IO-Link 的基础知识及其应用于工业物联网的方法

制造商和设施经理渐渐意识到物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 在降低成本、改善工艺和安全方面颇具潜力，有助于提高设备可用性和最终产品质量。为了充分利用这一潜力，运营工程师和现场技术人员需要设法有效部署和连接数百个（甚至数千个）智能传感器和执行器，以收集系统和工艺元件的数据，因为这些系统和元件最初并非为双向通信而设计。

同时，还需要将当前连接的设备和系统网络有效集成到工业物联网网络中，以最低的成本和系统复杂性来实现可接受的全局互操作性，这一任务同样极具挑战性。

IO-Link (IEC 61131-9) 单点数字通信接口标准是为解决许多传感器和执行器连接问题的一项全球性尝试。原理虽简单，但是挑战在于这项标准相对较新，许多设计人员尚不熟悉其内容和应用方法。

本文面向希望正确且快速实施传感器网络的运营工程师和技术人员，以 STMicroelectronics、Texas Instruments、Carlo Gavazzi、Phoenix Contact、Analog Devices 和 Omron 等供应商的相关 IO-Link 系统元器件为例，详细介绍了 IO-Link 以期帮助其熟悉该标准，并针对 IO-Link 实施的实用性引发讨论。

什么是 IO-Link？

IO-Link 是一种点对点有线（或无线）系统的串行数字通信协议，针对各种传感器和执行器均采用三线制连接，并为需要额外电源的设备提供五线制标准电缆连接。该协议由 IO-Link 联盟开发，并于 2010 年作为“用于小型传感器和执行器的单点数字通信接口”(SDCI) 纳入适用于可编程逻辑控制器 (PLC) 的 IEC 61131-9 标准中。

常规 I/O 与 IO-Link 的主要区别在于 IO-Link 能够传输以下四种主要数据类型：

• 过程数据：过程数据包括循环（即每个通信周期）传输的模拟量和开关状态。
• 值状态：每个端口都具有值状态 (PortQualifier)。值状态可显示过程数据是否有效，并且可与过程数据一起循环传输。
• 设备数据：设备数据可以是参数、标识数据和诊断信息。设备数据采用非循环交换，并在响应 IO-Link 主站查询时进行。设备数据既可写入设备，也可从设备读取。
• 事件：事件是非循环的，包括错误消息（例如短路）和警告/维护数据（例如污染、过热）。

请注意，设备参数或事件的传输独立于过程数据的循环传输。各传输不会相互影响或削弱。

IO-Link 不需要特殊的电缆和连接器。相反，该规范要求使用长度不超过 20 m 的标准非屏蔽三至五芯电缆。标准连接配置为 M5、M8 和 M12 圆形连接器。

对于三线制连接类型，IO-Link 术语称为 A 类端口；三芯导线中，一芯用于通信，一芯用于电子设备供电，另一芯则作为公共参考电位。此连接的最大输出电流为 200 mA。此外，该规范还要求使用 4 针连接器，第四针引脚用作符合 IEC 61131-2 标准的附加信号线，主站和设备均可选用。

上述五线制连接称为 B 类端口，用于需要外加电气隔离式独立 24 V 电源的设备（通常是执行器）。

IO-Link 的一项特殊特性是现场总线中立性，允许 IO-Link 功能连接至任何一种现场总线。IO-Link 既可使用 Profibus、Profinet、EtherCAT 和 Sercos 等现场总线的标准映射，也可使用 EtherNet/IP、CANopen、Modbus、CC-Link 和 AS-Interface 的制造商特定映射。

每个 IO-Link 设备都具有独立于现场总线或控制器的 IO 设备描述 (IODD)，以实现现场总线中立性。IODD 包括设备的制造商、型号、序列号、设备类型和参数详情等相关信息。

IO-Link 系统配置基础知识

IO-Link 系统包括 IO-Link 主站以及传感器和执行器等 IO-Link 设备（图 1）。所有 IO-Link 设备均需连接至 IO-Link 主站。

图 1：IO-Link 系统包括控制器（黑框标记）、一个 IO-Link 主站（或多个主站）以及通过标准三芯或五芯电缆连接的 IO-Link 设备（例如传感器和执行器）。（图片来源：IO-Link Community）

IO-Link 系统中控制器可由通信主站和 CPU 进行配置。控制器可执行用户程序，并与 IO-Link 主站交换 I/O 数据。

IO-Link 主站单元作为从站，通过 EtherCAT、Profibus 或 Omron NX 总线等现场总线连接至控制器（图 2）。主站单元与 IO-Link 设备进行 IO-Link 通信。

图 2：IO-Link 主站单元具有多个端口，因此可以 1:1 连接多个 IO-Link 传感器和执行器。（图片来源：IO-Link Community）

发生事件时，设备向主站发出信号，说明发生了事件。随后主站读取事件，错误消息经由 IO-Link 主站从设备传输至控制器或人机界面 (HMI)。此外，IO-Link 主站也可以自主传输事件和状态，例如断路、通信故障等事件。

