作者：Jeff Shepard

　　支持作為工業(yè) 4.0 標(biāo)志的數(shù)據(jù)收集和分析可能經(jīng)常需要對(duì)生產(chǎn)線和流程進(jìn)行更改，包括添加、刪除或重新編程數(shù)字傳感器、執(zhí)行器、指示器和其他設(shè)備。這可能很難跨具有各種特征的傳統(tǒng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有效地實(shí)現(xiàn)。工業(yè) 4.0 安裝需要在已安裝的網(wǎng)絡(luò)與日益增多的本地傳感器、執(zhí)行器和指示器之間提供另一層連接性和靈活性。

　　為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，IO-Link 被開(kāi)發(fā)為一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，可以將來(lái)自傳感器、執(zhí)行器和指示器等設(shè)備的信號(hào)連接到以太網(wǎng) IP、Modbus TCP/IP 和 PROFINET 等更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)，并從那里連接到可編程的網(wǎng)絡(luò)邏輯控制器 (PLC)、人機(jī)界面 (HMI) 設(shè)備、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)以及云端。 IO-Link 串行連接已標(biāo)準(zhǔn)化為 IEC 61131-9，使用 IEC 60974-5-2 中定義的簡(jiǎn)單非屏蔽三線或五線標(biāo)準(zhǔn)電纜。自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn) IO-Link 特別適合支持工業(yè) 4.0 工廠所需的連接設(shè)備的快速部署和遠(yuǎn)程配置、監(jiān)控和診斷。

　　本文回顧了 IO-Link 的功能和優(yōu)勢(shì)，并探討了 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和操作，包括使用各種類型的 IO-Link 設(shè)備構(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 。它展示了Banner Engineering的IO-Link 主站、集線器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)備的實(shí)際示例，設(shè)計(jì)人員可以使用這些示例來(lái)高效部署大量工業(yè) 4.0 邊緣設(shè)備。

　　IO-Link 適用于哪里?

　　IO-Link 提供了一個(gè)較低級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)，可以從分布式傳感器、執(zhí)行器和指示器捕獲數(shù)據(jù)，連接到將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 IO-Link 格式的轉(zhuǎn)換器，然后根據(jù)需要將其分發(fā)到 IO-Link 集線器或主設(shè)備。連接到更高級(jí)別的工廠網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)、Modbus 和 PROFINET(圖 1)。

　　圖 1：IO-Link 提供了完整的解決方案，用于將傳統(tǒng)和其他傳感器、執(zhí)行器和設(shè)備(左)與工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)有 SCADA、HMI 和云(右)連接。 (圖片來(lái)源：邦納工程)

　　IO-Link 的主要屬性包括：

　　開(kāi)放標(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)換速度并提高靈活性，同時(shí)最大限度地減少技術(shù)人員的實(shí)際支持

　　與現(xiàn)有自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的兼容性

　　強(qiáng)大的雙向通信，可以是同步或異步，以最大限度地提高通信效率

　　深入到設(shè)備級(jí)別的遠(yuǎn)程診斷支持

　　動(dòng)態(tài)改變傳感器或執(zhí)行器參數(shù)以加速過(guò)程優(yōu)化的能力

　　集成設(shè)備識(shí)別和自動(dòng)參數(shù)重新分配，以最大限度地提高可用性

　　如何連接 IO-Link 設(shè)備

　　IO-Link 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備使用長(zhǎng)達(dá) 20 米 (m) 的三芯或五芯非屏蔽電纜進(jìn)行連接。 IEC 60947-5-2 定義了主設(shè)備和設(shè)備引腳分配。公連接器分配給設(shè)備，母連接器分配給主設(shè)備。連接器可以是 M5、M8 或 M12，最多有 5 個(gè)引腳。在主設(shè)備上，引腳 1 和 3 之間提供電流高達(dá) 200 毫安 (mA) 的 24 伏直流 (VDC)，作為設(shè)備的可選電源。引腳 4 根據(jù) IEC 61131-2 定義為數(shù)字輸入 (DI) 或數(shù)字輸出 (DO)，并且根據(jù) IEC60947-5-2 支持向后兼容傳統(tǒng)設(shè)備。

　　有兩種主端口類別：A 和 B。在 A 類端口中，引腳 2 和 5 未連接 (NC)，而在 B 類端口中，這些引腳可配置為 DI、DO、未連接 (NC) 或可以提供額外的電源。在大多數(shù)工業(yè)安裝中，都使用 M12 快速斷開(kāi)連接器。圖 2 顯示了 IEC 60974-5 中定義的引腳分配摘要：

　　引腳 1：+24 VDC，最大 200 mA (L+)

　　引腳 2：數(shù)字 I/O(僅限 PNP)

　　引腳 3：0 伏 (L-)

　　引腳 4：數(shù)字 I/O(NPN、PNP 或推挽式)和 IO-Link 通信

　　引腳 5：中心引腳 NC(可選)

　　圖 2：IO-Link 是一種簡(jiǎn)單的解決方案，可為傳感器和執(zhí)行器等邊緣設(shè)備提供電源和數(shù)據(jù)連接。 (圖片來(lái)源：邦納工程)

　　為什么選擇 IO-Link?

