IO-Link 1.0 到 IO-Link 1.1

几十年来 IO-Link 被广泛运用于工业 I/O，而近些年来应用更是飞速激增。正如 DigiKey 文章《比较 IO-Link1.0 和 1.1》所解释那样，国际电工委员会 IEC 61131-9 开放标准（标有 IO-Link）给自动化组件赋予了易于使用的连接能力。这是一个单滴数字通信接口 (SDCI)，能够将称作现场设备或次设备的小型传感器和执行器联网到 IO-Link 控制器中枢或主设备，然后再进一步连接到自动化装置的其余部分。IO-Link 的优势之一就是允许使用普通的非屏蔽电缆（可长至 20 m，有 3 至 5 股导线）实现连接。

本文会将更多篇幅放在解释 1.1 版的三个全新 IO-Link 特性上：

• IO-Link 1.1 允许数据备份，因此工厂人员可以保存并重复使用设备参数
• IO-Link 1.1 可以处理的数据宽度可达每端口 32 字节
• IO-Link 1.1 允许 IO-Link 1.1 主设备实现 230.4 千波特数据速率

图 1 ：IO-Link 通信允许 R.A JONES 更紧密地监控传感器性能和维护状态，并通过配方变更参数。据创新工程经理 Nate Smith 所称，IO-Link 事实上正快速成为自动化中现场设备（次设备）通信的领先工业标准。（图片来源：R.A JONES）

IO-Link1.1 作为参数分配服务器

IO-Link 组件的控制集成是通过配置软件来完成的，利用了与每个 IO-Link 组件关联的标准化 IO 设备描述 (IODD) 文件。这些 IODD 文件（存放组件型号、工作范围、支持诊断功能的数据和显示在 HMI 和 GUI 上的符号）是由组件制造商提供的 .xml 文件，通过其自有网站和 ioddfinder.io-link.com 支持 IO-Link V1.0 和 V1.1。

IO-Link 1.1 的最新更新增加了一些 IO-Link 1.1 主设备的能力，使之能够在本地存储 IODD 文件和补充数据——以便为网络上其它设备提供参数分配服务器功能。在此功能推出之前（以及在传统的 IO-Link 装置中），最终用户更换新的现场设备或换用其它设备时，必须先对该设备进行配置——通常是将其插入 PC 的 USB 端口并通过软件手动执行设置。

1.1 版在这一方面改进的另一项优势是，最终用户现在可以（在许多情况下）热插拔来自不同制造商的同等 IO-Link 边缘设备——使得基本可互换设备选择大为增加。当需要对大规模生产线上故障或损坏的传感器进行紧急更换时，这就特别有用。

更高 IO-Link1.1 通信速度具体细节

1.1 版另一 IO-Link 新功能就是 COM3——速率支持更先进的现场设备功能的通信模式。COM3 SDCI 通信模式的指定数据速率最高可达 230.4 kb/s（或者本文所说的 230.4 千波特）。这意味着最新的 IO-Link 迭代 (1.1.3) 改进解决了最后一个对 IO-Link 的争议之处——即该标准没有足够的速度适应现代自动化需要。

具体来说，1.1.3 加入了支持实时通信的周期时间，现在可以周期性地发送上一篇关于此主题的 DigiKey 文章中所述的过程数据，某些情况下甚至可以达到亚毫秒级。发送过程数据所需要的实时带宽（以每秒千字节 (kB/s) 计）取决于主设备从其请求消息所花费的时间、通信方向上的开关延迟、现场设备响应所花费的时间以及另一通信方向上的开关延迟。

如果掌握一些实际微控制器电路（某些情况下是独立式 IC）背景知识，就会理解 IO-Link 组件是如何进行这些通信的。在主设备及其现场次设备中，会有称作通用异步收发传输器 (UART) 的电路，将数据打包或组帧到数据包中发送出去。这些帧有 11 位长——一位用作通信开始位，八位（在 IO-Link 规范和官方文献中亦称一个八位字节）用于承载实际过程数据，另外两位用作通信奇偶校验和停止位。

图 2 ：Maxim Integrated 的 MAX14827AATG+ 是一个可集成到 IO-Link 设备内的低功耗双驱动 IO-Link 收发器。IO-Link 允许使用三线 UART 接口与微控制器 UART 连接，而多路复用 UART/SPI 允许使用一个串行微控制器接口实现共享 UART 和 SPI 功能。（图片来源：Maxim Integrated）

按照 2019 年 6 月 IOLink 1.1.3 规范表 9 规定，用 IO-Link COM3 布局发送每个位只需 4.34 微秒。该时间加上主设备和次设备中数据包间的延迟（分别为最高 4.34 微秒和该值三倍），以及 4.34 微秒至 43.0 微秒的通信方向开关延迟，使得最坏情况下数据传输速率也是亚毫秒级的，而这对于苛刻的工业应用来说仍是完全足够的。

