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什么是 IO-Link 1-1 及其如何使用

作者:Lisa Eitel

投稿人:Digi-Key 北美编辑

本文将讨论 IO-Link 及 IO-Link 1.1 与以前的迭代有何区别。然后,概述 IO-Link 对自动化设备的意义。

在机器人中使用 IO-Link 的图片图 1:近年来 IO-Link 的使用量增加迅猛 — 尤其是在机器人末端执行和其他气动应用方面。(图片来源:SICK Inc.

IEC 61131-9 标准的背景知识

IEC 61131-9 标准(商标名称为 IO-Link)是一种开放标准,它定义了一个使自动化机器中常用的致动器和传感器具有连接功能的系统。据估计,未来数年内支持 IO-Link 功能的设备的销售额每年都会翻倍(截止 2023 年会超过 12 亿美元)。事实上,随着越来越多的 OEM 和工厂工程师发现了新购买和现有的硬件具有 IO-Link 功能并加以利用,特别是在过去几年中,IO-Link 的使用急剧增加。

历史简述

1982 年,国际电工委员会 (IEC) 对可编程控制器及其软件进行了最初约定。该标准在 1993 年进行了更新并更名为 IEC 1131; 随后再次更新,并于 1997 年更名为国际标准 IEC 61131。

IEC 61131 第 9 部分(即 IO-Link 标准)涉及由两个 IEC 小组委员会共同制定的“用于小型传感器和致动器的单点数字通信接口”标准,其中一个小组重点关注测量和控制设备,而另一个小组则重点关注工业网络。单点通信接口 (SDCI) 表示 IO-Link 使用单根电缆(最长 20 m)来连接系统中的每个传感器或致动器,且所用电缆是数十年来工业应用 I/O 应用领域中广泛使用的通用型非屏蔽三线电缆(某些情况下,使用五线电缆)。

具有 IO- Link 连接功能的传感器图片图 2:具有 IO- Link 连接功能的传感器图片。(图片来源:SICK Inc.)

有一种对 IO-Lonk 的普遍误解令人难以置信,认为 IO-Link 在某种程度上会与 DeviceNet、PROFINET、CC-Link、EtherNet/IP 和 EtherCAT 展开竞争。需要明确的一点是:IO-Link 只是一种标准化 I/O 技术——其目的实际上是对当前通信网络、背板总线和现场总线协议进行补充。在许多情况下,通过 IO-Link 实现的反馈和自动化功能是所选网络无法单独实现的。

使用 IO-Link 简化现场设备集成的图片图3:IO-Link 简化了现场设备在其他通用现场总线和工业网络中的集成,从而能扩展 IIoT(工业物联网)功能。(图片来源:SICK Inc.)

借助 IO-Link 的 SDCI 点对点通信,可实现从现场设备(例如传感器或其他从设备)的一个点到 IO-Link 集线器或控制器的另一点的连接。一些制造商称主机为 IO-Link 模块。端点之间的通信不同于网络和总线的跨设备通信,后者通常涉及接收方终端设备或其他从设备的全局广播和读取的数据包或“电报”。

如今,IO-Link 联盟致力于不断改进和推广 IO-Link——在 io-link.com 网站发布其规则、标准和更新。

用于配置的 IO-Link 软件

所有 IO-Link 在使用前需要进行设置。调试过程通常通过 IO-Link 就绪型设备制造商提供的免费软件,或者按照 PLC 或其他高级工业控制器的制造商命令自动安装的软件来完成。设计工程师通常熟悉此类控制系统软件,此类软件用来简化这一环境中 IO-Link 设备参数的配置。我们也让已安装的传感器和其他设备拥有这种连接功能……从而能够即时调节其参数。

SICK Inc. 光幕图图 4:可在电脑上为 SICK Inc. 光幕配置 IO-Link 功能。(图片来源:SICK Inc.)