　　IO-Link 使用簡(jiǎn)單的設(shè)備安裝或更換以及標(biāo)準(zhǔn)化、可靠且低成本的布線，有助于顯著提高工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)的性能。此外，它還旨在簡(jiǎn)化隔離傳感器與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的集成。 IO-Link 的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　使用 IO-Link 將孤立的設(shè)備和自動(dòng)化孤島連接到統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可用性。傳感器級(jí)數(shù)據(jù)并不總是可用或易于獲取。借助 IO-Link，數(shù)據(jù)變得易于獲取并可實(shí)時(shí)使用，以優(yōu)化流程并支持主動(dòng)的機(jī)器和傳感器維護(hù)。 IO-Link 支持三種主要數(shù)據(jù)類型，可進(jìn)一步分類為定期自動(dòng)傳輸?shù)难h(huán)數(shù)據(jù)或根據(jù)請(qǐng)求或根據(jù)需要傳輸?shù)姆茄h(huán)數(shù)據(jù)：

　　過(guò)程數(shù)據(jù)：這是指設(shè)備傳輸?shù)街髟O(shè)備的傳感器讀數(shù)等信息，以及來(lái)自主設(shè)備的用于控制設(shè)備操作的信息，例如點(diǎn)亮塔式照明燈具上的特定部分。過(guò)程數(shù)據(jù)可以是循環(huán)的或非循環(huán)的。

　　服務(wù)數(shù)據(jù)：這包括有關(guān)設(shè)備的信息，有時(shí)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(hào)和序列號(hào)。它是非循環(huán)的，可以根據(jù)需要從設(shè)備讀取或?qū)懭朐O(shè)備。

　　事件數(shù)據(jù)：這包括錯(cuò)誤處理，并包括錯(cuò)誤消息(例如超出參數(shù)設(shè)置)或維護(hù)警告(例如成像傳感器上的鏡頭臟污)。每當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，它們就會(huì)以非循環(huán)方式傳輸。

　　遠(yuǎn)程配置使網(wǎng)絡(luò)操作員和技術(shù)人員能夠通過(guò)軟件控制讀取和更改設(shè)備參數(shù)，而無(wú)需親自前往每個(gè)單獨(dú)的設(shè)備。傳感器參數(shù)可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)更改，以改進(jìn)現(xiàn)有流程、加快產(chǎn)品和流程變更、支持大規(guī)模定制并最大限度地減少機(jī)器和生產(chǎn)線停機(jī)時(shí)間。

　　通過(guò)遠(yuǎn)程配置設(shè)備的能力可以簡(jiǎn)化設(shè)備更換。 IO-Link 中的自動(dòng)設(shè)備更換 (ADR) 功能可以為更換的設(shè)備提供自動(dòng)參數(shù)調(diào)整和重新分配。通過(guò)ADR，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以將現(xiàn)有參數(shù)值導(dǎo)入替換設(shè)備或根據(jù)需要更新參數(shù)，以確保快速、準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)修改和維護(hù)。

　　擴(kuò)展診斷利用 IO-Link 的循環(huán)和非循環(huán)通信功能，為網(wǎng)絡(luò)操作員提供有關(guān)工廠中每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的廣泛信息。遠(yuǎn)程診斷設(shè)備運(yùn)行的能力可以加快識(shí)別正在惡化或運(yùn)行不規(guī)范的設(shè)備。這樣可以更有效地安排維護(hù)或設(shè)備更換。

　　標(biāo)準(zhǔn)化且簡(jiǎn)單的接線是 IO-Link 的一個(gè)關(guān)鍵特性。與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，IO-Link 設(shè)備、轉(zhuǎn)換器、集線器和主站均使用簡(jiǎn)單且低成本的非屏蔽電纜和快速斷開(kāi)連接器進(jìn)行連接。 IO-Link 的主從架構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了布線要求并消除了網(wǎng)絡(luò)配置問(wèn)題。

　　入門：IO-Link 主站/控制器

　　添加或擴(kuò)展 IO-Link 使用的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以首先選擇 IO-Link 主站(或控制器)，例如Banner Engineering 的DXMR90-4K，它可以整合多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)、提供本地?cái)?shù)據(jù)處理并支持與更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)(圖 3)。

