作者：Jeff Shepard

　　支持作为工业 4.0 标志的数据收集和分析可能经常需要对生产线和流程进行更改，包括添加、删除或重新编程数字传感器、执行器、指示器和其他设备。这可能很难跨具有各种特征的传统自动化网络协议有效地实现。工业 4.0 安装需要在已安装的网络与日益增多的本地传感器、执行器和指示器之间提供另一层连接性和灵活性。

　　为了应对这些挑战，IO-Link 被开发为一种开放标准，可以将来自传感器、执行器和指示器等设备的信号连接到以太网 IP、Modbus TCP/IP 和 PROFINET 等更高级别的网络，并从那里连接到可编程的网络逻辑控制器 (PLC)、人机界面 (HMI) 设备、监控和数据采集 (SCADA) 系统以及云端。 IO-Link 串行连接已标准化为 IEC 61131-9，使用 IEC 60974-5-2 中定义的简单非屏蔽三线或五线标准电缆。自动化系统设计人员会发现 IO-Link 特别适合支持工业 4.0 工厂所需的连接设备的快速部署和远程配置、监控和诊断。

　　本文回顾了 IO-Link 的功能和优势，并探讨了 IO-Link 网络的结构和操作，包括使用各种类型的 IO-Link 设备构建传感器、执行器和指示器的本地网络以支持工业 4.0 。它展示了Banner Engineering的IO-Link 主站、集线器和数据转换器设备的实际示例，设计人员可以使用这些示例来高效部署大量工业 4.0 边缘设备。

　　IO-Link 适用于哪里?

　　IO-Link 提供了一个较低级别的网络，可以从分布式传感器、执行器和指示器捕获数据，连接到将数据转换为 IO-Link 格式的转换器，然后根据需要将其分发到 IO-Link 集线器或主设备。连接到更高级别的工厂网络，如以太网、Modbus 和 PROFINET(图 1)。

　　图 1：IO-Link 提供了完整的解决方案，用于将传统和其他传感器、执行器和设备(左)与工业 4.0 网络中的现有 SCADA、HMI 和云(右)连接。 (图片来源：邦纳工程)

　　IO-Link 的主要属性包括：

　　开放标准

　　支持本地设备的快速集成、配置和调试，以加快转换速度并提高灵活性，同时最大限度地减少技术人员的实际支持

　　与现有自动化网络的兼容性

　　强大的双向通信，可以是同步或异步，以最大限度地提高通信效率

　　深入到设备级别的远程诊断支持

　　动态改变传感器或执行器参数以加速过程优化的能力

　　集成设备识别和自动参数重新分配，以最大限度地提高可用性

　　如何连接 IO-Link 设备

　　IO-Link 网络中的设备使用长达 20 米 (m) 的三芯或五芯非屏蔽电缆进行连接。 IEC 60947-5-2 定义了主设备和设备引脚分配。公连接器分配给设备，母连接器分配给主设备。连接器可以是 M5、M8 或 M12，最多有 5 个引脚。在主设备上，引脚 1 和 3 之间提供电流高达 200 毫安 (mA) 的 24 伏直流 (VDC)，作为设备的可选电源。引脚 4 根据 IEC 61131-2 定义为数字输入 (DI) 或数字输出 (DO)，并且根据 IEC60947-5-2 支持向后兼容传统设备。

　　有两种主端口类别：A 和 B。在 A 类端口中，引脚 2 和 5 未连接 (NC)，而在 B 类端口中，这些引脚可配置为 DI、DO、未连接 (NC) 或可以提供额外的电源。在大多数工业安装中，都使用 M12 快速断开连接器。图 2 显示了 IEC 60974-5 中定义的引脚分配摘要：

　　引脚 1：+24 VDC，最大 200 mA (L+)

　　引脚 2：数字 I/O(仅限 PNP)

　　引脚 3：0 伏 (L-)

　　引脚 4：数字 I/O(NPN、PNP 或推挽式)和 IO-Link 通信

　　引脚 5：中心引脚 NC(可选)

　　图 2：IO-Link 是一种简单的解决方案，可为传感器和执行器等边缘设备提供电源和数据连接。 (图片来源：邦纳工程)

　　为什么选择 IO-Link?

　　IO-Link 使用简单的设备安装或更换以及标准化、可靠且低成本的布线，有助于显着提高工业 4.0 网络的性能。此外，它还旨在简化隔离传感器与现有网络的集成。 IO-Link 的优点包括：

　　使用 IO-Link 将孤立的设备和自动化孤岛连接到统一网络中，从而实现数据可用性。传感器级数据并不总是可用或易于获取。借助 IO-Link，数据变得易于获取并可实时使用，以优化流程并支持主动的机器和传感器维护。 IO-Link 支持三种主要数据类型，可进一步分类为定期自动传输的循环数据或根据请求或根据需要传输的非循环数据：

　　过程数据：这是指设备传输到主设备的传感器读数等信息，以及来自主设备的用于控制设备操作的信息，例如点亮塔式照明灯具上的特定部分。过程数据可以是循环的或非循环的。

　　服务数据：这包括有关设备的信息，有时称为设备数据。服务数据包括设备参数值、设备描述以及型号和序列号。它是非循环的，可以根据需要从设备读取或写入设备。

　　事件数据：这包括错误处理，并包括错误消息(例如超出参数设置)或维护警告(例如成像传感器上的镜头脏污)。每当触发事件发生时，它们就会以非循环方式传输。

　　远程配置使网络操作员和技术人员能够通过软件控制读取和更改设备参数，而无需亲自前往每个单独的设备。传感器参数可以根据需要动态更改，以改进现有流程、加快产品和流程变更、支持大规模定制并最大限度地减少机器和生产线停机时间。

