IO-Link 在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

本文主要介紹工業(yè)系統(tǒng)中用到的ST IO-Link 通信主站整體解決方案，包含以下5個方面的內(nèi)容：

首先是IO-Link 在工業(yè)自動化中的應(yīng)用；第二是ST IO-Link 主站收發(fā)器的介紹；第三是我們ST的IO-Link 主站評估板的介紹；第四是對IO-Link 主站參考設(shè)計方案的一些介紹；第五就是IO-Link 主站參考設(shè)計的演示。

工業(yè)自動化系統(tǒng)可以說由很多個層級組成，最頂層通常是工業(yè)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到工廠上層的控制中心或者監(jiān)控中心，中間層通常為一些PLC系統(tǒng)，進(jìn)行一些專業(yè)化的過程處理，比如控制一條專門的流水線或者生產(chǎn)線。而在最底層，通常是很多的工業(yè)傳感器，比如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器，或者是接近距離傳感器以及一些執(zhí)行器，比如閥門、動燈、繼電器或者接觸器等，這些皆用來進(jìn)行物理量的收集和控制。

在這些層級之間，也會有一些模塊或者網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理工作。因此，在傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)之中，現(xiàn)場有很多不同的電平標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議，這樣的模塊化和通用性就會比較差。因為現(xiàn)場既有模擬信號，比如說是4到20毫安電流環(huán)，以及模擬電壓信號，同時又有數(shù)字信號。在這樣的環(huán)境中，模擬信號會特別容易受到惡劣現(xiàn)場環(huán)境的干擾。與此同時，模擬量傳輸?shù)膫鞲衅骰蛘邎?zhí)行器也無法進(jìn)行現(xiàn)場的遠(yuǎn)程配置或校準(zhǔn)診斷等工作。 為了解決工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中最后一段數(shù)據(jù)到傳感器和執(zhí)行器的傳輸，如前面所描述的一些類似痛點(diǎn)，我們引入了專門的數(shù)字接口IO-Link,在傳感器和工業(yè)現(xiàn)場總線的接口模塊之間實現(xiàn)了全數(shù)字化的傳輸。雙向的數(shù)據(jù)傳輸就使得現(xiàn)場量的參數(shù)化交互和信息的診斷以及回傳具有了可能性。使用這種技術(shù)，就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的條件監(jiān)控和終端設(shè)備的可預(yù)見性維護(hù)，從而很好緩解生產(chǎn)線的停線問題。

它的優(yōu)點(diǎn)包括：

第一，無論是純數(shù)字式的傳感器，或者是經(jīng)過數(shù)字量化之后的模擬傳感器，以及不同類型的執(zhí)行器，都可以實現(xiàn)統(tǒng)一接入，從而實現(xiàn)簡單化和標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)構(gòu)架。 第二，數(shù)字信號的傳輸會比模擬信號的傳輸抗干擾能力更強(qiáng)，因此系統(tǒng)的可靠性也會更強(qiáng)。 第三，通過數(shù)字信號的雙向傳輸，可以使用更智能、更先進(jìn)的執(zhí)行器或傳感器，就可以更容易地實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)診斷保護(hù)功能。這樣的話，生產(chǎn)線的任何問題和狀態(tài)都可以得到實時的監(jiān)控和維護(hù)，保證整個生產(chǎn)線的可靠性、可維護(hù)性和可升級性，從而保證實現(xiàn)最小的停線時間。

下面是有關(guān)IO-Link 技術(shù)的具體內(nèi)容

首先，IO-LINK標(biāo)準(zhǔn)的定義實現(xiàn)了傳感器或執(zhí)行器到控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸、處理、配置以及診斷信息的交互。其次，這是一種簡單的點(diǎn)對點(diǎn)的通信構(gòu)架，即一個master 端口對接一個設(shè)備端口。然后，它可以實現(xiàn)現(xiàn)有的一些通信構(gòu)架的兼容，比如線纜和接口實現(xiàn)復(fù)用。同時，IO-Link 系統(tǒng)也具有向后兼容的升級能力，因為該系統(tǒng)master 端都是使用數(shù)字二進(jìn)制的串行通信方式與設(shè)備進(jìn)行交互，反之亦然。

可以說IO-link 使系統(tǒng)變得更簡單：

第一，這是一個通用化的標(biāo)準(zhǔn)通信方式，遵從IEC61131-9。 第二，IO-Link 是智能化的通信系統(tǒng)的，解決了控制主機(jī)到終端設(shè)備的最后一段距離的數(shù)字化信息交互和傳輸。 第三，IO-Link 簡單即用，它可以說是即插即用，可以與現(xiàn)有的一些系統(tǒng)設(shè)備實施兼容。

ST在IO-Link通信解決方案中所提供的一些相關(guān)產(chǎn)品及方案

首先，在這個通信系統(tǒng)里，連接上位機(jī)控制器端的被稱之為IO-Link Master，即為后續(xù)會提到的一些主要關(guān)鍵方案。其次，ST在IO-Link Master項目上能提供一些通信芯片，如L6360。在另外一面的傳感器或者執(zhí)行器端，即IO-Link Slave端， ST在這個IO-Link Slave從站項目上可提供的通信芯片為L6362A和L6364。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這種三線點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式很容易就能夠與一些現(xiàn)有的傳感器執(zhí)行器的標(biāo)準(zhǔn)端口相兼容，比如M12的標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)連接器和M12標(biāo)準(zhǔn)的接頭線。另外，它的優(yōu)勢還包括可以在一個線纜里既實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的雙向的信號傳輸，還實現(xiàn)master端對傳感器執(zhí)行器的一般供電需求。根據(jù)目前工業(yè)的一般要求，這個線纜的最大長度為20米，里面的三根線分別是24v、0v以及數(shù)據(jù)線。 該芯片的L+最大可以支持500毫安。如果還需要更大的電流，也有其他的一些L+驅(qū)動器，包括Load Switch IPS等產(chǎn)品，可以提供更大的電流，也可以進(jìn)行外加。IO-Link通訊速度一般可以達(dá)到230.4K一個COM3的波特率，同時還具有狀態(tài)指示及檢測等功能。

對于IO-Link 的一些具體應(yīng)用特點(diǎn)，L6360和L6362A所組成的通信收發(fā)器系統(tǒng)，可以支持IO-Link的三種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分別是COM1(4.8k)、 COM2 (38.4K)和COM3（230.4K）模式。這樣的通信系統(tǒng)可以滿足所有現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)化傳感器的和執(zhí)行器的要求: 第一，它可以快速并非常簡單地對傳感器或執(zhí)行器進(jìn)行配置，或者是再重新配置。 第二，它可以廣泛地應(yīng)用于各種標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器或者執(zhí)行信息的系統(tǒng)。 第三，作為一個數(shù)字化的通信系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的模擬信號傳輸系統(tǒng)，可以降低功耗以及提高系統(tǒng)的效率。 第四，它有完整的診斷和保護(hù)功能，可以提高相關(guān)系統(tǒng)的可靠性。因此，它可以非常廣泛地應(yīng)用于驅(qū)動各種數(shù)字化的傳感器和執(zhí)行器，以及PLC的輸入和輸出模塊，從而實現(xiàn)并滿足工業(yè)4.0的各種需求。