發布日期：2022-04-17 點擊率：168
制造商和設施經理漸漸意識到物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 在降低成本、改善工藝和安全方面頗具潛力，有助于提高設備可用性和最終產品質量。為了充分利用這一潛力，運營工程師和現場技術人員需要設法有效部署和連接數百個（甚至數千個）智能傳感器和執行器，以收集系統和工藝元件的數據，因為這些系統和元件最初并非為雙向通信而設計。
同時，還需要將當前連接的設備和系統網絡有效集成到工業物聯網網絡中，以最低的成本和系統復雜性來實現可接受的全局互操作性，這一任務同樣極具挑戰性。
IO-link (IEC 61131-9) 單點數字通信接口標準是為解決許多傳感器和執行器連接問題的一項全球性嘗試。原理雖簡單，但是挑戰在于這項標準相對較新，許多設計人員尚不熟悉其內容和應用方法。
本文面向希望正確且快速實施傳感器網絡的運營工程師和技術人員，以 STMicroelectronics、Texas Instruments、Carlo Gavazzi、Phoenix Contact、Analog Devices 和 Omron 等供應商的相關 IO-link 系統元器件為例，詳細介紹了 IO-link 以期幫助其熟悉該標準，并針對 IO-link 實施的實用性引發討論。
IO-link 是一種點對點有線（或無線）系統的串行數字通信協議，針對各種傳感器和執行器均采用三線制連接，并為需要額外電源的設備提供五線制標準電纜連接。該協議由 IO-link 聯盟開發，并于 2010 年作為“用于小型傳感器和執行器的單點數字通信接口”(SDCI) 納入適用于可編程邏輯控制器 (PLC) 的 IEC 61131-9 標準中。
常規 I/O 與 IO-link 的主要區別在于 IO-link 能夠傳輸以下四種主要數據類型：
過程數據：過程數據包括循環（即每個通信周期）傳輸的模擬量和開關狀態。
值狀態：每個端口都具有值狀態 (PortQualifier)。值狀態可顯示過程數據是否有效，并且可與過程數據一起循環傳輸。
設備數據：設備數據可以是參數、標識數據和診斷信息。設備數據采用非循環交換，并在響應 IO-link 主站查詢時進行。設備數據既可寫入設備，也可從設備讀取。
事件：事件是非循環的，包括錯誤消息（例如短路）和警告/維護數據（例如污染、過熱）。
請注意，設備參數或事件的傳輸獨立于過程數據的循環傳輸。各傳輸不會相互影響或削弱。
IO-link 不需要特殊的電纜和連接器。相反，該規范要求使用長度不超過 20 m 的標準非屏蔽三至五芯電纜。標準連接配置為 M5、M8 和 M12 圓形連接器。
對于三線制連接類型，IO-link 術語稱為 A 類端口；三芯導線中，一芯用于通信，一芯用于電子設備供電，另一芯則作為公共參考電位。此連接的最大輸出電流為 200 mA。此外，該規范還要求使用 4 針連接器，第四針引腳用作符合 IEC 61131-2 標準的附加信號線，主站和設備均可選用。
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立 24 V 電源的設備（通常是執行器）。
IO-link 的一項特殊特性是現場總線中立性，允許 IO-link 功能連接至任何一種現場總線。IO-link 既可使用 Profibus、Profinet、EtherCAT 和 Sercos 等現場總線的標準映射，也可使用 EtherNet/IP、CANopen、Modbus、CC-link 和 AS-Interface 的制造商特定映射。
每個 IO-link 設備都具有獨立于現場總線或控制器的 IO 設備描述 (IODD)，以實現現場總線中立性。IODD 包括設備的制造商、型號、序列號、設備類型和參數詳情等相關信息。
IO-link 系統包括 IO-link 主站以及傳感器和執行器等 IO-link 設備（圖 1）。所有 IO-link 設備均需連接至 IO-link 主站。
圖 1：IO-link 系統包括控制器（黑框標記）、一個 IO-link 主站（或多個主站）以及通過標準三芯或五芯電纜連接的 IO-link 設備（例如傳感器和執行器）。（圖片來源：IO-link Community）
IO-link 系統中控制器可由通信主站和 CPU 進行配置。控制器可執行用戶程序，并與 IO-link 主站交換 I/O 數據。
IO-link 主站單元作為從站，通過 EtherCAT、Profibus 或 Omron NX 總線等現場總線連接至控制器（圖 2）。主站單元與 IO-link 設備進行 IO-link 通信。
圖 2：IO-link 主站單元具有多個端口，因此可以 1:1 連接多個 IO-link 傳感器和執行器。（圖片來源：IO-link Community）
發生事件時，設備向主站發出信號，說明發生了事件。隨后主站讀取事件，錯誤消息經由 IO-link 主站從設備傳輸至控制器或人機界面 (HMI)。此外，IO-link 主站也可以自主傳輸事件和狀態，例如斷路、通信故障等事件。
