利用 IO-Link 提高工業(yè) 4.0 工廠的靈活性、利用率和效率

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

要支持作為工業(yè) 4.0 標(biāo)志的數(shù)據(jù)收集和分析，就經(jīng)常需要對(duì)生產(chǎn)線和過(guò)程進(jìn)行更改，包括添加、移除或重新設(shè)置數(shù)字傳感器、執(zhí)行器、指示器和其他設(shè)備。在具有各種特性的傳統(tǒng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，這一點(diǎn)是很難有效實(shí)現(xiàn)的。工業(yè) 4.0 設(shè)備需要在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和不斷增加的大量本地傳感器、執(zhí)行器和指示器之間建立另一層連接并實(shí)現(xiàn)靈活性。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，IO-Link 作為一種開放式標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。利用這一標(biāo)準(zhǔn)可以將傳感器、執(zhí)行器和指示器等設(shè)備的信號(hào)連接到以太網(wǎng) IP、Modbus TCP/IP 和PROFINET 等更高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)這些網(wǎng)絡(luò)連接可編程邏輯控制器 (PLC)、人機(jī)界面 (HMI) 設(shè)備、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)以及云。IO-Link 串行連接按照 IEC 61131-9 實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并使用 IEC 60974-5-2 中規(guī)定的簡(jiǎn)單非屏蔽三線或五線標(biāo)準(zhǔn)電纜。自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，IO-Link 特別有助于為了實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 工廠而進(jìn)行互連設(shè)備的快速部署、遠(yuǎn)程配置、監(jiān)控和診斷。

本文將介紹 IO-Link 的功能和優(yōu)勢(shì)，探討 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行，具體包括使用各種類型的 IO-Link 設(shè)備來(lái)構(gòu)建傳感器、執(zhí)行器和指示器的本地網(wǎng)絡(luò)，以支持工業(yè) 4.0。本文還將介紹 [Banner Engineering]的 [IO-Link master]、集線器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)備，設(shè)計(jì)人員可利用這些設(shè)備高效地部署大量的工業(yè) 4.0 邊緣設(shè)備。

IO-Link 適用于哪些領(lǐng)域？

IO-Link 提供了一種較低層次的網(wǎng)絡(luò)，可捕獲來(lái)自分布式傳感器、執(zhí)行器和指示器的數(shù)據(jù)，連接可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 IO-Link 格式的轉(zhuǎn)換器，然后根據(jù)需要將數(shù)據(jù)分發(fā)給 IO-Link 集線器或主機(jī)設(shè)備，以便連接如以太網(wǎng)、Modbus 和 PROFINET 等較高層次的工廠網(wǎng)絡(luò)（圖 1）。

圖 1：IO-Link 為工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)和其他傳感器、執(zhí)行器和設(shè)備（左）與現(xiàn)有 SCADA、HMI 和云（右）的連接提供了全面的解決方案。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

IO-Link 的主要特性如下：

• 開放式標(biāo)準(zhǔn)
• 支持本地設(shè)備的快速集成、配置和調(diào)試，以加快轉(zhuǎn)換速度，提高靈活性，同時(shí)最大限度地減少對(duì)人工支持的需求
• 兼容現(xiàn)有的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)
• 可以同步或異步方式進(jìn)行的、強(qiáng)大的雙向通信能力，可最大限度地提高通信效率
• 設(shè)備級(jí)遠(yuǎn)程診斷支持
• 動(dòng)態(tài)更改傳感器或執(zhí)行器的參數(shù)，從而加快過(guò)程優(yōu)化速度
• 具有集成設(shè)備識(shí)別和自動(dòng)參數(shù)重新分配功能，可最大限度地提高利用率

如何連接 IO-Link 設(shè)備

IO-Link 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備使用三芯或五芯非屏蔽電纜連接，最長(zhǎng)可達(dá) 20 m。IEC 60947-5-2 規(guī)定了主機(jī)和設(shè)備的引腳布局。公接頭分配給設(shè)備，母接頭用于主機(jī)?？梢圆捎?M5、M8 或 M12 連接器，最多 5 針配置。在主機(jī)上，針腳 1 和 3 之間施加24 VDC 電壓且電流高達(dá) 200 mA 的 ，作為設(shè)備的選用電源。根據(jù) IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，固定針腳 4 為數(shù)字輸入 (DI) 或數(shù)字輸出 (DO)，并根據(jù) IEC60947-5-2 標(biāo)準(zhǔn)，支持向后兼容傳統(tǒng)設(shè)備。

在 A 類端口中，針腳 2 和 5 不連接 (NC)；而在 B 類端口中，這些針腳可配置為 DI、DO、不連接 (NC) 或用于提供額外電源。在大多數(shù)工業(yè)裝置中，使用 M12 快斷連接器。圖 2 匯總了 IEC 60974-5 中規(guī)定的具體引腳分配：

