1. IO‐link 系統(tǒng)概述
一個(gè)IO‐link系統(tǒng)由IO‐link設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器或者它們的組合構(gòu)成，其中有一根標(biāo)準(zhǔn)的3線傳感器/執(zhí)行器電纜和一個(gè)IO‐link主站。主站可以是一個(gè)具有不同功能和不同保護(hù)等級(jí)的設(shè)備。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖1：系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示例
一個(gè)IO‐link主站可以有一個(gè)或者多個(gè)端口。每個(gè)端口只能連接一個(gè)IO‐link設(shè)備。因此IO‐link是一種點(diǎn)到點(diǎn)的連接，而不是一種現(xiàn)場總線。
圖2：IO‐link點(diǎn)到點(diǎn)的連接
1.1 上電之后的狀態(tài)
在一開始，設(shè)備總是處于SIO模式（標(biāo)準(zhǔn)I/O模式）。主站的端口可以使用不同的配置。如果一個(gè)端口設(shè)置成為SIO模式，主站這個(gè)端口的行為就像一個(gè)通用的數(shù)字量輸入。如果端口設(shè)置成通信模式，主站試圖尋找連接的IO‐link設(shè)備。這個(gè)過程被稱為喚醒。
圖3：IO‐link SIO 和COM 模式
在喚醒期間，主站發(fā)出一個(gè)定義的信號(hào)，然后等待設(shè)備的回應(yīng)。主站使用最高的波特率發(fā)送這個(gè)定義信號(hào)。如果主站這次嘗試沒有成功，那么下次使用較低的波特率再試。主站用相同的波特率，對(duì)連接的設(shè)備進(jìn)行三次嘗試。如果主站收到了回答（比如，設(shè)備被喚醒），兩者就開始通信。最初，它們先交換通信參數(shù)；然后，周期地交換過程數(shù)據(jù)。
如果設(shè)備在工作期間被刪除，主站會(huì)檢測(cè)到通信中斷，馬上發(fā)出報(bào)告。這很像現(xiàn)場總線，通知控制系統(tǒng)，然后再周期地進(jìn)行喚醒設(shè)備的過程。在成功地進(jìn)行了另一次喚醒后，再次交換通信參數(shù)；如果需要，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，然后重新開始周期性的數(shù)據(jù)交換。
如果主站終止兩者的通信，主站和設(shè)備將回到原始的模式，也就是SIO模式。這被稱為復(fù)原。
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2. IO‐link 協(xié)議
基本上講，進(jìn)行的交換有三種數(shù)據(jù)類型：
1．周期型數(shù)據(jù)（也稱為過程數(shù)據(jù)）；
2．非周期數(shù)據(jù)或者服務(wù)型數(shù)據(jù)；
3．事件型數(shù)據(jù)。
僅在收到IO‐link主站請(qǐng)求后，IO‐link設(shè)備才發(fā)送數(shù)據(jù)。主站發(fā)出非周期數(shù)據(jù)和事件顯式請(qǐng)求后，設(shè)備應(yīng)答；主站發(fā)出IDLE報(bào)文后，設(shè)備發(fā)送周期型數(shù)據(jù)。
2.1 過程數(shù)據(jù)（PD）
設(shè)備的過程數(shù)據(jù)是按一個(gè)數(shù)據(jù)幀的格式，周期性發(fā)送，過程數(shù)據(jù)的長度不超過2個(gè)字節(jié)。如果過程數(shù)據(jù)超過這個(gè)長度，就要對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，用幾個(gè)周期發(fā)送。當(dāng)過程數(shù)據(jù)為無效時(shí)，會(huì)有一個(gè)診斷信息。
2.2 服務(wù)數(shù)據(jù)（SD）
服務(wù)數(shù)據(jù)總是非周期地交換，并且總是按照IO‐link主站的要求進(jìn)行。首先，IO‐link主站向設(shè)備發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，然后設(shè)備回答這個(gè)請(qǐng)求。如對(duì)一個(gè)設(shè)備寫數(shù)據(jù)，或者從一個(gè)設(shè)備中讀數(shù)據(jù)，都是這樣進(jìn)行的。服務(wù)數(shù)據(jù)可以用于讀參數(shù)，或者讀設(shè)備狀態(tài)。它也能夠用于寫參數(shù)或者發(fā)送命令。
SD和PD可以用一個(gè)報(bào)文或者分開的報(bào)文傳送。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)交換參見有下面的結(jié)構(gòu)。
圖4：IO-link報(bào)文結(jié)構(gòu)
2.3 事件
當(dāng)發(fā)生一個(gè)事件時(shí)，設(shè)備對(duì)“事件標(biāo)記”置位，它被發(fā)送到過程數(shù)據(jù)報(bào)文的CHECK/STAT字節(jié)的第7位。主站檢測(cè)這個(gè)置位位，得知事件的報(bào)告。在得知一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，不進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)的交換。這意味著事件出現(xiàn)或者設(shè)備發(fā)生過熱、短路等情況，能夠通過IO‐link傳送到主站，再到PLC或者監(jiān)控軟件。