IO-link 主站的各個端口都可處理二進制開關信號和模擬量（例如 8 位、12 位、16 位）。IO-link 串行通信通過同一端口進行。除了接線簡單外，IO-link 還具有自動參數設置和豐富的診斷功能等其他優勢。
IO-link 標準在每個周期可傳輸 2 字節的過程數據。IO-link 主站與設備之間的傳輸速度為 230 kbaud，耗時 400 μs。用戶可以控制數據幀的大小，因此也可以在更長周期內傳輸更大的過程數據，最大長度為 32 字節。
設備的參數數據會直接自動存儲在 IO-link 主站中，以確保更換設備時不會丟失。一旦連接了相同的替換設備，先前設備的參數就會自動傳輸至新設備。
STMicroelectronics 的 val-IFP016V2/497-13003-ND/3306151">STeval-IFP016V2 IO-link 通信主站收發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 I/O 設備的通信收發器：既具有 IO-link 主端口模式，也具有標準 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 I/O 設備通信收發器的功能。
圖 3：STeval-IFP016V2 演示板具有 L6360 IO-link 主端口（中），可演示 L6360 單片 IO-link 主站作為多個 I/O 設備通信收發器的功能。（圖片來源：STMicroelectronics）
建議：務必要求演示板制造商提供該電路板的 Gerber 文件，以便將其集成到系統架構中。
另一個示例是 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）。1
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 SPI 協議與 LTC2874 進行通信（圖 5）。兼容 Arduino 的隔離式 Linduino One 演示板 DC2026C 則可為 IO-link 系統提供支持軟件。
圖 5：如需著手使用 DC1880A 演示板，請下載相關評估軟件，將 DC590B 板連接至 PC，然后將 DC1880A 板連接至 DC590B 板。（圖片來源：Analog Devices）
如需著手使用 DC1880A 演示板，請下載 valuation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/dc590b.html" target="_blank">Quickeval 軟件，使用標準 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，上電必須分階段進行。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閉電源。
當 LTC2874 等 IO-link 主站上電時，主站將詢問連接的各個設備以確定設備處于正確的操作模式。常規 IO 與 IO-link 設備可混合使用并在同一系統中無縫運行。例如，可將 LTC2874 的一個端口設置為具有 L+ 熱插拔功能的標準 I/O (SIO) 端口（端口 4），其他三個端口則設置為大電流 (SIO+) 端口（圖 6）。
圖 6：LTC2874 四路 IO-link 主站配置為三個大電流 SIO 端口 (SIO+) 和一個具有 L+ 熱插拔功能的正常電流 SIO 端口（端口 4）。（圖片來源：Analog Devices）
LTC2874 在 SIO+ 模式下運行時，將熱插拔通道用作大電流 SIO 驅動器可按需提供大電流。LTC2874 的額定通信或信令 (CQ) 電流為 110 mA。SIO 通道并聯的最大電流可達 440 mA。請注意，該電流超過了 IO-link 規范定義的最大輸出電流 200 mA。如果設計人員需要超過 200 mA 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 標準要求。
針對工業點對點通信的 IO-link 接口，Texas Instruments 推出 SN65HVD101EVM IO-link 接口評估板，可用于 SN65HVD101 和 SN65HVD102 收發器，有助于設計人員評估設備性能，為這兩款 IO-link PHY 設備的快速開發和分析提供支持。
SN65HVD101 和 SN65HV2102 IO-link PHY 可用作工業點對點通信的 IO-link 接口。當設備連接至 IO-link 主站后，便會響應主站發起的通信。這些 PHY 設備可與主站節點交換數據，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 導軌安裝式 1072839 IOL MA8 EIP DI8 八通道 IO-link 主站（圖 7）。