IO-Link 主站的各个端口都可处理二进制开关信号和模拟量（例如 8 位、12 位、16 位）。IO-Link 串行通信通过同一端口进行。除了接线简单外，IO-Link 还具有自动参数设置和丰富的诊断功能等其他优势。

IO-Link 标准在每个周期可传输 2 字节的过程数据。IO-Link 主站与设备之间的传输速度为 230 kbaud，耗时 400 μs。用户可以控制数据帧的大小，因此也可以在更长周期内传输更大的过程数据，最大长度为 32 字节。

设备的参数数据会直接自动存储在 IO-Link 主站中，以确保更换设备时不会丢失。一旦连接了相同的替换设备，先前设备的参数就会自动传输至新设备。

STMicroelectronics 的 STEVAL-IFP016V2 IO-Link 通信主站收发器演示板提供了主站功能的典型示例（图 3）。该演示板具有 STMicroelectronics 的 L6360 IO-Link 主端口，可用作多个 I/O 设备的通信收发器：既具有 IO-Link 主端口模式，也具有标准 I/O 模式。该演示板与外部微控制器连接即可演示 L6360 单片 IO-Link 主站作为多个 I/O 设备通信收发器的功能。

图 3：STEVAL-IFP016V2 演示板具有 L6360 IO-Link 主端口（中），可演示 L6360 单片 IO-Link 主站作为多个 I/O 设备通信收发器的功能。（图片来源：STMicroelectronics）

建议：务必要求演示板制造商提供该电路板的 Gerber 文件，以便将其集成到系统架构中。

另一个示例是 Analog Devices 的 DC1880A 演示板，具有 LTC2874 四路 IO-Link 主站热插拔控制器和物理层接口 (PHY)。在特殊情况下也可配置 LTC2874，使其为大电流串行输入/输出 (SIO) 器件供电（图 4）。¹

图 4：DC1880A 演示板具有用于 IO-Link 主站的 LTC2874 四路热插拔控制器和 PHY。（图片来源：Analog Devices）

该演示板由外部电源供电，使用 DC590B USB 串行控制器板通过 SPI 协议与 LTC2874 进行通信（图 5）。兼容 Arduino 的隔离式 Linduino One 演示板 DC2026C 则可为 IO-Link 系统提供支持软件。

图 5：如需着手使用 DC1880A 演示板，请下载相关评估软件，将 DC590B 板连接至 PC，然后将 DC1880A 板连接至 DC590B 板。（图片来源：Analog Devices）

如需着手使用 DC1880A 演示板，请下载 QuickEval 软件，使用标准 USB A/B 电缆将 DC590B 板连接至 PC，然后使用 DC590B 板随附的 14 芯带状电缆将 DC1880A 板连接至 DC590B 板。DC1880A 板的跳线可用于设置不同的电压，为 DC590 板和 DC1880A 板的逻辑电源 (VL) 电压引脚供电。不过，上电必须分阶段进行。连接输入电源之前须确保电压低于 40 V，并且连接之前必须关闭电源。

IO-Link 上电操作

当 LTC2874 等 IO-Link 主站上电时，主站将询问连接的各个设备以确定设备处于正确的操作模式。常规 IO 与 IO-Link 设备可混合使用并在同一系统中无缝运行。例如，可将 LTC2874 的一个端口设置为具有 L+ 热插拔功能的标准 I/O (SIO) 端口（端口 4），其他三个端口则设置为大电流 (SIO+) 端口（图 6）。

图 6：LTC2874 四路 IO-Link 主站配置为三个大电流 SIO 端口 (SIO+) 和一个具有 L+ 热插拔功能的正常电流 SIO 端口（端口 4）。（图片来源：Analog Devices）

LTC2874 在 SIO+ 模式下运行时，将热插拔通道用作大电流 SIO 驱动器可按需提供大电流。LTC2874 的额定通信或信令 (CQ) 电流为 110 mA。SIO 通道并联的最大电流可达 440 mA。请注意，该电流超过了 IO-Link 规范定义的最大输出电流 200 mA。如果设计人员需要超过 200 mA 的大电流，虽然仍可维持 LTC2874 的 IO-Link 特性和功能，但是不符合 IO-Link 标准要求。

针对工业点对点通信的 IO-Link 接口，Texas Instruments 推出 SN65HVD101EVM IO-Link 接口评估板，可用于 SN65HVD101 和 SN65HVD102 收发器，有助于设计人员评估设备性能，为这两款 IO-Link PHY 设备的快速开发和分析提供支持。

SN65HVD101 和 SN65HV2102 IO-Link PHY 可用作工业点对点通信的 IO-Link 接口。当设备连接至 IO-Link 主站后，便会响应主站发起的通信。这些 PHY 设备可与主站节点交换数据，作为双向通信的完整物理层。

完全封装的可部署 IO-Link 主站包括 Phoenix Contact 的 DIN 导轨安装式 1072839 IOL MA8 EIP DI8 八通道 IO-Link 主站（图 7）。

