在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中想玩轉(zhuǎn)IO-Link有哪些好料值得選

制造商和設(shè)施經(jīng)理漸漸意識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)（IoT） 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 在降低成本、改善工藝和安全方面頗具潛力，有助于提高設(shè)備可用性和最終產(chǎn)品質(zhì)量。為了充分利用這一潛力，運(yùn)營(yíng)工程師和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員需要設(shè)法有效部署和連接數(shù)百個(gè)（甚至數(shù)千個(gè)）智能傳感器和執(zhí)行器，以收集系統(tǒng)和工藝元件的數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些系統(tǒng)和元件最初并非為雙向通信而設(shè)計(jì)。

同時(shí)，還需要將當(dāng)前連接的設(shè)備和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有效集成到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，以最低的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性來(lái)實(shí)現(xiàn)可接受的全局互操作性，這一任務(wù)同樣極具挑戰(zhàn)性。 IO-Link （IEC 61131-9） 單點(diǎn)數(shù)字通信接口標(biāo)準(zhǔn)是為解決許多傳感器和執(zhí)行器連接問(wèn)題的一項(xiàng)全球性嘗試。原理雖簡(jiǎn)單，但是挑戰(zhàn)在于這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較新，許多設(shè)計(jì)人員尚不熟悉其內(nèi)容和應(yīng)用方法。 本文面向希望正確且快速實(shí)施傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)工程師和技術(shù)人員，以STMicroelectronics、Texas Instruments、Carlo Gavazzi、Phoenix Contact、Analog Devices和Omron等供應(yīng)商的相關(guān)IO-Link系統(tǒng)元器件為例，詳細(xì)介紹了IO-Link，以期幫助其熟悉該標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)IO-Link實(shí)施的實(shí)用性進(jìn)行探討。

什么是IO-Link？

IO-Link是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)有線（或無(wú)線）系統(tǒng)的串行數(shù)字通信協(xié)議，針對(duì)各種傳感器和執(zhí)行器均采用三線制連接，并為需要額外電源的設(shè)備提供五線制標(biāo)準(zhǔn)電纜連接。該協(xié)議由IO-Link聯(lián)盟開(kāi)發(fā)，并于2010年作為“用于小型傳感器和執(zhí)行器的單點(diǎn)數(shù)字通信接口”（SDCI）納入適用于可編程邏輯控制器 （PLC） 的IEC61131-9標(biāo)準(zhǔn)中。

常規(guī)I/O與IO-Link的主要區(qū)別在于IO-Link能夠傳輸以下四種主要數(shù)據(jù)類型：

過(guò)程數(shù)據(jù)：過(guò)程數(shù)據(jù)包括循環(huán)（即每個(gè)通信周期）傳輸?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

值狀態(tài)：每個(gè)端口都具有值狀態(tài) （Port Qualifier）。值狀態(tài)可顯示過(guò)程數(shù)據(jù)是否有效，并且可與過(guò)程數(shù)據(jù)一起循環(huán)傳輸。

設(shè)備數(shù)據(jù)：設(shè)備數(shù)據(jù)可以是參數(shù)、標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)和診斷信息。設(shè)備數(shù)據(jù)采用非循環(huán)交換，并在響應(yīng)IO-Link主站查詢時(shí)進(jìn)行。設(shè)備數(shù)據(jù)既可寫(xiě)入設(shè)備，也可從設(shè)備讀取。

事件：事件是非循環(huán)的，包括錯(cuò)誤消息（例如短路）和警告/維護(hù)數(shù)據(jù)（例如污染、過(guò)熱）。

請(qǐng)注意，設(shè)備參數(shù)或事件的傳輸獨(dú)立于過(guò)程數(shù)據(jù)的循環(huán)傳輸。各傳輸不會(huì)相互影響或削弱。

IO-Link不需要特殊的電纜和連接器。相反，該規(guī)范要求使用長(zhǎng)度不超過(guò)20m的標(biāo)準(zhǔn)非屏蔽三至五芯電纜。標(biāo)準(zhǔn)連接配置為M5、M8和M12圓形連接器。

對(duì)于三線制連接類型，IO-Link術(shù)語(yǔ)稱為A類端口；三芯導(dǎo)線中，一芯用于通信，一芯用于電子設(shè)備供電，另一芯則作為公共參考電位。此連接的最大輸出電流為200mA。此外，該規(guī)范還要求使用4針連接器，第四針引腳用作符合IEC61131-2標(biāo)準(zhǔn)的附加信號(hào)線，主站和設(shè)備均可選用。

