(yīng)用中的設(shè)備采用以下三種方式之一進行集成：

直接連接到主機計算機或 PLC

連接到一個 IO-Link 主站，并通過 IO-Link 協(xié)議進行通信

使用 IO-Link 兼容通信，并通過 IO-Link 集線器連接到 IO-Link 主站

后者本質(zhì)上是作為一個中介，將非 IO-Link 設(shè)備連接到主站。

具有現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信連接能力的 IO-Link 系統(tǒng)的另一個好處是允許長距離連接——這反過來又使安裝人員能夠?qū)?IO-Link 主站設(shè)在控制柜中或最外層的機器上，這對某些特定應(yīng)用很有用。

考慮 IO-Link 設(shè)備通過作為能夠同時處理數(shù)字和模擬信號的低級控制器而使高級裝配應(yīng)用受益的方式，主站可能：

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• 接受由 XY 平臺軸上的 IO-Link 線性編碼器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)
• 作為網(wǎng)關(guān)來處理數(shù)據(jù)
• 將經(jīng)過處理的 IO-Link 現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)提交給 PLC 或其他系統(tǒng)控制器

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IO-Link 應(yīng)用 3/3：設(shè)備智能

IO-Link 的第三個應(yīng)用是使設(shè)備智能化。這些支持 IO-Link 的設(shè)備在類似于沒有（或較少）編程的傳統(tǒng)傳感器選項的傳感器設(shè)計中尤其常見，可以接收指令、監(jiān)測和執(zhí)行自檢程序，并產(chǎn)生數(shù)據(jù)。由于 IO-Link 除了基礎(chǔ)雙值（是-否或通過-失?。┻€允許設(shè)備提供更多數(shù)據(jù)，因此也可以報告精確值。例如，過程自動化任務(wù)受益于 IO-Link 溫度傳感器，它不僅報告高或低溫度狀態(tài)，還持續(xù)報告被監(jiān)測區(qū)域或空間的精確溫度值。

IO-Link 用于智能現(xiàn)場設(shè)備的另一個好處是其物理連接的緊湊。這與現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)接口的物理連接形成鮮明對比，后者有時會因體積過大而無法在現(xiàn)場微型設(shè)備上安裝。

IO-Link 智能組件也可以被精確控制。例如，代替基本的關(guān)閉和開啟控制，一旦某個場景滿足一組條件，就可以命令執(zhí)行器關(guān)閉。

像 RAFI 提供的按鈕開關(guān)這樣的輸入設(shè)備也可以利用 IO-Link 功能來支持智能設(shè)備功能，包括彩色編碼指示燈。

智能設(shè)備應(yīng)用使用 IO-Link 時有一些注意事項。雖然有一種無線形式的 IO-Link 正在開發(fā)中，但它仍然是一種有線通信協(xié)議，所以它仍然受到硬接線的所有限制。為了保持數(shù)據(jù)的完整性，IO-Link 主站到設(shè)備的布線不得超過 20 米。此外，由于 IO-Link 協(xié)議每個周期最多只能傳輸 32 字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以它不足以用于像每分鐘可產(chǎn)生數(shù) MB 數(shù)據(jù)的攝像機這樣的現(xiàn)場設(shè)備。

結(jié)語

IO-Link 系統(tǒng)的用途很多，補充了現(xiàn)有的協(xié)議，幾乎支持無限的控制和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。IO-Link 系統(tǒng)只包括一個 IO-Link 主站、應(yīng)用設(shè)備以及與其連接的三線或五線電纜，其簡單性促進了該系統(tǒng)的采用。即插即用的安裝和高性價比是 IO-Link 另外的優(yōu)點。

在 IO-Link 聯(lián)盟成員公司努力下，不同制造商的控制器、設(shè)備和執(zhí)行器之間的廣泛兼容性獲得了保證，這為設(shè)計工程師提供了最廣泛的設(shè)備選擇，以滿足他們的具體使用情況要求。