原標(biāo)題：如何使用IO-Link提高智能工廠執(zhí)行器的工作效率

　　向工業(yè) 4.0 或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的轉(zhuǎn)變?nèi)栽诶^續(xù)，以實現(xiàn)更高的效率、安全性、生產(chǎn)力和更低的總體成本。這項工作的一個關(guān)鍵要素是設(shè)備連接。這可能具有挑戰(zhàn)性，因為它需要選擇合適的通信標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)接口和相關(guān)軟件的設(shè)計，所有這些都會減慢智能工廠的部署速度。

　　工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計人員需要一種標(biāo)準(zhǔn)、可靠、高效且更加模塊化的方法，以促進(jìn)快速且經(jīng)濟(jì)高效的部署。

　　為了解決這個問題，他們可以求助于IO-Link，這是一種經(jīng)過驗證的接口，可用于智能工廠。IO-Link 是一種雙向、點對點、單點數(shù)字通信接口 (SDCI)，受多個標(biāo)準(zhǔn)管轄，包括 IEC 61131-2、IEC 61131-9 (SDCI) 和 IO-Link 1.1.3。

　　本文簡要討論了向智能工廠的轉(zhuǎn)變及其給設(shè)計師帶來的挑戰(zhàn)。然后，它概述了 IO-Link 操作及其如何簡化智能工廠部署。它提供了以下示例 IO-Link 設(shè)備 從 ADI公司，包括可用于替代氣動執(zhí)行器并提供增強(qiáng)性能的從設(shè)備、具有集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的從設(shè)備和主設(shè)備。其中包括通過IO-Link快速實現(xiàn)工業(yè)執(zhí)行器的參考設(shè)計。

　　簡化向智能工廠的轉(zhuǎn)變

　　向智能工廠的轉(zhuǎn)變增加了對一種簡單方法的需求，即在邊緣添加智能，以調(diào)試、監(jiān)控和重新配置傳感器和執(zhí)行器。IO-Link 的簡單安裝和雙向通信功能支持邊緣智能的部署。在一個實例中，IO-Link 因設(shè)置和調(diào)試時間縮短了 90% 而受到贊譽(yù)。

　　實際上，可以通過IO-Link下載參數(shù)設(shè)置以設(shè)置或重新配置設(shè)備。這消除了技術(shù)人員干預(yù)的需要，并減少了停機(jī)時間。IO-Link 的智能診斷、錯誤檢測和數(shù)據(jù)記錄功能可用于收集整個工廠車間的實時操作信息，從而進(jìn)一步減少停機(jī)時間。

　　IO-Link 系統(tǒng)的架構(gòu)由 IO-Link 主站和各種 IO-Link 設(shè)備之間的點對點連接組成。使用標(biāo)準(zhǔn) M8 或 M12 連接器和 20 米 (m) 長的 3 芯或 4 芯電纜可簡化系統(tǒng)安裝。IO-Link 主設(shè)備通常有 4 或 8 個端口，每個端口連接到一個 IO-Link 設(shè)備。每個端口都可以在標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出(SIO)模式或雙向通信模式下運(yùn)行。由于 IO-Link 是點對點架構(gòu)，因此它不是現(xiàn)場總線，但它與現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)兼容，并且可以連接到可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機(jī)界面 (HMI)(圖 1)。

　　圖 1：IO-Link 與現(xiàn)場總線和 IEEE 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)兼容。(圖片來源：IO-Link 社區(qū))

　　除了在SDCI模式下運(yùn)行外，IO-Link還向后兼容IEC 60974-5-2二進(jìn)制傳感器標(biāo)準(zhǔn)?；镜狞c對點通信使用 3 線接口(L+、C/Q 和 L-)。在IO-Link模式下，主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信是雙向的，具有三種可能的傳輸速率;COM1 為 4.8 kbps (kbps)，COM2 為 38.4 kbps，COM3 為 230.4 kbps(圖 2)。IO-Link 主站必須支持所有三種數(shù)據(jù)速率，以便它可以與任何連接的從設(shè)備通信。從設(shè)備僅支持一種數(shù)據(jù)速率。使用 C/Q 線路上的非歸零 (NRZ) 編碼進(jìn)行 24 伏脈沖通信。在 IO-Link 模式下，引腳 2 可以處于數(shù)字輸入 (DI) 模式、數(shù)字輸出 (DO) 模式或未連接。 IO-Link 設(shè)備(傳感器或執(zhí)行器)必須在 L+ 超過 18 伏閾值后的 300 毫秒 (ms) 內(nèi)運(yùn)行。

　　圖 2：IO-Link 通信是雙向的，可以支持 4.8、38.4 和 230.4 kbps。(圖片來源：)