IO‐link主站能夠生成自己的事件和狀態(tài)，并通過各種現(xiàn)場總線把它們發(fā)送出去。這樣的事件可以是：開路、通信中斷或者過載等。
2.4 通信質(zhì)量，重發(fā)，服務(wù)質(zhì)量（QoS）
IO‐link是一種非常牢固的通信系統(tǒng)。它工作在24V的電壓下。如果一個(gè)幀失效，主站的請(qǐng)求會(huì)再重復(fù)一次。當(dāng)?shù)诙螄L試發(fā)送數(shù)據(jù)再次失敗時(shí)，主站會(huì)檢測(cè)通信是否中斷，然后報(bào)告給更高一級(jí)的控制系統(tǒng)。主站用重發(fā)報(bào)文的數(shù)量來測(cè)量通信的質(zhì)量（QoS = 服務(wù)質(zhì)量）。
2.5 通信速率和同步
IO‐link規(guī)范定義的傳輸率（波特率）是4.8和38.4 kbps。通常，一個(gè)IO‐link設(shè)備會(huì)支持其中一個(gè)波特率。IO‐link主站必須支持這兩種波特率。
周期時(shí)間由報(bào)文長度和主站與設(shè)備間的延時(shí)所組成。當(dāng)波特率為38.4 kbps時(shí)，典型的周期時(shí)間為2 ms。
整個(gè)時(shí)間由設(shè)備指定的最小周期時(shí)間和由主站指定的同意或者參數(shù)化后的實(shí)際周期時(shí)間共同算出。
主站對(duì)每個(gè)端口可以設(shè)定不同的響應(yīng)時(shí)間。設(shè)備應(yīng)用可以和主站周期進(jìn)行同步。相同主站的不同端口也可以實(shí)現(xiàn)與設(shè)備應(yīng)用的同步。
2.6 報(bào)文類型和它們的結(jié)構(gòu)
IO‐link規(guī)范定義了不同的報(bào)文類型，過程輸入數(shù)據(jù)和過程輸出數(shù)據(jù)在大小上是不同的。
為了建立通信，主站必須決定設(shè)備的通信參數(shù)。一個(gè)相關(guān)信息是過程數(shù)據(jù)長度。基于這個(gè)信息，IO‐link主站決定使用什么報(bào)文類型用于周期數(shù)據(jù)交換。在通信建立階段，主站使用報(bào)文類型0。定義下面的報(bào)文類型：
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表1：報(bào)文類型
當(dāng)過程設(shè)備輸入和輸出數(shù)據(jù)的和超過2個(gè)字節(jié)時(shí)，總是使用報(bào)文類型1。 那么報(bào)文結(jié)構(gòu)需要多個(gè)IO‐link 周期來構(gòu)成。
在“服務(wù)數(shù)據(jù)”節(jié)所表示的報(bào)文是2.1類型的報(bào)文。設(shè)備發(fā)送一個(gè)字節(jié)的過程數(shù)據(jù)。在上面的圖示，設(shè)備首先發(fā)出一個(gè)字節(jié)的服務(wù)數(shù)據(jù)，然后加上過程數(shù)據(jù)的字節(jié)。在下面的圖示，主站對(duì)設(shè)備發(fā)送一個(gè)服務(wù)數(shù)據(jù)。
圖5：2.1幀類型
報(bào)文中不同位的含意如下表所示。
表2：讀/寫（R/W）值
表3：數(shù)據(jù)通道值
表4：幀類型值
圖7：設(shè)備的檢查/狀態(tài)序列
表5：事件位值
為了通過IO‐link的物理層傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)打包在一個(gè)通用異步收發(fā)（UART）幀中，然后通過半雙工模式在主站和設(shè)備之間傳送。
圖8：IO-link UART幀
3. 參數(shù)交換
為了在一個(gè)IO‐link設(shè)備和一臺(tái)PLC之間交換數(shù)據(jù), IO‐link主站把IO‐link數(shù)據(jù)映射到所使用的現(xiàn)場總線上。這就是所謂的IO‐link映射至現(xiàn)場總線。如果IO‐link主站直接通過專有總線（見圖1）連接在一臺(tái)PLC上，IO‐link數(shù)據(jù)映射到這個(gè)總線，并且把數(shù)據(jù)傳送到這臺(tái)PLC；或者數(shù)據(jù)從PLC通過現(xiàn)場總線傳送到IO‐link主站，再到IO‐link設(shè)備。IO‐link映射到的現(xiàn)場總線已經(jīng)有PROFIBUS，Profinet, INTERBUS, AS‐i ，DeviceNet，EtherNet/IP和 EtherCAT等。
來自或者到達(dá)IO‐link設(shè)備的過程數(shù)據(jù)，是通過現(xiàn)場總線或者背板總線周期地進(jìn)行傳輸。服務(wù)數(shù)據(jù)必須由PLC顯式地請(qǐng)求，這非常容易識(shí)別。這就是為什么IO‐link 要定義服務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（SPDU）規(guī)范。
在功能塊（FB）幫助下－每個(gè)PLC制造商提供多種定制的功能塊（FB）用于這個(gè)系統(tǒng)－IO‐link主站程序非循環(huán)地與IO‐link設(shè)備在程序控制下進(jìn)行通信。功能塊定義哪個(gè)IO‐link主站（也就是哪個(gè)現(xiàn)場總線設(shè)備）和哪個(gè)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，還要向這個(gè)IO‐link設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求。