圖 7：Phoenix Contact 的 1072839 八通道 IO-link 主站采用 DIN 導軌安裝，構成 IO-link 系統連接至 EtherNet/IP 和 Modbus TCP 網關。（圖片來源：Phoenix Contact）
IOL MA8 EIP DI8 可構成完整 IO-link 系統連接至 EtherNet/IP 和 Modbus TCP 網關，可通過基于 Web 的管理連接多達 8 個 IO-link 傳感器（圖 8）。該主站具有兩個交換機類以太網端口、狀態 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 界面可對連接的所有 IO-link 設備進行完全控制和診斷。（圖片來源：Phoenix Contact）
通過 Web 界面即可獲得所有 IO-link 設備的完全訪問權限。例如，如需訪問 Web 界面的診斷頁面，用戶只需登錄 IOL MA8 EIP DI8，單擊 "Diagnostics"（診斷）選項卡，然后單擊所需的子選項卡。如需顯示圖 8 所示的 "IO-link Diagnostics"（IO-link 診斷）頁面，用戶只需單擊 "IO-link" 子選項卡。
借助 IO-link，設計人員可以有效地將數據從傳感器直接傳輸至控制系統。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器有效運行。除了檢測傳送帶上的物件等基本檢測功能外，策略性放置合適的傳感器還可提供準確而詳盡的機器運行狀況。在工業物聯網應用中，提前預測故障可提高設備的正常運行時間和整體生產率。
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。該傳感器的響應時間不足 10 ms，使用該公司的第四代 TripleshieldTM 技術以提高電磁干擾 (EMI) 抗擾度（尤其對于變頻器），并改善防潮和防塵特性（圖 9）。
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（尤其對于變頻器），改善了防潮和防塵特性。（圖片來源：Carlo Gavazzi）
該傳感器符合 DIN 40050-9 標準要求通過 IP69K 測試，適用于高壓高溫沖洗應用。隨附電纜長度為 2 m，檢測范圍為 2 至 10 mm（嵌裝）或 3 至 15 mm（非嵌裝）。
通過 IO-link 連接的可調參數包括：
檢測距離和磁滯
檢測模式：單點、兩點或窗口模式
定時器功能，例如：接通延遲、關閉延遲、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、運行時間、運行周期、電源周期、高于最高溫度的時間和低于最低溫度的時間等
值得注意的是，未連接至啟用 IO-link 的控制系統時，這些傳感器與所有 IO-link 傳感器一樣，也可作為標準傳感器使用。因此，用戶可為標準 I/O 應用和 IO-link 應用儲備相同的傳感器，從而簡化選型過程并降低庫存成本。
如果沒有 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備，可以修改和優化傳感器參數，使用可用數據來改善工藝且有助于采取預防性維護（圖 10）。
圖 10：用于 IO-link 傳感器的 Carlo Gavazzi 智能配置器可訪問傳感器數據并管理其參數。（圖片來源：Carlo Gavazzi）
通過 5.5" 高清觸摸屏和專用應用程序，智能配置器的用戶可以訪問高級診斷和故障排除，查看運行時間、檢測次數、運行周期和警報。
IO-link 標準表明，只要相關總線系統可實現 IO-link 系統映射，即可利用現有的現場總線結構升級傳統系統。擴展現有總線系統是可行的。IO-link 主站將 IO-link 數據映射至所用的現場總線，以實現 IO-link 設備與 PLC 之間的數據交換。
對于不具有 IO-link 功能的傳感器，若無標準 PNP 輸出或推挽輸出，則可連接至 IO-link 主站，無需特殊的 IO-link 電纜或連接器。
隨著工業物聯網應用的快速發展，設計人員需要一種標準化的快捷方法來部署和連接智能傳感器和執行器。IO-link 的數字接口易于使用，有助于實現標準化。
如上所述，市面上有許多現成解決方案可幫助設計人員快速了解、評估和有效部署 IO-link 設備，藉此可為工業物聯網應用改善工藝，提高生產效率和安全性，減少停機時間。
mentation/design-notes/dn566.pdf" target="_blank">Quad IO-link master with higher current SIO channels ADI Power by Linear, Design Note 566, Eric Benedict - November 29, 2017
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