作者：Jeff Shepard

　　支持作為工業 4.0 標志的數據收集和分析可能經常需要對生產線和流程進行更改，包括添加、刪除或重新編程數字傳感器、執行器、指示器和其他設備。這可能很難跨具有各種特征的傳統自動化網絡協議有效地實現。工業 4.0 安裝需要在已安裝的網絡與日益增多的本地傳感器、執行器和指示器之間提供另一層連接性和靈活性。

　　為了應對這些挑戰，IO-Link 被開發為一種開放標準，可以將來自傳感器、執行器和指示器等設備的信號連接到以太網 IP、Modbus TCP/IP 和 PROFINET 等更高級別的網絡，并從那里連接到可編程的網絡邏輯控制器 (PLC)、人機界面 (HMI) 設備、監控和數據采集 (SCADA) 系統以及云端。 IO-Link 串行連接已標準化為 IEC 61131-9，使用 IEC 60974-5-2 中定義的簡單非屏蔽三線或五線標準電纜。自動化系統設計人員會發現 IO-Link 特別適合支持工業 4.0 工廠所需的連接設備的快速部署和遠程配置、監控和診斷。

　　本文回顧了 IO-Link 的功能和優勢，并探討了 IO-Link 網絡的結構和操作，包括使用各種類型的 IO-Link 設備構建傳感器、執行器和指示器的本地網絡以支持工業 4.0 。它展示了Banner Engineering的IO-Link 主站、集線器和數據轉換器設備的實際示例，設計人員可以使用這些示例來高效部署大量工業 4.0 邊緣設備。

　　IO-Link 適用于哪里?

　　IO-Link 提供了一個較低級別的網絡，可以從分布式傳感器、執行器和指示器捕獲數據，連接到將數據轉換為 IO-Link 格式的轉換器，然后根據需要將其分發到 IO-Link 集線器或主設備。連接到更高級別的工廠網絡，如以太網、Modbus 和 PROFINET(圖 1)。

　　圖 1：IO-Link 提供了完整的解決方案，用于將傳統和其他傳感器、執行器和設備(左)與工業 4.0 網絡中的現有 SCADA、HMI 和云(右)連接。 (圖片來源：邦納工程)

　　IO-Link 的主要屬性包括：

　　開放標準

　　支持本地設備的快速集成、配置和調試，以加快轉換速度并提高靈活性，同時最大限度地減少技術人員的實際支持

　　與現有自動化網絡的兼容性

　　強大的雙向通信，可以是同步或異步，以最大限度地提高通信效率

　　深入到設備級別的遠程診斷支持

　　動態改變傳感器或執行器參數以加速過程優化的能力

　　集成設備識別和自動參數重新分配，以最大限度地提高可用性

　　如何連接 IO-Link 設備

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

　　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。在大多數工業安裝中，都使用 M12 快速斷開連接器。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：數字 I/O(僅限 PNP)

　　引腳 3：0 伏 (L-)

　　引腳 4：數字 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 是一種簡單的解決方案，可為傳感器和執行器等邊緣設備提供電源和數據連接。 (圖片來源：邦納工程)

　　為什么選擇 IO-Link?

　　IO-Link 使用簡單的設備安裝或更換以及標準化、可靠且低成本的布線，有助于顯著提高工業 4.0 網絡的性能。此外，它還旨在簡化隔離傳感器與現有網絡的集成。 IO-Link 的優點包括：

　　使用 IO-Link 將孤立的設備和自動化孤島連接到統一網絡中，從而實現數據可用性。傳感器級數據并不總是可用或易于獲取。借助 IO-Link，數據變得易于獲取并可實時使用，以優化流程并支持主動的機器和傳感器維護。 IO-Link 支持三種主要數據類型，可進一步分類為定期自動傳輸的循環數據或根據請求或根據需要傳輸的非循環數據：

　　過程數據：這是指設備傳輸到主設備的傳感器讀數等信息，以及來自主設備的用于控制設備操作的信息，例如點亮塔式照明燈具上的特定部分。過程數據可以是循環的或非循環的。

　　服務數據：這包括有關設備的信息，有時稱為設備數據。服務數據包括設備參數值、設備描述以及型號和序列號。它是非循環的，可以根據需要從設備讀取或寫入設備。

　　事件數據：這包括錯誤處理，并包括錯誤消息(例如超出參數設置)或維護警告(例如成像傳感器上的鏡頭臟污)。每當觸發事件發生時，它們就會以非循環方式傳輸。

　　遠程配置使網絡操作員和技術人員能夠通過軟件控制讀取和更改設備參數，而無需親自前往每個單獨的設備。傳感器參數可以根據需要動態更改，以改進現有流程、加快產品和流程變更、支持大規模定制并最大限度地減少機器和生產線停機時間。