在典型安装过程中,工程师使用该软件将 IO-Link 主机及其设备以虚拟方式集成到自动化设计的其余部分。工程师通过配置菜单可以设置设备和主机参数,以满足更大的系统架构要求。

IO-Link 设备的设置软件使用标准化 IO 设备描述 (IODD) 文件。某些情况下,除设备制造商提供的通过其 GUI(图形用户界面)进一步简化设备编程的功能块外,专有的设备类型管理器或 DTM 文件以及附加指令也是对 IODD 文件的补充。

IODD 文件包含设备名称、型号、用于填充 GUI 的图像、典型的工作范围以及 IO-Link 系统界面所需的信号。IO-Link 联盟在 ioddfinder.io-link.com 上托管了由设备制造商组织编纂的可下载 IODD 文件库。这些文件最终会被加载到 IO-Link 主机(以及系统中正在使用的集线器),以允许执行基本操作和诊断功能。

IO-Link 中的过程、事件和设备数据

每个 IO-Link 装置都会自动通过其主机处理数据。数据定期从现场设备传输(作为循环数据由控制器处理),或者根据请求或根据需要进行传输(作为非循环数据由控制器处理)。另外,控制器会对所有此类数据分类处理,具体如下:

事件数据 — 循环数据。这种数据包括错误和维护警报,以及由轴运动或传感器、开关信号提示的故障排除信息,这种信号有问题或遭受了某种形式的损害。

过程数据 — 循环数据。这种数据是基本工作信息,例如位置、水平、距离以及现场设备不断收集并向上游发送到 IO-Link 主机的更多信息。在某些情况下,这些过程数据信号在到达主机的过程中会附带数值状态数据。利用 IO-Link 通信的双向特性,过程数据也可以反向传输(从主设备到现场设备),以触发设备更改行为或显示预设代码,方便机器操作员观察记录。

设备数据— 非循环数据。这种数据是关于现场设备及其型号、参数设置、状态、位置和其他读取值的信息。利用 IO-Link 通信的双向特性,设备数据也可以从主设备发送到设备,以设置新参数等。

IO-Link 1.0 至 1.1 — 有哪些变化?

IO-Link 联盟在 2013 年将 IO-Link 从 1.0 版更新至 1.1 版。IO-Link 1.1 中的新增功能是通过称为 COM3 的通道支持第三种(就标准而言,是最快的)数据传输速率,这样可以增强之前通过 COM1 和 COM2 连接可能实现的功能。

COM1 — SDCI 通信模式,传输速率高达 4.8 kb/s • 循环时间缩短至 18.0 ms

COM2 — SDCI 通信模式,传输速率高达 38.4 kb/s • 循环时间缩短至 2.3 ms

COM3 — SDCI 通信模式,传输速率高达 230.4 kb/s • 循环时间缩短至 0.4 ms

所有 IO-Link 1.1 版主机必须支持此新数据速率,以及使用该数据速率的现场设备。另外,1.1 版主机同时支持 1.0 版和 1.1 版设备。

1.1 版的另一个新功能是充分利用具有相似规格(甚至来自不同制造商)的 IO-Link 设备可互换的要求。这一性能以及 1.1 版主机可存储参数的特性,允许自动配置热插拔 IO-Link 设备,从而简化损坏或故障传感器的更换操作。

IO-Link 的传统替代品

IO-Link 在某些情况下可改进自动化安装过程。

在许多自动化设施中,仍然严重依赖 基于操作员的监视——手动跟踪机器状态和潜在问题。在这种设置下,IO-Link 提供了一种简单、可行的监视替代方法,从而更加有效、可靠地监视机器。这是因为不同于传统 I/O,IO-Link 具有双向通信功能,从而可以快速设置执行器和传感器并诊断其状况。

IO-Link 还使工厂从现场手动设置设备参数的工作中解放出来,这仍是业内比较普遍的方法。采用这种方法时,工厂工程师不得不实际接触位于远程设备(或埋在机器)中的现场设备,才能进行读取操作、故障排除或重新配置。相反,IO-Link 允许操作员在线或从本地库中下载参数,这样会特别有助于最大程度地减少维修或操作切换期间的机器停机时间。通常,通过常规控制软件进行配置。

基于集中式机柜的控制器件在传统设置中也很常见。与 IO-Link 相关联的硬件(用于补充 IO-Link 现场设备)已实现了小型化,因此甚至可以安装在非常紧凑的机器中,并支持分布式控制。

IO-Link 简化了模拟数据的使用——无需专用转换器(属于传统设备)也能使 4 至 20 mA 的模拟信号成为现实。IO-Link 还扩大了可通过模拟以及离散和二进制(断-通)信号传输的信息量。

详解使用 IO-Link 的传统 4-20 mA 模拟信号

传统装置中的模拟传感器需要屏蔽电缆、专用连接器,以及:

• 模数或 A/D 输出转换器

• 数模或 D/A 输入转换器(用于双向通信)