上述五線制連接稱為B類端口，用于需要外加電氣隔離式獨(dú)立24V電源的設(shè)備（通常是執(zhí)行器）。

IO-Link的一項(xiàng)特殊特性是現(xiàn)場(chǎng)總線中立性，允許IO-Link功能連接至任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線。IO-Link既可使用Profibus、Profinet、EtherCAT和Sercos等現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)映射，也可使用EtherNet/IP、CANopen、Modbus、CC-Link和AS-Interface的制造商特定映射。

每個(gè)IO-Link設(shè)備都具有獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)總線或控制器的IO設(shè)備描述 （IODD），以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線中立性。IODD包括設(shè)備的制造商、型號(hào)、序列號(hào)、設(shè)備類型和參數(shù)詳情等相關(guān)信息。

IO-Link系統(tǒng)配置基礎(chǔ)知識(shí)

IO-Link系統(tǒng)包括IO-Link主站以及傳感器和執(zhí)行器等IO-Link設(shè)備（圖1）。所有IO-Link設(shè)備均需連接至IO-Link主站。

圖1：IO-Link系統(tǒng)包括控制器（黑框標(biāo)記）、一個(gè)IO-Link主站（或多個(gè)主站）以及通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)三芯或五芯電纜連接的IO-Link設(shè)備（例如傳感器和執(zhí)行器）。（圖片來(lái)源：IO-Link Community）

IO-Link系統(tǒng)中控制器可由通信主站和CPU進(jìn)行配置。控制器可執(zhí)行用戶程序，并與IO-Link主站交換 I/O 數(shù)據(jù)。

IO-Link主站單元作為從站，通過(guò)EtherCAT、Profibus或Omron NX總線等現(xiàn)場(chǎng)總線連接至控制器。主站單元與IO-Link設(shè)備進(jìn)行IO-Link通信。

發(fā)生事件時(shí)，設(shè)備向主站發(fā)出信號(hào)，說(shuō)明發(fā)生了事件。隨后主站讀取事件，錯(cuò)誤消息經(jīng)由IO-Link主站從設(shè)備傳輸至控制器或人機(jī)界面 （HMI）。此外，IO-Link 主站也可以自主傳輸事件和狀態(tài)，例如斷路、通信故障等事件。

IO-Link主站的各個(gè)端口都可處理二進(jìn)制開(kāi)關(guān)信號(hào)和模擬量（例如8位、12位、16位）。IO-Link串行通信通過(guò)同一端口進(jìn)行。除了接線簡(jiǎn)單外，IO-Link還具有自動(dòng)參數(shù)設(shè)置和豐富的診斷功能等其他優(yōu)勢(shì)。

IO-Link標(biāo)準(zhǔn)在每個(gè)周期可傳輸2字節(jié)的過(guò)程數(shù)據(jù)。IO-Link主站與設(shè)備之間的傳輸速度為230kbaud，耗時(shí)400μs。用戶可以控制數(shù)據(jù)幀的大小，因此也可以在更長(zhǎng)周期內(nèi)傳輸更大的過(guò)程數(shù)據(jù)，最大長(zhǎng)度為32字節(jié)。

設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)會(huì)直接自動(dòng)存儲(chǔ)在IO-Link主站中，以確保更換設(shè)備時(shí)不會(huì)丟失。一旦連接了相同的替換設(shè)備，先前設(shè)備的參數(shù)就會(huì)自動(dòng)傳輸至新設(shè)備。

STMicroelectronics的STEVAL-IFP016V2 IO-Link通信主站收發(fā)器演示板提供了主站功能的典型示例（圖3）。該演示板具有STMicroelectronics的L6360 IO-Link主端口，可用作多個(gè)I/O設(shè)備的通信收發(fā)器：既具有IO-Link主端口模式，也具有標(biāo)準(zhǔn)I/O模式。該演示板與外部微控制器連接即可演示L6360單片IO-Link主站作為多個(gè)I/O設(shè)備通信收發(fā)器的功能。

另一個(gè)示例是Analog Devices的DC1880A演示板，具有LTC2874四路IO-Link主站熱插拔控制器和物理層接口 （PHY）。在特殊情況下也可配置LTC2874，使其為大電流串行輸入/輸出 （SIO） 器件供電。

圖4：DC1880A演示板具有用于IO-Link主站的LTC2874四路熱插拔控制器和PHY。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