　　通過遠程配置設備的能力可以簡化設備更換。 IO-Link 中的自動設備更換 (ADR) 功能可以為更換的設備提供自動參數調整和重新分配。通過ADR，網絡運營商可以將現有參數值導入替換設備或根據需要更新參數，以確?？焖佟蚀_的網絡修改和維護。

　　擴展診斷利用 IO-Link 的循環和非循環通信功能，為網絡操作員提供有關工廠中每臺設備運行狀態的廣泛信息。遠程診斷設備運行的能力可以加快識別正在惡化或運行不規范的設備。這樣可以更有效地安排維護或設備更換。

　　標準化且簡單的接線是 IO-Link 的一個關鍵特性。與其他網絡協議不同，IO-Link 設備、轉換器、集線器和主站均使用簡單且低成本的非屏蔽電纜和快速斷開連接器進行連接。 IO-Link 的主從架構進一步簡化了布線要求并消除了網絡配置問題。

　　入門：IO-Link 主站/控制器

　　添加或擴展 IO-Link 使用的自動化系統設計人員可以首先選擇 IO-Link 主站(或控制器)，例如Banner Engineering 的DXMR90-4K，它可以整合多個來源的數據、提供本地數據處理并支持與更高級別的網絡(圖 3)。

　　圖 3：DXMR90-4K IO-Link 主設備可以合并來自四個本地源的數據并與更高級別的網絡連接。 (圖片來源：邦納工程)

　　DXMR90-4K 的四個端口支持與最多四個 IO-Link 設備的并發通信。它支持數據采集、邊緣處理和連接工業以太網或Modbus/TCP的協議轉換，并可以將數據傳輸到Web服務器。 DXMR90-4K 的其他功能包括：

　　外殼緊湊、重量輕，節省空間并簡化部署

　　IP67 防護等級無需單獨的控制柜，有助于降低安裝成本

　　促進綜合電纜布線，最大限度地減少布線復雜性和重量，這在機器人等應用中尤其重要

　　使用動作規則和 ScriptBasic 編程的可擴展內部邏輯控制器支持高水平的靈活性

　　為了簡化安裝，設計人員可以使用R45C-2K-MQ二端口 IO-Link Master等設備進行 Modbus 連接。

　　IO-Link 集線器

　　當多個傳感器或執行器需要連接到單個 IO 主站時，設計人員可以使用 IO-Link 集線器來聚合傳感器和執行器信號，并通過單根電纜將它們傳輸到 IO-Link 主站。例如，R90C-4B21-KQ具有四個輸入端口，并使用標準 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 設備轉換器，可連接離散輸入并將值發送至 IO-Link 主站。其特點：

　　延遲模式包括開/關延遲、開/關/可重復觸發單觸發、開/關、脈沖展寬器和累加器

　　測量指標包括計數、每分鐘事件數和持續時間

　　離散鏡像使信號(輸入和輸出)能夠鏡像到四個端口中的任何一個

　　離散 I/O 可獨立配置為 NPN 或 PNP

　　堅固的包覆成型 IP68 等級設計

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

　　IO-Link 信號轉換器

　　IO-Link 網絡可使用各種類型的轉換器來連接傳感器和其他可能使用各種信號類型的設備，例如離散 PNP 或 NPN 信號、模擬 0 至 10 VDC 信號和電流傳感器。 IO-Link 信號轉換器的示例包括：

　　R45C-K-IIQ IO-Link 至模擬電流輸入或輸出轉換器(圖 5)

　　R45C-K-UUQ模擬電壓輸入或輸出轉換器

　　R45C-K-IQ模擬電流輸出轉換器

　　R45C-K-UQ模擬電壓輸出轉換器

　　圖 5：R45C-K-IIQ IO-Link 轉換器可以使用模擬輸入和輸出將主設備與本地設備連接。 (圖片來源：邦納工程)

　　還提供 IO-Link 內聯轉換器，其大小約為單節 AA 電池。這些轉換器可以處理各種信號類型并將其轉換為 IO-Link、Modbus 或其他協議。例如，S15C-I-KQ是一款模擬電流 IO-Link 轉換器，可連接到 4 至 20 mA 電流源并將值輸出到 IO-Link 主站。這些轉換器的小尺寸簡化了將傳統傳感器添加到具有過程或環境監控標準協議的網絡中的過程。它們的 IP68 防護等級使其能夠廣泛部署在工業環境中。

　　結論

　　IO-Link 通過將傳統設備和其他邊緣設備與主以太網 IP、Modbus TCP/IP 或 PROFINET 網絡連接，提供收集優化工業 4.0 工廠性能所需數據所需的連接。它使用 IEC 61131-9 中標準化的連接以及 IEC 60974-5 中定義的簡單非屏蔽 3 或 5 線標準電纜，支持高水平的數據可用性、擴展診斷、遠程配置和簡化的設備更換、加速流程和生產線變更。