制造商和設施經(jīng)理漸漸意識到物聯(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，有助于提高設備可用性和最終產(chǎn)品質(zhì)量。為了充分利用這一潛力，運營工程師和現(xiàn)場技術人員需要設法有效部署和連接數(shù)百個（甚至數(shù)千個）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)，因為這些系統(tǒng)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(tǒng)網(wǎng)絡有效集成到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中，以最低的成本和系統(tǒng)復雜性來實現(xiàn)可接受的全局互操作性，這一任務同樣極具挑戰(zhàn)性。 IO-Link （IEC 61131-9） 單點數(shù)字通信接口標準是為解決許多傳感器和執(zhí)行器連接問題的一項全球性嘗試。原理雖簡單，但是挑戰(zhàn)在于這項標準相對較新，許多設計人員尚不熟悉其內(nèi)容和應用方法。 本文面向希望正確且快速實施傳感器網(wǎng)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(tǒng)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實施的實用性進行探討。

什么是IO-Link？

IO-Link是一種點對點有線（或無線）系統(tǒng)的串行數(shù)字通信協(xié)議，針對各種傳感器和執(zhí)行器均采用三線制連接，并為需要額外電源的設備提供五線制標準電纜連接。該協(xié)議由IO-Link聯(lián)盟開發(fā)，并于2010年作為“用于小型傳感器和執(zhí)行器的單點數(shù)字通信接口”（SDCI）納入適用于可編程邏輯控制器 （PLC） 的IEC61131-9標準中。

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：

過程數(shù)據(jù)：過程數(shù)據(jù)包括循環(huán)（即每個通信周期）傳輸?shù)?a href="http://www.www27dydycom.cn/analog/" target="_blank">模擬量和開關狀態(tài)。

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

設備數(shù)據(jù)：設備數(shù)據(jù)可以是參數(shù)、標識數(shù)據(jù)和診斷信息。設備數(shù)據(jù)采用非循環(huán)交換，并在響應IO-Link主站查詢時進行。設備數(shù)據(jù)既可寫入設備，也可從設備讀取。

事件：事件是非循環(huán)的，包括錯誤消息（例如短路）和警告/維護數(shù)據(jù)（例如污染、過熱）。

請注意，設備參數(shù)或事件的傳輸獨立于過程數(shù)據(jù)的循環(huán)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(guī)范要求使用長度不超過20m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24V電源的設備（通常是執(zhí)行器）。

IO-Link的一項特殊特性是現(xiàn)場總線中立性，允許IO-Link功能連接至任何一種現(xiàn)場總線。IO-Link既可使用Profibus、Profinet、EtherCAT和Sercos等現(xiàn)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(xiàn)場總線或控制器的IO設備描述 （IODD），以實現(xiàn)現(xiàn)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(shù)詳情等相關信息。

IO-Link系統(tǒng)配置基礎知識

IO-Link系統(tǒng)包括IO-Link主站以及傳感器和執(zhí)行器等IO-Link設備（圖1）。所有IO-Link設備均需連接至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(zhí)行器）。（圖片來源：IO-Link Community）

IO-Link系統(tǒng)中控制器可由通信主站和CPU進行配置?？刂破骺蓤?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EtherCAT、Profibus或Omron NX總線等現(xiàn)場總線連接至控制器。主站單元與IO-Link設備進行IO-Link通信。

發(fā)生事件時，設備向主站發(fā)出信號，說明發(fā)生了事件。隨后主站讀取事件，錯誤消息經(jīng)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(tài)，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(shù)設置和豐富的診斷功能等其他優(yōu)勢。

IO-Link標準在每個周期可傳輸2字節(jié)的過程數(shù)據(jù)。IO-Link主站與設備之間的傳輸速度為230kbaud，耗時400μs。用戶可以控制數(shù)據(jù)幀的大小，因此也可以在更長周期內(nèi)傳輸更大的過程數(shù)據(jù)，最大長度為32字節(jié)。

設備的參數(shù)數(shù)據(jù)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(shù)就會自動傳輸至新設備。

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I/O設備的通信收發(fā)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(fā)器的功能。

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：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(xié)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(tǒng)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。

IO-Link上電操作

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(guī)IO與IO-Link設備可混合使用并在同一系統(tǒng)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(qū)動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440mA。請注意，該電流超過了IO-Link規(guī)范定義的最大輸出電流200mA。如果設計人員需要超過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標準要求。

針對工業(yè)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(fā)器，有助于設計人員評估設備性能，為這兩款IO-LinkPHY設備的快速開發(fā)和分析提供支持。

SN65HVD101和SN65HV2102 IO-Link PHY可用作工業(yè)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(fā)起的通信。這些PHY設備可與主站節(jié)點交換數(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導軌安裝式1072839 IOL MA8 EIP DI8八通道IO-Link主站。

IOL MA8 EIP DI8可構成完整IO-Link系統(tǒng)連接至EtherNet/IP和Modbus TCP網(wǎng)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(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。

IO-Link傳感器

借助IO-Link，設計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(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(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。該傳感器的響應時間不足10ms，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：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2m，檢測范圍為2至10mm（嵌裝）或3至15mm（非嵌裝）。

通過IO-Link連接的可調(diào)參數(shù)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(tǒng)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(yōu)化傳感器參數(shù)，使用可用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并管理其參數(shù)。（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(shù)、運行周期和警報。

使用IO-Link升級傳統(tǒng)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)

IO-Link標準表明，只要相關總線系統(tǒng)可實現(xiàn)IO-Link系統(tǒng)映射，即可利用現(xiàn)有的現(xiàn)場總線結構升級傳統(tǒng)系統(tǒng)。擴展現(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)場總線，以實現(xiàn)IO-Link設備與PLC之間的數(shù)據(jù)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。

總結

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的快速發(fā)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(zhí)行器。IO-Link的數(shù)字接口易于使用，有助于實現(xiàn)標準化。

如上所述，市面上有許多現(xiàn)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用改善工藝，提高生產(chǎn)效率和安全性，減少停機時間。

編輯：jq