　　通过远程配置设备的能力可以简化设备更换。 IO-Link 中的自动设备更换 (ADR) 功能可以为更换的设备提供自动参数调整和重新分配。通过ADR，网络运营商可以将现有参数值导入替换设备或根据需要更新参数，以确保快速、准确的网络修改和维护。

　　扩展诊断利用 IO-Link 的循环和非循环通信功能，为网络操作员提供有关工厂中每台设备运行状态的广泛信息。远程诊断设备运行的能力可以加快识别正在恶化或运行不规范的设备。这样可以更有效地安排维护或设备更换。

　　标准化且简单的接线是 IO-Link 的一个关键特性。与其他网络协议不同，IO-Link 设备、转换器、集线器和主站均使用简单且低成本的非屏蔽电缆和快速断开连接器进行连接。 IO-Link 的主从架构进一步简化了布线要求并消除了网络配置问题。

　　入门：IO-Link 主站/控制器

　　添加或扩展 IO-Link 使用的自动化系统设计人员可以首先选择 IO-Link 主站(或控制器)，例如Banner Engineering 的DXMR90-4K，它可以整合多个来源的数据、提供本地数据处理并支持与更高级别的网络(图 3)。

　　图 3：DXMR90-4K IO-Link 主设备可以合并来自四个本地源的数据并与更高级别的网络连接。 (图片来源：邦纳工程)

　　DXMR90-4K 的四个端口支持与最多四个 IO-Link 设备的并发通信。它支持数据采集、边缘处理和连接工业以太网或Modbus/TCP的协议转换，并可以将数据传输到Web服务器。 DXMR90-4K 的其他功能包括：

　　外壳紧凑、重量轻，节省空间并简化部署

　　IP67 防护等级无需单独的控制柜，有助于降低安装成本

　　促进综合电缆布线，最大限度地减少布线复杂性和重量，这在机器人等应用中尤其重要

　　使用动作规则和 ScriptBasic 编程的可扩展内部逻辑控制器支持高水平的灵活性

　　为了简化安装，设计人员可以使用R45C-2K-MQ二端口 IO-Link Master等设备进行 Modbus 连接。

　　IO-Link 集线器

　　当多个传感器或执行器需要连接到单个 IO 主站时，设计人员可以使用 IO-Link 集线器来聚合传感器和执行器信号，并通过单根电缆将它们传输到 IO-Link 主站。例如，R90C-4B21-KQ具有四个输入端口，并使用标准 M12 连接器连接到主站(图 4)。它是一款紧凑型双模(PNP 或 NPN)至 IO-Link 设备转换器，可连接离散输入并将值发送至 IO-Link 主站。其特点：

　　延迟模式包括开/关延迟、开/关/可重复触发单触发、开/关、脉冲展宽器和累加器

　　测量指标包括计数、每分钟事件数和持续时间

　　离散镜像使信号(输入和输出)能够镜像到四个端口中的任何一个

　　离散 I/O 可独立配置为 NPN 或 PNP

　　坚固的包覆成型 IP68 等级设计

　　图 4：R90C-4B21-KQ 集线器可以整合来自四个设备的通信，并将它们与 IO-Link 主设备连接。 (图片来源：邦纳工程)

　　IO-Link 信号转换器

　　IO-Link 网络可使用各种类型的转换器来连接传感器和其他可能使用各种信号类型的设备，例如离散 PNP 或 NPN 信号、模拟 0 至 10 VDC 信号和电流传感器。 IO-Link 信号转换器的示例包括：

　　R45C-K-IIQ IO-Link 至模拟电流输入或输出转换器(图 5)

　　R45C-K-UUQ模拟电压输入或输出转换器

　　R45C-K-IQ模拟电流输出转换器

　　R45C-K-UQ模拟电压输出转换器

　　图 5：R45C-K-IIQ IO-Link 转换器可以使用模拟输入和输出将主设备与本地设备连接。 (图片来源：邦纳工程)

　　还提供 IO-Link 内联转换器，其大小约为单节 AA 电池。这些转换器可以处理各种信号类型并将其转换为 IO-Link、Modbus 或其他协议。例如，S15C-I-KQ是一款模拟电流 IO-Link 转换器，可连接到 4 至 20 mA 电流源并将值输出到 IO-Link 主站。这些转换器的小尺寸简化了将传统传感器添加到具有过程或环境监控标准协议的网络中的过程。它们的 IP68 防护等级使其能够广泛部署在工业环境中。

　　结论

　　IO-Link 通过将传统设备和其他边缘设备与主以太网 IP、Modbus TCP/IP 或 PROFINET 网络连接，提供收集优化工业 4.0 工厂性能所需数据所需的连接。它使用 IEC 61131-9 中标准化的连接以及 IEC 60974-5 中定义的简单非屏蔽 3 或 5 线标准电缆，支持高水平的数据可用性、扩展诊断、远程配置和简化的设备更换、加速流程和生产线变更。