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)常需要對生產(chǎn)線和過程進行更改，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)自動化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，這一點是很難有效實現(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現(xiàn)靈活性。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，IO-Link 作為一種開放式標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。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)備的信號連接到以太網(wǎng) IP、Modbus TCP/IP 和PROFINET 等更高級的網(wǎng)絡(luò)，并通過這些網(wǎng)絡(luò)連接可編程邏輯控制器 (PLC)、人機界面 (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 實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并使用 IEC 60974-5-2 中規(guī)定的簡單非屏蔽三線或五線標(biāo)準(zhǔn)電纜。自動化系統(tǒng)設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)，IO-Link 特別有助于為了實現(xiàn)工業(yè) 4.0 工廠而進行互連設(shè)備的快速部署、遠程配置、監(jiān)控和診斷。

本文將介紹 IO-Link 的功能和優(yōu)勢，探討 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和運行，具體包括使用各種類型的 IO-Link 設(shè)備來構(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，同時最大限度地減少對人工支持的需求
• 兼容現(xiàn)有的自動化網(wǎng)絡(luò)
• 可以同步或異步方式進行的、強大的雙向通信能力，可最大限度地提高通信效率
• 設(shè)備級遠程診斷支持
• 動態(tài)更改傳感器或執(zhí)行器的參數(shù)，從而加快過程優(yōu)化速度
• 具有集成設(shè)備識別和自動參數(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，最長可達 20 m。IEC 60947-5-2 規(guī)定了主機和設(shè)備的引腳布局。公接頭分配給設(shè)備，母接頭用于主機?？梢圆捎?M5、M8 或 M12 連接器，最多 5 針配置。在主機上，針腳 1 和 3 之間施加24 VDC 電壓且電流高達 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)連接的簡單解決方案。（圖片來源：Banner Engineering）

為什么選擇 IO-Link？

IO-Link 通過可靠的低成本標(biāo)準(zhǔn)化布線，以及簡便的設(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，它還可簡化現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中隔離式傳感器的集成。IO-Link 的優(yōu)點包括：

通過 IO-Link 將隔離的設(shè)備和自動化島連接到統(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，并可實時用于優(yōu)化流程，支持對機器和傳感器進行主動式維護。IO-Link 支持以下三種主要數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)可進一步分為按計劃自動傳輸?shù)难h(huán)數(shù)據(jù)和根據(jù)請求或需要傳輸?shù)姆茄h(huán)數(shù)據(jù)。

• 過程數(shù)據(jù)：指設(shè)備發(fā)送給主機的信息（如傳感器讀數(shù)），以及從主機到控制設(shè)備運行的信息（如塔式照明燈具上的特定照明段）。過程數(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、序列號。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)：包括錯誤處理，具體為超出參數(shù)設(shè)置等錯誤信息，或成像傳感器鏡頭臟污等維護警告。每當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時，這種數(shù)據(jù)就會按照非周期方式傳輸。

遠程配置，使網(wǎng)絡(luò)操作員和技術(shù)人員能夠通過軟件控制形式讀取、更改設(shè)備參數(shù)，而無需親自操作每臺設(shè)備。傳感器參數(shù)可根據(jù)需要進行動態(tài)更改，以完善現(xiàn)有過程，加快產(chǎn)品和過程更改，支持大規(guī)模定制，并最大限度地減少機器和生產(chǎn)線的停運時間。

可通過遠程方式配置設(shè)備來簡化設(shè)備更換過程。IO-Link 中的自動設(shè)備更換 (ADR) 功能可自動為已更換設(shè)備調(diào)節(jié)、重新分配參數(shù)。通過 ADR，網(wǎng)絡(luò)運營商可以將現(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)確地改造和維護網(wǎng)絡(luò)。

經(jīng)過擴展的診斷功能利用 IO-Link 的循環(huán)和非循環(huán)通信功能，為網(wǎng)絡(luò)運營商提供關(guān)于工廠內(nèi)每臺設(shè)備運行狀態(tài)的廣泛信息。使用遠程診斷設(shè)備運行狀況的功能，加快識別老化或運行不正常的設(shè)備。這樣就可以更有效地安排設(shè)備維護或設(shè)備更換。

簡單的標(biāo)準(zhǔn)化布線是 IO-Link 的主要特點。與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，IO-Link 設(shè)備、轉(zhuǎn)換器、集線器和主機均使用簡單的低成本非屏蔽電纜和快速斷開連接器進行連接。IO-Link 的主從架構(gòu)進一步簡化了布線要求，消除了人們在網(wǎng)絡(luò)配置方面的顧慮。

開始使用 IO-Link 主機/控制器

自動化系統(tǒng)設(shè)計人員在增加或擴展 IO-Link 的使用時，可以首先選擇一個 IO-Link 主機（或控制器），如 Banner Engineering 的[DXMR90-4K]，該器件可以匯集來自多個源頭的數(shù)據(jù)來進行本地數(shù)據(jù)處理，并實現(xiàn)與上層網(wǎng)絡(luò)的連接（圖 3）。

圖 3：DXMR90-4K IO-Link 主機設(shè)備可匯集來自四個本地源頭的數(shù)據(jù)，并與上一級網(wǎng)絡(luò)連接。（圖片來源：Banner Engineering）

DXMR90-4K 的四個端口支持與多達四個 IO-Link 設(shè)備同時通信。該器件支持數(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 的其他特點包括：

• 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，節(jié)省空間，簡化部署
• IP67 防護等級，無需單獨的控制柜，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，這在機器人等應(yīng)用中尤為重要
• 使用行動規(guī)則和 ScriptBasic 編程的可擴展內(nèi)部邏輯控制器，支持高度靈活性

至于更簡單的安裝，設(shè)計人員可以使用 [R45C-2K-MQ]雙端口 IO-Link 主機等設(shè)備進行 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 IO 主機時，設(shè)計人員可使用 IO-Link 集線器匯集來自傳感器和執(zhí)行器的信號，并通過單根電纜將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)?IO-Link 主機。例如，[R90C-4B21-KQ]有 4 個輸入端口，使用標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器與主機連接（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。該器件的特點：

• 延時模式包括 ON/OFF 延時、ON/OFF/可再觸發(fā)單觸發(fā)、ON/OFF、脈沖拉伸器和累加器。
• 測量指標(biāo)包括計數(shù)、每分鐘事件數(shù)和持續(xù)時間。
• 離散鏡像可將信號（輸入和輸出）鏡像至四個端口中的任意一個。
• 離散 I/O 可獨立配置為 NPN 或 PNP
• 堅固耐用的包塑 IP68 級設(shè)計

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

IO-Link 信號轉(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類型，如離散 PNP 或 NPN 信號、0 至 10 VDC 模擬信號和電流變送器。例如，以下器件為 IO-Link 信號轉(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)換器可通過模擬輸入和輸出連接主機設(shè)備和本地設(shè)備。（圖片來源：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，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。這些轉(zhuǎn)換器體積小，可簡化將傳統(tǒng)傳感器添加到采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中的過程或環(huán)境監(jiān)測工作。這些器件憑借 IP68 防護性能，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境。

結(jié)束語

通過將傳統(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、遠程配置和更簡化的設(shè)備更換，從而通過 IEC 60974-5-2 中簡單的非屏蔽 3 線或 5 線標(biāo)準(zhǔn)電纜，使用 IEC 61131-9 中的標(biāo)準(zhǔn)化連接方式加快過程和線路更改。