这些元件会增加设计成本和复杂性(尤其需要校准时),并且在某些情况下会降低传输数据质量。

如上所述,IO-Link 使用带电源的非屏蔽三线电缆或等效的五线电缆,并且这些电缆也适用于模拟设备,从而使传感器和控制器之间的信号传输更加可靠,不会丢失数据。IO-Link 在通信时用作单接口,不管所连的设备是传感器、致动器、夹持器还是阀门,其安装远比二进制开关、模拟 IN/模拟 OUT 或 RS232 简单得多,因后面几种在安装时所必需的接口完全不同。

IO-Link 的警示和局限性

到目前为止,我们已经讨论了 IO-Link 有益于自动化设计的一些方法。但是,在通过较简单的方法即可满足要求的情况下(或者现有设计是一台独立机器),实施 IO-Link 的复杂性及所付出的额外努力有时会得不偿失。

在切实可行的 IO-Link 设置中,潜在的限制因素是(如上所述)电缆长度不得超过 20 m。相比其他替代性系统,尤其是那些通过模拟信号进行反馈的系统,可以适应更大的延长距离,这在大规模自动化操作中是很常见的。

直到最近,才发现 IO-Link 的另一个限制因素是周期时间。通过引入 COM3 通信模式(周期时间降至 0.4 毫秒),IO-Link 1.1 甚至可以用于相当苛刻的自动化任务,包括一些与运动控制相关的自动化任务。当然,IO-Link 1.0 设备仍然受 COM1 和 COM2 的限制;但通常情况下,具有不同周期时间的设备只能在一个主设备上工作,因此可以逐步系统升级。

每个设备的 IODD 文件都包含有关主机时间间隔(周期时间)的信息,这就是主机能够寻址特定设备的时间间隔。这与主机进行时间处理所需的自身时间一起影响总响应时间。IO-Link 将输入和输出过程数据限制为 32 字节,这可能会阻止某些读取器和跟踪器应用采用 IO-Link 或使该过程复杂化。尽管如此,具有板载处理能力的设备仍在解决此限制。

最终的潜在限制是,在具有 IO-Link 功能的设备型号中,并非所有专用传感器类型都可用。

实际子组件和安装

IO-Link 集线器(左)、单设备 IO-Link 主模块(中间)和 IO-Link 主机的图片图 5:IO-Link 集线器(左)、单设备 IO-Link 主模块(中间)和 IO-Link 主机的图片。(图片来源:SICK Inc.)

IO-Link 主机

IO-Link 主机(如前所述,某些制造商也称为模块或盒)就是执行以下三项操作的硬件:

1.用作所连 IO-Link 现场设备的通信点。所有设备均使用以下三种标准通信速率之一,但具体采用哪种速率由主机确定。

2.存储所连 IO-Link 现场设备的所有 IODD 文件和参数。这意味着在启动时,主机可能会接受设备参数,然后切换到接受过程数据和数值进行周期性交换的正常工作模式。

3.连接顶层机器和自动化控件器件(例如 PLC 和 PAC),将数据传递到其现场总线、网络或背板。反过来,这种共享会使数据更易于访问,用于即时机器功能以及采用 IIoT 程序的设施中的企业级分析。由于 IO-Link 主机与 PLC、HMI 和 PAC 连接,近年来,这类组件制造商已开始向市场发布自己的 IO-Link 主机——在许多情况下,采用端子和(如上提到的)模块的形式。例如 SICK Inc. 的 IOLA2US-01101 便是一种单端口主机。

处于工作状态的 IO-Link 主机上的所有端口都被禁用,设置为采用数字输入和/或输出,或者使用在半双工模式下被称作通用异步收发器 (UART) 的设备,在 IO-Link 模式下运行。典型 IO-Link 主机可能包括八个端口,其中之一:

  • 直接耦合到各种现场设备
  • 耦合到进行主机扩展的 IO-Link 集线器(然后,连接现场设备阵列)

IO-Link 集线器

今天,最先进的 IO-Link 集线器(有时称为分配块)可以帮助单个 IO-Link 主机连接 100 多个(有时 200 多个)现场设备。标准的“集线器链接协议”在系统配置简化方面优于专有系统。在 IO-Link 主机及其集线器上存储设备信息时,通过验证被添加或替换的现场设备是否与设计兼容来保持系统的完整性。