• 針腳 1：+24 VDC，最大 200 mA (L+)
• 針腳 2：數(shù) I/O（僅 PNP）
• 針腳 3：0 V (L-)
• 針腳 4：數(shù)字 I/O（NPN、PNP 或推挽式）和 IO-Link 通信
• 針腳 5：中心針腳 NC（選用）

圖 2：IO-Link 是一種為傳感器和執(zhí)行器等邊緣設(shè)備提供電源和數(shù)據(jù)連接的簡(jiǎn)單解決方案。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

為什么選擇 IO-Link？

IO-Link 通過(guò)可靠的低成本標(biāo)準(zhǔn)化布線，以及簡(jiǎn)便的設(shè)備安裝或更換要求，有助于大幅提高工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)的性能。此外，它還可簡(jiǎn)化現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中隔離式傳感器的集成。IO-Link 的優(yōu)點(diǎn)包括：

通過(guò) IO-Link 將隔離的設(shè)備和自動(dòng)化島連接到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中，提高數(shù)據(jù)利用率。傳感器等級(jí)數(shù)據(jù)并不總是可用或易于獲取。使用 IO-Link，獲取數(shù)據(jù)變得異常容易，并可實(shí)時(shí)用于優(yōu)化流程，支持對(duì)機(jī)器和傳感器進(jìn)行主動(dòng)式維護(hù)。IO-Link 支持以下三種主要數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)可進(jìn)一步分為按計(jì)劃自動(dòng)傳輸?shù)难h(huán)數(shù)據(jù)和根據(jù)請(qǐng)求或需要傳輸?shù)姆茄h(huán)數(shù)據(jù)。

• 過(guò)程數(shù)據(jù)：指設(shè)備發(fā)送給主機(jī)的信息（如傳感器讀數(shù)），以及從主機(jī)到控制設(shè)備運(yùn)行的信息（如塔式照明燈具上的特定照明段）。過(guò)程數(shù)據(jù)可以是循環(huán)數(shù)據(jù)或非循環(huán)數(shù)據(jù)。
• 服務(wù)數(shù)據(jù)：包括設(shè)備信息，有時(shí)也稱為設(shè)備數(shù)據(jù)。服務(wù)數(shù)據(jù)包括設(shè)備參數(shù)值、設(shè)備描述以及型號(hào)、序列號(hào)。這種數(shù)據(jù)是非循環(huán)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要從設(shè)備讀取或?qū)懭搿?/li>
• 事件數(shù)據(jù)：包括錯(cuò)誤處理，具體為超出參數(shù)設(shè)置等錯(cuò)誤信息，或成像傳感器鏡頭臟污等維護(hù)警告。每當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，這種數(shù)據(jù)就會(huì)按照非周期方式傳輸。

遠(yuǎn)程配置，使網(wǎng)絡(luò)操作員和技術(shù)人員能夠通過(guò)軟件控制形式讀取、更改設(shè)備參數(shù)，而無(wú)需親自操作每臺(tái)設(shè)備。傳感器參數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)更改，以完善現(xiàn)有過(guò)程，加快產(chǎn)品和過(guò)程更改，支持大規(guī)模定制，并最大限度地減少機(jī)器和生產(chǎn)線的停運(yùn)時(shí)間。

可通過(guò)遠(yuǎn)程方式配置設(shè)備來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)備更換過(guò)程。IO-Link 中的自動(dòng)設(shè)備更換 (ADR) 功能可自動(dòng)為已更換設(shè)備調(diào)節(jié)、重新分配參數(shù)。通過(guò) ADR，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以將現(xiàn)有參數(shù)導(dǎo)入替換設(shè)備中，或根據(jù)需要更新參數(shù)，以確?？焖?、準(zhǔn)確地改造和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的診斷功能利用 IO-Link 的循環(huán)和非循環(huán)通信功能，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供關(guān)于工廠內(nèi)每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的廣泛信息。使用遠(yuǎn)程診斷設(shè)備運(yùn)行狀況的功能，加快識(shí)別老化或運(yùn)行不正常的設(shè)備。這樣就可以更有效地安排設(shè)備維護(hù)或設(shè)備更換。

簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)化布線是 IO-Link 的主要特點(diǎn)。與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，IO-Link 設(shè)備、轉(zhuǎn)換器、集線器和主機(jī)均使用簡(jiǎn)單的低成本非屏蔽電纜和快速斷開連接器進(jìn)行連接。IO-Link 的主從架構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了布線要求，消除了人們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)配置方面的顧慮。

開始使用 IO-Link 主機(jī)/控制器

自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在增加或擴(kuò)展 IO-Link 的使用時(shí)，可以首先選擇一個(gè) IO-Link 主機(jī)（或控制器），如 Banner Engineering 的[DXMR90-4K]，該器件可以匯集來(lái)自多個(gè)源頭的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)處理，并實(shí)現(xiàn)與上層網(wǎng)絡(luò)的連接（圖 3）。

圖 3：DXMR90-4K IO-Link 主機(jī)設(shè)備可匯集來(lái)自四個(gè)本地源頭的數(shù)據(jù)，并與上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