图 7：Phoenix Contact 的 1072839 八通道 IO-Link 主站采用 DIN 导轨安装，构成 IO-Link 系统连接至 EtherNet/IP 和 Modbus TCP 网关。（图片来源：Phoenix Contact）

IOL MA8 EIP DI8 可构成完整 IO-Link 系统连接至 EtherNet/IP 和 Modbus TCP 网关，可通过基于 Web 的管理连接多达 8 个 IO-Link 传感器（图 8）。该主站具有两个交换机类以太网端口、状态 LED 以及可轻松连接电源和 IO-Link 端口的连接器。

图 8：IO-Link 主站的 Web 界面可对连接的所有 IO-Link 设备进行完全控制和诊断。（图片来源：Phoenix Contact）

通过 Web 界面即可获得所有 IO-Link 设备的完全访问权限。例如，如需访问 Web 界面的诊断页面，用户只需登录 IOL MA8 EIP DI8，单击 "Diagnostics"（诊断）选项卡，然后单击所需的子选项卡。如需显示图 8 所示的 "IO-Link Diagnostics"（IO-Link 诊断）页面，用户只需单击 "IO-Link" 子选项卡。

IO-Link 传感器

借助 IO-Link，设计人员可以有效地将数据从传感器直接传输至控制系统。具有 IO-Link 功能的传感器配置灵活，可为控制器提供诊断信息以确保机器有效运行。除了检测传送带上的物件等基本检测功能外，策略性放置合适的传感器还可提供准确而详尽的机器运行状况。在工业物联网应用中，提前预测故障可提高设备的正常运行时间和整体生产率。

IO-Link 传感器选择众多。例如，Carlo Gavazzi 推出的耐用型电容式接近传感器 CA18CAN12BPA2IO。该传感器的响应时间不足 10 ms，使用该公司的第四代 Tripleshield^TM 技术以提高电磁干扰 (EMI) 抗扰度（尤其对于变频器），并改善防潮和防尘特性（图 9）。

图 9：Carlo Gavazzi 的 CA18CAN12BPA2IO 电容式接近传感器属于新一代 CA18CA 系列 IO 传感器，提高了 EMI 抗扰度（尤其对于变频器），改善了防潮和防尘特性。（图片来源：Carlo Gavazzi）

该传感器符合 DIN 40050-9 标准要求通过 IP69K 测试，适用于高压高温冲洗应用。随附电缆长度为 2 m，检测范围为 2 至 10 mm（嵌装）或 3 至 15 mm（非嵌装）。

通过 IO-Link 连接的可调参数包括：

• 检测距离和磁滞
• 检测模式：单点、两点或窗口模式
• 定时器功能，例如：接通延迟、关闭延迟、单次上升沿或下降沿
• 逻辑功能，例如：AND、OR、X-OR 和 SR-FF
• 外部输入
• 记录功能：最高温度、最低温度、运行时间、运行周期、电源周期、高于最高温度的时间和低于最低温度的时间等

值得注意的是，未连接至启用 IO-Link 的控制系统时，这些传感器与所有 IO-Link 传感器一样，也可作为标准传感器使用。因此，用户可为标准 I/O 应用和 IO-Link 应用储备相同的传感器，从而简化选型过程并降低库存成本。

如果没有 PC 或笔记本电脑，Carlo Gavazzi 的 SCTL55 IO-Link 智能配置器是一款便携式自供电设备，可以修改和优化传感器参数，使用可用数据来改善工艺且有助于采取预防性维护（图 10）。

图 10：用于 IO-Link 传感器的 Carlo Gavazzi 智能配置器可访问传感器数据并管理其参数。（图片来源：Carlo Gavazzi）

通过 5.5" 高清触摸屏和专用应用程序，智能配置器的用户可以访问高级诊断和故障排除，查看运行时间、检测次数、运行周期和警报。

使用 IO-Link 升级传统自动化生产系统

IO-Link 标准表明，只要相关总线系统可实现 IO-Link 系统映射，即可利用现有的现场总线结构升级传统系统。扩展现有总线系统是可行的。IO-Link 主站将 IO-Link 数据映射至所用的现场总线，以实现 IO-Link 设备与 PLC 之间的数据交换。

对于不具有 IO-Link 功能的传感器，若无标准 PNP 输出或推挽输出，则可连接至 IO-Link 主站，无需特殊的 IO-Link 电缆或连接器。

总结

随着工业物联网应用的快速发展，设计人员需要一种标准化的快捷方法来部署和连接智能传感器和执行器。IO-Link 的数字接口易于使用，有助于实现标准化。

如上所述，市面上有许多现成解决方案可帮助设计人员快速了解、评估和有效部署 IO-Link 设备，藉此可为工业物联网应用改善工艺，提高生产效率和安全性，减少停机时间。

参考文献

1. Quad IO-Link master with higher current SIO channels ADI Power by Linear, Design Note 566, Eric Benedict - November 29, 2017