該演示板由外部電源供電，使用DC590B USB串行控制器板通過(guò)SPI協(xié)議與LTC2874進(jìn)行通信（圖5）。兼容Arduino的隔離式Linduino One演示板DC2026C則可為IO-Link系統(tǒng)提供支持軟件。

圖5：如需著手使用DC1880A演示板，請(qǐng)下載相關(guān)評(píng)估軟件，將DC590B板連接至PC，然后將DC1880A板連接至DC590B板。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

如需著手使用DC1880A演示板，請(qǐng)下載QuickEval軟件，使用標(biāo)準(zhǔn)USB A/B電纜將DC590B板連接至PC，然后使用DC590B板隨附的14芯帶狀電纜將DC1880A板連接至DC590B板。DC1880A板的跳線可用于設(shè)置不同的電壓，為DC590板和DC1880A板的邏輯電源 （VL） 電壓引腳供電。不過(guò)，上電必須分階段進(jìn)行。連接輸入電源之前須確保電壓低于40 V，并且連接之前必須關(guān)閉電源。

IO-Link上電操作

當(dāng)LTC2874等IO-Link主站上電時(shí)，主站將詢問(wèn)連接的各個(gè)設(shè)備以確定設(shè)備處于正確的操作模式。常規(guī)IO與IO-Link設(shè)備可混合使用并在同一系統(tǒng)中無(wú)縫運(yùn)行。例如，可將LTC2874的一個(gè)端口設(shè)置為具有L+熱插拔功能的標(biāo)準(zhǔn)I/O （SIO） 端口（端口4），其他三個(gè)端口則設(shè)置為大電流 （SIO+） 端口（圖6）。

圖6：LTC2874四路IO-Link主站配置為三個(gè)大電流SIO端口 （SIO+） 和一個(gè)具有L+熱插拔功能的正常電流SIO端口（端口4）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

LTC2874在SIO+模式下運(yùn)行時(shí)，將熱插拔通道用作大電流SIO驅(qū)動(dòng)器可按需提供大電流。LTC2874的額定通信或信令 （CQ） 電流為110mA。SIO通道并聯(lián)的最大電流可達(dá)440mA。請(qǐng)注意，該電流超過(guò)了IO-Link規(guī)范定義的最大輸出電流200mA。如果設(shè)計(jì)人員需要超過(guò)200mA的大電流，雖然仍可維持LTC2874的IO-Link特性和功能，但是不符合IO-Link標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對(duì)工業(yè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的IO-Link接口，Texas Instruments推出SN65HVD101EVM IO-Link接口評(píng)估板，可用于SN65HVD101和SN65HVD102收發(fā)器，有助于設(shè)計(jì)人員評(píng)估設(shè)備性能，為這兩款I(lǐng)O-LinkPHY設(shè)備的快速開(kāi)發(fā)和分析提供支持。

SN65HVD101和SN65HV2102 IO-Link PHY可用作工業(yè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的IO-Link接口。當(dāng)設(shè)備連接至IO-Link主站后，便會(huì)響應(yīng)主站發(fā)起的通信。這些PHY設(shè)備可與主站節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，作為雙向通信的完整物理層。

完全封裝的可部署IO-Link主站包括Phoenix Contact的DIN導(dǎo)軌安裝式1072839 IOL MA8 EIP DI8八通道IO-Link主站。

IOL MA8 EIP DI8可構(gòu)成完整IO-Link系統(tǒng)連接至EtherNet/IP和Modbus TCP網(wǎng)關(guān)，可通過(guò)基于Web的管理連接多達(dá)8個(gè)IO-Link傳感器（圖8）。該主站具有兩個(gè)交換機(jī)類以太網(wǎng)端口、狀態(tài)LED以及可輕松連接電源和IO-Link端口的連接器。

圖8：IO-Link主站的Web界面可對(duì)連接的所有IO-Link設(shè)備進(jìn)行完全控制和診斷。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

通過(guò)Web界面即可獲得所有IO-Link設(shè)備的完全訪問(wèn)權(quán)限。例如，如需訪問(wèn)Web界面的診斷頁(yè)面，用戶只需登錄IOL MA8 EIP DI8，單擊 “Diagnostics”（診斷）選項(xiàng)卡，然后單擊所需的子選項(xiàng)卡。如需顯示圖8所示的“IO-Link Diagnostics”（IO-Link診斷）頁(yè)面，用戶只需單擊 “IO-Link” 子選項(xiàng)卡。