通配符（对实时带宽有很大影响）是为 IO-Link 网络选择的消息序列类型。不同序列类型针对不同数据量的非周期性或请求式数据传输。因此，如要估计 IO-Link 布局的实时带宽，就必须计算系统消息发送所容许的过程数据和非周期性数据的两者数据量。有些类型定义了固定的过程和非周期性请求式八位字节值，而另一些类型则让供应商或用户设置 1 到 32 的过程数据八位字节值，非周期性数据八位字节值则设置为 1、2、8 或 32。简而言之，系统需要移动的数据越少，周期时间就可以越快。

通过分析上述因素后就可以得出实时带宽——即发送的过程数据（以千位计）除以总计算周期时间（以千位每秒计）。例如，当只有一个非周期数据八位字节（记为 1·8）和 32 个过程数据八位字节（记为 32·8）时，周期时间只有几毫秒，而带宽会超过 100 千位每秒。

所有新型 IO-Link 1.1 主设备均支持 COM3 和采用此数据速度的自动化组件——自动适应其所连接的次设备所使用的速率。实际上，让具有不同周期时间的现场设备从一个主设备上运行，以允许使用不同复杂程度的传感器和执行器，以及进行增量式设计升级，是很常见的。采用 COM3 的 230.4 千波特数据速率的执行器（通常采用本文下一节所述的 B 类端口布局）包括液压传动和机电组件——气动阀门、直线气缸、歧管以及基于步进电机的小型现场设备。最常使用 COM3 的传感器包括位置和位移传感器以及颜色、温度和压力传感器，所有这些传感器在过程控制中最常见。选择机械开关也会利用这个 COM3 通信模式。

图 3：Panasonic 的智能 HG-C1000L 系列传感器使用了 IO-Link 的 COM3 连接支持远程监控和预防性维护程序。板载传感器逻辑能够检测正常、错误、警告和警报状态。这些传感器还提供了一种在必要时快速对传感器设置和操作进行远程重新配置的方法。（图片来源：Panasonic Industrial Automation Sales）

IO-Link 1.1 物理连接（包括数据端口）

现在我们来看一下 IO-Link 的数据带宽——过程数据可达每端口 32 字节。IO-Link 主设备上所有激活的端口设置为处理数字输出或输入，或使用 UART 以半双工模式（因此数据位以单位序列发送和接收）作为 IO-Link 点运行。典型的四端口和八端口 IO-Link 主设备可以直接连接到多个现场设备或充当中枢（传输宽度取决于这个主设备）。典型的 IO-Link 现场设备连接包括供电导体 L+ 和 M 以及 C/Q₁ 导体，后者承载过程数据以及参数化、配置和诊断数据。

图 4：像带 IO-Link 的 SICK 压力传感器这样的智能传感器（允许通过一个四或五引脚 M12 连接器连接）可以避免人工重新编程引起的停机或错误。这是因为该连接器允许通过机器的 PLC 进行参数编辑和再配置。注意 IO-Link 连接器的 L+ 和 M 以及 C/Q₁ 导体的连接。（图片来源：SICK）

这里稍复杂的事是，IO-Link 规范同时允许主设备和次设备使用 A 类和 B 类端口。按 IEC 60947-5-2 规范定义，A 类端口不会与 IEC 61076-2-101 定义的 A 字码 M12 连接器混淆。如需详细了解 IO-Link 环境中无处不在的 M12 连接器，请参阅 DigiKey 文章《IO-Link 基础知识》。简言之，IO-Link 连接器引脚 2 和 5 有时用，有时不用，且用法各不相同，而引脚 1、3 和 4 是始终使用，只是后者用法不同。A 类布局（基于四引脚 M5、M8 或 M12 连接器）允许更多的 I/O 连接变化，甚至用于高电流输出来驱动执行器。相反，B 类布局则始终是 5 引脚 M12 连接。

无论是 A 类还是 B 类，母头连接器插座要位于主设备上，公头连接器引脚要位于现场次设备上。

每端口 32 字节的过程数据量只是最先进的 IO-Link 连接型传感器和执行器的最大值；实际上，像开关这样的较简单 IO-Link 次设备数据宽度可能只有一个位。当应用的设置数据宽度不足时，有些 IO-Link 主设备会允许分段进行过程数据传输。IO-Link 的其它数据容量扩充方案包括使用多个引脚 4 导体进行双向 IO-Link 和开关通信，以及对引脚 4 IO-Link 数据进行并行双通道数据传输。对于后者，引脚 2 导体可承载设备特定 I/O 或开关信号（尽管通常不与状态监控相关），并空出 IO-Link 通道以承载补充信号。这种 IO-Link 双通信数据传输可实现实时通信，而无与远程 PLC（包括周期时间）有关的延迟，反过来支持需要立即对机器或设备状况进行分析并做出响应的应用。

结语

IO-Link 1.1 版的三个新功能包括：数据备份（用于保存并重复使用设备参数）、处理每端口 32 字节的数据宽度的能力以及主设备的 230.4 千波特数据传输速率。这些功能加快了 IO-Link 1.1 在工业自动化领域的运用。