　　IO-Link 設(shè)備說明

　　所有 IO-Link 傳感器和執(zhí)行器都有一個 IO-Link 設(shè)備描述 (IODD) 文件(圖 3)。IODD 是一個 xml 文件，它為 IO-Link 主設(shè)備提供識別和配置設(shè)備以及解釋其數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)。

　　IODD內(nèi)容包括

　　支持通信所需的屬性

　　設(shè)備參數(shù)

　　識別信息

　　過程和診斷信息

　　設(shè)備的圖像和制造商的徽標(biāo)

　　IODD的結(jié)構(gòu)與IEC 61131-9分開概述

　　IODD文件的集中式數(shù)據(jù)庫由IO-Link聯(lián)盟維護(hù)

　　圖 3：IODD 是一個 xml 文件，其中包含 IO-Link 主設(shè)備識別、配置和與每個從設(shè)備通信所需的信息。(圖片來源：ADI公司)

　　數(shù)據(jù)鏈接和數(shù)據(jù)類型

　　IO-Link 主站和設(shè)備之間的消息交換由數(shù)據(jù)鏈路 (DL) 層管理。消息是長度在 1 到 66 個通用異步接收器發(fā)射器 (UART) 字之間的幀，稱為“M 序列”。消息可以與請求數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理請求和命令以及常規(guī)流程數(shù)據(jù)相關(guān)。主站包括一個 DL 處理程序，用于處理錯誤和錯誤消息，并管理喚醒、SIO 和 COM 速率等操作模式。當(dāng)主設(shè)備發(fā)送請求時，設(shè)備需要響應(yīng)。

　　IO-Link 通信可以是同步的，也可以是異步的。IO-Link 主站和設(shè)備包括用于同步通信的過程數(shù)據(jù)處理程序，以及用于事件、控制、參數(shù)和索引服務(wù)數(shù)據(jù)單元 (ISDU) 數(shù)據(jù)異步通信的按需處理程序。異步數(shù)據(jù)是應(yīng)請求的，可以包含以下內(nèi)容：

　　配置或維護(hù)信息和控制。

　　事件觸發(fā)，具有三個緊急級別：

　　錯誤

　　警告

　　通知

　　頁面數(shù)據(jù)可直接讀取設(shè)備參數(shù)

　　大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的服務(wù)數(shù)據(jù)

　　將 IO-Link 集成到主設(shè)備和設(shè)備中可能很復(fù)雜。有必要全面實施這些標(biāo)準(zhǔn)，以確保設(shè)備的互操作性和可靠的系統(tǒng)運(yùn)行。為了將高效可靠的IO-Link通信快速集成到智能工廠執(zhí)行器中，設(shè)計人員可以為主機(jī)和設(shè)備使用預(yù)先設(shè)計的解決方案。IO-Link 器件控制器 IC 具有具有有源反極性保護(hù)功能的超低功耗驅(qū)動器，可帶或不帶集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。它們還具有支持廣泛診斷的串行外設(shè)接口 (SPI)。雙通道、IO-Link 主收發(fā)器 IC 支持低功耗操作，并通過包括具有 UART 和先進(jìn)先出 (FIFO) 功能的幀處理器來簡化微控制器 (MCU) 選擇。

　　用 IO-Link 取代氣動執(zhí)行器

　　IO-Link 提供了一種簡單的方法來顛覆傳統(tǒng)的過程控制方法，并通過用伺服驅(qū)動器和復(fù)雜的數(shù)字控制取代氣動執(zhí)行器來增強(qiáng)工廠運(yùn)營。例如，設(shè)計人員可以使用 MAXREFDES37# IO-Link 伺服驅(qū)動器參考設(shè)計可加快上市時間(圖 4)。此參考設(shè)計提供 5 V 電源，包括四個脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出，以及四個數(shù)字輸入，可控制多達(dá)四個伺服電機(jī)。

　　該板包括一個 M12-4 連接器，用于連接到 IO-Link 主站。3 針針座支持快速連接到標(biāo)準(zhǔn) 5 V 伺服電機(jī)，其中一個包含在基本參考設(shè)計中。與 5 伏數(shù)字輸入、電源接地和所有四個 PWM 通道的連接均使用線中戳接線端子進(jìn)行。包括Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering的(TMG TE)IO-Link設(shè)備堆棧。MAXREFDES37# 可與 MAXREFDES277 采用 Pmod 外形的雙通道 IO-Link 主站，包括圖形用戶界面 (GUI) 程序，可使用 Windows PC 輕松進(jìn)行驗證。