可以對(duì)一個(gè)帶索引和子索引的IO‐link設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)和狀態(tài)。在IO‐link主站中，請(qǐng)求（讀寫服務(wù)）指令用一個(gè)IO‐link特定的服務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（SPDU），通過IO‐link接口傳送到設(shè)備。
SPDU 指定了是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)。要讀寫的值通過索引來指定。SPDU有下面的結(jié)構(gòu)：
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圖9：一個(gè)SPDU的結(jié)構(gòu)
最多至32768索引，最多有232字節(jié)，用于指定IO‐link的地址。
IO‐link規(guī)范指定多種服務(wù)，例如：
D10 為制造商名稱；
D12 為產(chǎn)品名稱；
使用這些服務(wù)，IO‐link設(shè)備能夠得到獨(dú)一無二的識(shí)別。
在現(xiàn)場總線上，IO‐link主站呈現(xiàn)為一個(gè)通用的現(xiàn)場總線設(shè)備，通過相應(yīng)的設(shè)備描述（比如：GSD，F(xiàn)DCML，GSDML，等），連接到各自的網(wǎng)絡(luò)適配器上。這些文件描述了通信連接和IO‐link主站的詳細(xì)屬性, 諸如：端口號(hào)。可是，連接的IO‐link設(shè)備不能在這里讀到。IO‐link設(shè)備描述（IODD）文件透明地顯示了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和完整地表出了IO‐link設(shè)備。在IODD和ODD解釋工具的幫助下，用戶能夠清晰地分辯出哪個(gè)IO‐link 主站端口連接了哪個(gè)IO‐link設(shè)備。
4. IO‐link 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.1 IO‐link設(shè)備
使用IO‐link協(xié)議，IO‐link設(shè)備提供了對(duì)過程數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)變量的訪問。某些變量已經(jīng)定義，比如，用于識(shí)別目的的變量。制造商必須在定義的索引區(qū)創(chuàng)建設(shè)備變量。所有這些信息都在IODD中描述。
圖10：IO-link設(shè)備結(jié)構(gòu)
4.2 IODD和解釋工具
IODD包含通信屬性、設(shè)備參數(shù)、識(shí)別碼、過程和診斷數(shù)據(jù)等信息。它還包含設(shè)備的外形圖和制造商的標(biāo)識(shí)。所有制造商的所有設(shè)備的IODD結(jié)構(gòu)是相同的，所以用IODD解釋器工具展示的內(nèi)容具有相同的形式。因此，用戶可以使用第三廠家的解釋器工具，處理所有的IO‐link設(shè)備。
IODD是做為一個(gè)打包文件提供給用戶的，它包括一個(gè)或者多個(gè)使用擴(kuò)展標(biāo)記語言（xml）描述的設(shè)備文件，和用可移植網(wǎng)絡(luò)圖象（png）格式的圖形文件。 “IODD‐” 文件描述了所有設(shè)備的通用和強(qiáng)制屬性。這個(gè)文件必須在IODD目錄下，在每種支持的語言中存儲(chǔ)一次。
解釋器工具可以讀出一個(gè)IODD文件，以圖形的形式顯示描述的設(shè)備（僅以有限的范圍）。它可以用于所有制造商IO‐link設(shè)備的參數(shù)化和診斷。同時(shí)，解釋器工具可以從系統(tǒng)到現(xiàn)場的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖形顯示。
IODD檢查器用于驗(yàn)證IODD。所有的IODD必須通過IODD檢查器進(jìn)行測(cè)試。檢查器在IODD中輸入一個(gè)校驗(yàn)和。解釋器工具讀出IODD中的這個(gè)值，然后與自己計(jì)算的值進(jìn)行比較，結(jié)果必須相等。
圖11：IODD結(jié)構(gòu)
4.3 IO‐link 主站
IO‐link主站可以以不同形式連接到PLC（見圖1），可以有一個(gè)或者多個(gè)端口。IO‐link規(guī)范區(qū)分了兩種類型的端口。端口類型A，針腳2的功能沒有詳細(xì)描述，可以由制造商自己定義，端口類型B用于設(shè)備需要特定電源的情況。
端口類型A
對(duì)于這種端口類型，針腳4可以配置成一個(gè)數(shù)字量輸入（DI）或者一個(gè)IO‐link。制造商也可以把針腳4 設(shè)計(jì)成一個(gè)帶有電流限制的數(shù)字量輸出（DO）。針腳2也可以實(shí)現(xiàn)其他的功能。制造商可以設(shè)計(jì)針腳，比如，做為一個(gè)DI或者DO。
圖12：IO-link主站，端口類型A
端口類型B
端口類型B是設(shè)計(jì)好的，比如，用于傳感器或者執(zhí)行器有電氣絕緣的電源。這里，由針腳2和5提供外加電源。
圖13：IO-link主站，端口類型B