IO-Link傳感器

借助IO-Link，設(shè)計(jì)人員可以有效地將數(shù)據(jù)從傳感器直接傳輸至控制系統(tǒng)。具有IO-Link功能的傳感器配置靈活，可為控制器提供診斷信息以確保機(jī)器有效運(yùn)行。除了檢測(cè)傳送帶上的物件等基本檢測(cè)功能外，策略性放置合適的傳感器還可提供準(zhǔn)確而詳盡的機(jī)器運(yùn)行狀況。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，提前預(yù)測(cè)故障可提高設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間和整體生產(chǎn)率。

IO-Link傳感器選擇眾多。例如，Carlo Gavazzi推出的耐用型電容式接近傳感器CA18CAN12BPA2IO。該傳感器的響應(yīng)時(shí)間不足10ms，使用該公司的第四代TripleshieldTM技術(shù)以提高電磁干擾（EMI） 抗擾度（尤其對(duì)于變頻器），并改善防潮和防塵特性。

圖9：Carlo Gavazzi的CA18CAN12BPA2IO電容式接近傳感器屬于新一代CA18CA系列IO傳感器，提高了EMI抗擾度（尤其對(duì)于變頻器），改善了防潮和防塵特性。（圖片來(lái)源：Carlo Gavazzi）

該傳感器符合DIN 40050-9標(biāo)準(zhǔn)要求通過(guò)IP69K測(cè)試，適用于高壓高溫沖洗應(yīng)用。隨附電纜長(zhǎng)度為2m，檢測(cè)范圍為2至10mm（嵌裝）或3至15mm（非嵌裝）。

通過(guò)IO-Link連接的可調(diào)參數(shù)包括：

檢測(cè)距離和磁滯

檢測(cè)模式：?jiǎn)吸c(diǎn)、兩點(diǎn)或窗口模式

定時(shí)器功能，例如：接通延遲、關(guān)閉延遲、單次上升沿或下降沿

邏輯功能，例如：AND、OR、X-OR和SR-FF

外部輸入

記錄功能：最高溫度、最低溫度、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行周期、電源周期、高于最高溫度的時(shí)間和低于最低溫度的時(shí)間等

值得注意的是，未連接至啟用IO-Link的控制系統(tǒng)時(shí)，這些傳感器與所有IO-Link傳感器一樣，也可作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用。因此，用戶可為標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用和IO-Link應(yīng)用儲(chǔ)備相同的傳感器，從而簡(jiǎn)化選型過(guò)程并降低庫(kù)存成本。 如果沒(méi)有PC或筆記本電腦，Carlo Gavazzi的SCTL55 IO-Link智能配置器是一款便攜式自供電設(shè)備，可以修改和優(yōu)化傳感器參數(shù)，使用可用數(shù)據(jù)來(lái)改善工藝且有助于采取預(yù)防性維護(hù)（圖10）。

圖10：用于IO-Link傳感器的Carlo Gavazzi智能配置器可訪問(wèn)傳感器數(shù)據(jù)并管理其參數(shù)。（圖片來(lái)源：Carlo Gavazzi）

通過(guò)5.5“高清觸摸屏和專用應(yīng)用程序，智能配置器的用戶可以訪問(wèn)高級(jí)診斷和故障排除，查看運(yùn)行時(shí)間、檢測(cè)次數(shù)、運(yùn)行周期和警報(bào)。

使用IO-Link升級(jí)傳統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)

IO-Link標(biāo)準(zhǔn)表明，只要相關(guān)總線系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)IO-Link系統(tǒng)映射，即可利用現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)升級(jí)傳統(tǒng)系統(tǒng)。擴(kuò)展現(xiàn)有總線系統(tǒng)是可行的。IO-Link主站將IO-Link數(shù)據(jù)映射至所用的現(xiàn)場(chǎng)總線，以實(shí)現(xiàn)IO-Link設(shè)備與PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

對(duì)于不具有IO-Link功能的傳感器，若無(wú)標(biāo)準(zhǔn)PNP輸出或推挽輸出，則可連接至IO-Link主站，無(wú)需特殊的IO-Link電纜或連接器。

總結(jié)

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)人員需要一種標(biāo)準(zhǔn)化的快捷方法來(lái)部署和連接智能傳感器和執(zhí)行器。IO-Link的數(shù)字接口易于使用，有助于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

如上所述，市面上有許多現(xiàn)成解決方案可幫助設(shè)計(jì)人員快速了解、評(píng)估和有效部署IO-Link設(shè)備，藉此可為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用改善工藝，提高生產(chǎn)效率和安全性，減少停機(jī)時(shí)間。

編輯：jq