DXMR90-4K 的四個(gè)端口支持與多達(dá)四個(gè) IO-Link 設(shè)備同時(shí)通信。該器件支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、邊緣處理以及連接工業(yè)以太網(wǎng)或 Modbus/TCP 所需的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并可向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。DXMR90-4K 的其他特點(diǎn)包括：

• 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，節(jié)省空間，簡(jiǎn)化部署
• IP67 防護(hù)等級(jí)，無(wú)需單獨(dú)的控制柜，利于降低安裝成本
• 有利于合并電纜線路，最大限度地降低布線復(fù)雜性和重量，這在機(jī)器人等應(yīng)用中尤為重要
• 使用行動(dòng)規(guī)則和 ScriptBasic 編程的可擴(kuò)展內(nèi)部邏輯控制器，支持高度靈活性

至于更簡(jiǎn)單的安裝，設(shè)計(jì)人員可以使用 [R45C-2K-MQ]雙端口 IO-Link 主機(jī)等設(shè)備進(jìn)行 Modbus 連接。

IO-Link 集線器

當(dāng)需要將眾多傳感器或執(zhí)行器連接到單個(gè) IO 主機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可使用 IO-Link 集線器匯集來(lái)自傳感器和執(zhí)行器的信號(hào)，并通過(guò)單根電纜將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)?IO-Link 主機(jī)。例如，[R90C-4B21-KQ]有 4 個(gè)輸入端口，使用標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器與主機(jī)連接（圖 4）。這是一款緊湊型雙模（PNP 或 NPN）至 IO-Link 設(shè)備轉(zhuǎn)換器，可連接離散輸入并將數(shù)值發(fā)送至 IO-Link 主機(jī)。該器件的特點(diǎn)：

• 延時(shí)模式包括 ON/OFF 延時(shí)、ON/OFF/可再觸發(fā)單觸發(fā)、ON/OFF、脈沖拉伸器和累加器。
• 測(cè)量指標(biāo)包括計(jì)數(shù)、每分鐘事件數(shù)和持續(xù)時(shí)間。
• 離散鏡像可將信號(hào)（輸入和輸出）鏡像至四個(gè)端口中的任意一個(gè)。
• 離散 I/O 可獨(dú)立配置為 NPN 或 PNP
• 堅(jiān)固耐用的包塑 IP68 級(jí)設(shè)計(jì)

圖 4：R90C-4B21-KQ 集線器可以整合四個(gè)設(shè)備的通信，并將其與一個(gè) IO-Link 主機(jī)設(shè)備連接。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

IO-Link 信號(hào)轉(zhuǎn)換器

目前，有各種不同類型的轉(zhuǎn)換器可用于 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)，以連接傳感器和其他設(shè)備，這些設(shè)備可能使用了不同類型的信號(hào)類型，如離散 PNP 或 NPN 信號(hào)、0 至 10 VDC 模擬信號(hào)和電流變送器。例如，以下器件為 IO-Link 信號(hào)轉(zhuǎn)換器：

• [R45C-K-IIQ]IO-Link 至模擬電流輸入或輸出轉(zhuǎn)換器（圖 5）
• [R45C-K-UUQ]模擬電壓輸入或輸出轉(zhuǎn)換器
• [R45C-K-IQ]模擬電流輸出轉(zhuǎn)換器
• [R45C-K-UQ]模擬電壓輸出轉(zhuǎn)換器

圖 5：R45C-K-IIIQ IO-Link 轉(zhuǎn)換器可通過(guò)模擬輸入和輸出連接主機(jī)設(shè)備和本地設(shè)備。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

還可提供 IO-Link 在線轉(zhuǎn)換器，其大小與單節(jié) AA 電池相當(dāng)。這些轉(zhuǎn)換器可處理各種類型的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為 IO-Link、Modbus 或其他協(xié)議。例如，[S15C-I-KQ] 是一款模擬電流至 IO-Link 轉(zhuǎn)換器，可連接 4 至 20 mA 電流源，并將數(shù)值輸出至 IO-Link 主機(jī)。這些轉(zhuǎn)換器體積小，可簡(jiǎn)化將傳統(tǒng)傳感器添加到采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中的過(guò)程或環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。這些器件憑借 IP68 防護(hù)性能，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將傳統(tǒng)設(shè)備和其他邊緣設(shè)備與主以太網(wǎng) IP、Modbus TCP/IP 或 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)連接，IO-Link 可提供收集必要數(shù)據(jù)所需的連接，以優(yōu)化工業(yè) 4.0工廠的性能。IO-Link 支持高水平的數(shù)據(jù)利用率、更廣泛的診斷、遠(yuǎn)程配置和更簡(jiǎn)化的設(shè)備更換，從而通過(guò) IEC 60974-5-2 中簡(jiǎn)單的非屏蔽 3 線或 5 線標(biāo)準(zhǔn)電纜，使用 IEC 61131-9 中的標(biāo)準(zhǔn)化連接方式加快過(guò)程和線路更改。