IO-Link 标准的电缆和连接器特性

三线制电缆:如前所述,IO-Link 使用的电缆具有非专有型非屏蔽三线结构,可承载 24 V 和 200 mA 电流。如果现场设备(例如致动器)需要供电,则使用五线制电缆。

M5、M8 和 M12 连接器:如果 IO-Link 主机采用 DIN 导轨块形式或旨在置于控制柜内的类似设计,则采用常见的推入式端子连接电线。但是,如果 IO-Link 连接使用电缆连接器(如在 IO-Link 主机,其结构将在机器上安装),则按照 IO-Link 标准,使用 M5、M8 和 M12 几何形状。五线连接器通常达到 IP65/67 级。

量化 IO-Link 组件的强度

在使用 IO-Link 方面,汽车行业居领先地位。但是,制药、食品和饮料行业已经开始使用更多的 IO-Link 组件,尤其是可直冲级的部件。此类坚固的组件支持机器安装式 I/O 装置布局,以实现全分布式控制。在此类装置中,IO-Link 组件的防护等级如下:

  • IP20 — 表示零水防护,但能够承受正常的灰尘和搬运操作
  • IP67 — 表示完全防尘和可暂时耐受浸没在水中(可用于户外)
  • IP69K — 表示可抵抗与消毒相关的高温、高压冲洗

此外,某些 IO-Link 组件还获得 ECOLAB 认证——该标志可帮助食品和饮料行业的机械制造商遵守法规,包括与《食品安全现代化法》相关的法规,并防止不安全的食品搬运或包装。

如何使用 IO-Link 1.1

具有 IO-Link 功能的常见组件

IO-Link 支持的现场设备可分为致动器和传感器。

IO-Link 系统中的致动器:致动器是机电组件,接受电输入并提供某种机械输出。兼容 IO-Link 的致动器随处可见——包括基于气动线性致动器、气动歧管和阀和其他螺线管的致动器,以及甚至基于步进电机的致动器。通常采用五线制电缆连接这些设备,并采用双通道实时通信,而不会出现控制器周期时间所引起的延迟。这样可以同时进行 IO-Link 通信,以提醒进行数据评估或其他辅助响应。

IO-Link 系统中的传感器:具有 IO-Link 连接功能的常见传感器包括用于跟踪和报告位置、位移、温度、压力和颜色的传感器。其他广泛可用的传感器包括 IO-Link 光电传感器和(随着 IO-Link 1.1 的增强功能而得到更全面支持的)RFID 检测系统。

特定用例便是光幕。

尽管安全主题属于本文重点,但值得注意的是,某些光幕具有 IO-Link 连接功能,允许访问与其相关的统计信息和实时数据。

如以下所列:

IO-Link 通信的使用细节

IIoT 功能和云连接功能:IO-Link 能够在其主机上存储数据——向前发送数据进行备份。此项功能以及 IO-Link 补充现有工业网络的方式都支持 IIoT 功能;利用自动参数化和数据收集的所有好处。

数据传输到其他总线和网络: 因为 IO-Link 集成到所有常见的工业网络和现场总线中——并且允许双向主设备通信——所以过程、服务和事件数据可以在上游共享给顶层控制器件,甚至企业级系统。

使用 IO-Link 升级旧设备

向后兼容性:如前所述,IO-Link 1.1 兼容支持 COM1、COM2 和 COM3 通信速度的传感器,因此工厂工程师可以继续使用电子设备有些落后且数据速率较慢的传统技术。新型 1.1 版主机保持了向后兼容性 ,IEC 61131-9 标准要求所有这些主机都支持 1.0 和 1.1 版设备。

充分利用 IO-Link 技术的行业和用户

制造商、OEM、机器组装商、工厂技术人员和最终用户都将从 IO-Link 中受益。有关 IO-Link 的更多信息,请单击此处从 Maxim Integrated 下载 PDF 格式 IO-Link 手册

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关于此作者

Lisa Eitel

Lisa Eitel 自 2001 年以来一直专注于运动技术。她关注的领域包括电机、驱动器、运动控制、电力传输、线性运动以及检测和反馈技术。她拥有机械工程学学士学位,是 Tau Beta Pi 工程荣誉学会的新成员、女工程师协会会员以及 FIRST Robotics Buckeye Regionals 的裁判。除了对 motioncontroltips.com 所做的贡献外,Lisa 还领导了《设计世界》季度运动问题的制作。

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