　　圖 3：DXMR90-4K IO-Link 主設(shè)備可以合并來(lái)自四個(gè)本地源的數(shù)據(jù)并與更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)連接。 (圖片來(lái)源：邦納工程)

　　DXMR90-4K 的四個(gè)端口支持與最多四個(gè) IO-Link 設(shè)備的并發(fā)通信。它支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、邊緣處理和連接工業(yè)以太網(wǎng)或Modbus/TCP的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎eb服務(wù)器。 DXMR90-4K 的其他功能包括：

　　外殼緊湊、重量輕，節(jié)省空間并簡(jiǎn)化部署

　　IP67 防護(hù)等級(jí)無(wú)需單獨(dú)的控制柜，有助于降低安裝成本

　　促進(jìn)綜合電纜布線，最大限度地減少布線復(fù)雜性和重量，這在機(jī)器人等應(yīng)用中尤其重要

　　使用動(dòng)作規(guī)則和 ScriptBasic 編程的可擴(kuò)展內(nèi)部邏輯控制器支持高水平的靈活性

　　為了簡(jiǎn)化安裝，設(shè)計(jì)人員可以使用R45C-2K-MQ二端口 IO-Link Master等設(shè)備進(jìn)行 Modbus 連接。

　　IO-Link 集線器

　　當(dāng)多個(gè)傳感器或執(zhí)行器需要連接到單個(gè) IO 主站時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用 IO-Link 集線器來(lái)聚合傳感器和執(zhí)行器信號(hào)，并通過(guò)單根電纜將它們傳輸?shù)? IO-Link 主站。例如，R90C-4B21-KQ具有四個(gè)輸入端口，并使用標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器連接到主站(圖 4)。它是一款緊湊型雙模(PNP 或 NPN)至 IO-Link 設(shè)備轉(zhuǎn)換器，可連接離散輸入并將值發(fā)送至 IO-Link 主站。其特點(diǎn)：

　　延遲模式包括開(kāi)/關(guān)延遲、開(kāi)/關(guān)/可重復(fù)觸發(fā)單觸發(fā)、開(kāi)/關(guān)、脈沖展寬器和累加器

　　測(cè)量指標(biāo)包括計(jì)數(shù)、每分鐘事件數(shù)和持續(xù)時(shí)間

　　離散鏡像使信號(hào)(輸入和輸出)能夠鏡像到四個(gè)端口中的任何一個(gè)

　　離散 I/O 可獨(dú)立配置為 NPN 或 PNP

　　堅(jiān)固的包覆成型 IP68 等級(jí)設(shè)計(jì)

　　圖 4：R90C-4B21-KQ 集線器可以整合來(lái)自四個(gè)設(shè)備的通信，并將它們與 IO-Link 主設(shè)備連接。 (圖片來(lái)源：邦納工程)

　　IO-Link 信號(hào)轉(zhuǎn)換器

　　IO-Link 網(wǎng)絡(luò)可使用各種類型的轉(zhuǎn)換器來(lái)連接傳感器和其他可能使用各種信號(hào)類型的設(shè)備，例如離散 PNP 或 NPN 信號(hào)、模擬 0 至 10 VDC 信號(hào)和電流傳感器。 IO-Link 信號(hào)轉(zhuǎn)換器的示例包括：

　　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-IIQ IO-Link 轉(zhuǎn)換器可以使用模擬輸入和輸出將主設(shè)備與本地設(shè)備連接。 (圖片來(lái)源：邦納工程)

　　還提供 IO-Link 內(nèi)聯(lián)轉(zhuǎn)換器，其大小約為單節(jié) AA 電池。這些轉(zhuǎn)換器可以處理各種信號(hào)類型并將其轉(zhuǎn)換為 IO-Link、Modbus 或其他協(xié)議。例如，S15C-I-KQ是一款模擬電流 IO-Link 轉(zhuǎn)換器，可連接到 4 至 20 mA 電流源并將值輸出到 IO-Link 主站。這些轉(zhuǎn)換器的小尺寸簡(jiǎn)化了將傳統(tǒng)傳感器添加到具有過(guò)程或環(huán)境監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中的過(guò)程。它們的 IP68 防護(hù)等級(jí)使其能夠廣泛部署在工業(yè)環(huán)境中。

　　結(jié)論

　　IO-Link 通過(guò)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，提供收集優(yōu)化工業(yè) 4.0 工廠性能所需數(shù)據(jù)所需的連接。它使用 IEC 61131-9 中標(biāo)準(zhǔn)化的連接以及 IEC 60974-5 中定義的簡(jiǎn)單非屏蔽 3 或 5 線標(biāo)準(zhǔn)電纜，支持高水平的數(shù)據(jù)可用性、擴(kuò)展診斷、遠(yuǎn)程配置和簡(jiǎn)化的設(shè)備更換、加速流程和生產(chǎn)線變更。