　　圖 4：MAXREFDES37# 有一個 M12 連接器(左)，用于連接到 IO-Link 主站，并配有一個伺服電機(jī)(右)。(圖片來源：ADI公司)

　　MAXREFDES37# 包含 MAX14821ETG+T IO-Link 收發(fā)器 IC 和 MAX17504ATP+T 降壓穩(wěn)壓器 直流/直流集成電路MAX14821ETG+T收發(fā)器可與IO-Link器件和24V二進(jìn)制傳感器或執(zhí)行器配合使用。支持所有指定的 IO-Link 數(shù)據(jù)速率，C/Q 和 DO 驅(qū)動器可以源出或吸收高達(dá) 100 毫安 (mA) 的電流。收發(fā)器運(yùn)行DL層協(xié)議，與微控制器單元(MCU)接口。兩個內(nèi)部線性穩(wěn)壓器為功率傳感器和執(zhí)行器提供 5 伏和 3.3 伏直流電 (VDC)，還包括 24 伏數(shù)字輸入和輸出。集成的 DO 和 C/Q 驅(qū)動器可獨立配置為推挽式、低側(cè) (NPN) 或高端 (PNP) 操作。收發(fā)器可通過SPI進(jìn)行配置和監(jiān)控。

　　板載MAX17504同步整流降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器工作在4.5至60 VDC輸入范圍。它的輸出電壓范圍為 0.9 伏至 90% 的輸入電壓，可提供高達(dá) 3.5 安培 (A) 的電流。在 -40 至 +125 攝氏度 (°C) 范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)精度為 ±1.1%。它具有峰值效率 >90%，關(guān)斷電流為 2.8 微安 (μA)。

　　用于主站或集成 DC/DC 設(shè)備的收發(fā)器

　　對于 IO-Link 主站和設(shè)備的設(shè)計人員，有 MAX22514.該收發(fā)器具有高集成度(包括一個 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器、兩個線性穩(wěn)壓器和集成浪涌保護(hù)器)、低功耗和晶圓級封裝 (WLP)(2.5 毫米 (mm) x 2.6 mm) 或薄型四方扁平封裝 (TQFN) 封裝 (4 mm x 5 mm) 的選擇，非常適合空間受限的工業(yè) IO-Link 應(yīng)用(圖 5)。

　　例如，部件號 MAX22514AWA+ 在 WLP 中。其 SPI 支持可配置性和診斷，還支持 COM1、COM2 和 COM3 數(shù)據(jù)速率。

　　圖 5：MAX22514 收發(fā)器高度集成，適用于 IO-Link 主機(jī)和器件。(圖片來源：ADI公司)

　　為了縮短開發(fā)時間，設(shè)計人員可以使用參考設(shè)計，例如 MAXREFDES278#.這是基于MAX22514 IO-Link收發(fā)器的8通道電磁執(zhí)行器參考設(shè)計，用于演示 MAX22200，一個 1 A 八通道集成串行控制電磁閥驅(qū)動器，帶有集成場效應(yīng)晶體管 (FET)。該參考設(shè)計包括一個集成式 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器。包括Windows兼容軟件，提供圖形用戶界面(GUI)，用于探索MAX22514的特性。USB-A 到微型 B 電纜用于將評估板連接到 PC。

　　雙通道主控

　　當(dāng)需要雙通道IO-Link主站時，設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)向 MAX14819自動柜員+ 收發(fā)器，包括兩個輔助數(shù)字輸入通道。集成的 IO-Link 成幀器消除了對外部 UART 的需求，集成的周期定時器使 MCU 無需處理時序關(guān)鍵型任務(wù)。該收發(fā)器可與 MAX14931FAWE+ 和 MAX12930EASA+T 數(shù)字隔離器。MAX14931FAWE+具有四個通道，用于單向傳輸數(shù)字信號。MAX12930EASA+T具有兩個數(shù)據(jù)傳輸通道。這 MAX14819評估板# MAX14819A提供評估板，包括MAX14931和MAX12930數(shù)字隔離器(圖6)。

　　圖 6：MAX14819EVKIT# 雙通道 IO-Link 主評估板包括 MAX14819 收發(fā)器以及 MAX12930 和 MAX14931 數(shù)字隔離器。(圖片來源：ADI公司)

　　結(jié)論

　　為了獲得IIoT和工業(yè)4.0的好處，需要快速且經(jīng)濟(jì)高效地部署傳感器和換能器。為此，IO-Link 為工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計人員提供了一種標(biāo)準(zhǔn)、可靠、高效和模塊化的方法。如圖所示，使用現(xiàn)成的組件，設(shè)計人員可以使用 IO-Link 在邊緣增加智能，用于調(diào)試、監(jiān)控和重新配置傳感器和執(zhí)行器。