利用 IO-Link 提高工业 4.0 工厂的灵活性、利用率和效率

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

要支持作为工业 4.0 标志的数据收集和分析，就经常需要对生产线和过程进行更改，包括添加、移除或重新设置数字传感器、执行器、指示器和其他设备。在具有各种特性的传统自动化网络协议中，这一点是很难有效实现的。工业 4.0 设备需要在现有网络和不断增加的大量本地传感器、执行器和指示器之间建立另一层连接并实现灵活性。

为了应对这些挑战，IO-Link 作为一种开放式标准应运而生。利用这一标准可以将传感器、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 等更高级的网络，并通过这些网络连接可编程逻辑控制器 (PLC)、人机界面 (HMI) 设备、监控和数据采集 (SCADA) 系统以及云。IO-Link 串行连接按照 IEC 61131-9 实现了标准化，并使用 IEC 60974-5-2 中规定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 特别有助于为了实现工业 4.0 工厂而进行互连设备的快速部署、远程配置、监控和诊断。

本文将介绍 IO-Link 的功能和优势，探讨 IO-Link 网络的结构和运行，具体包括使用各种类型的 IO-Link 设备来构建传感器、执行器和指示器的本地网络，以支持工业 4.0。本文还将介绍 [Banner Engineering]的 [IO-Link master]、集线器和数据转换器设备，设计人员可利用这些设备高效地部署大量的工业 4.0 边缘设备。

IO-Link 适用于哪些领域？

IO-Link 提供了一种较低层次的网络，可捕获来自分布式传感器、执行器和指示器的数据，连接可以将数据转换为 IO-Link 格式的转换器，然后根据需要将数据分发给 IO-Link 集线器或主机设备，以便连接如以太网、Modbus 和 PROFINET 等较高层次的工厂网络（图 1）。

图 1：IO-Link 为工业 4.0 网络中的传统和其他传感器、执行器和设备（左）与现有 SCADA、HMI 和云（右）的连接提供了全面的解决方案。（图片来源：Banner Engineering）

IO-Link 的主要特性如下：

• 开放式标准
• 支持本地设备的快速集成、配置和调试，以加快转换速度，提高灵活性，同时最大限度地减少对人工支持的需求
• 兼容现有的自动化网络
• 可以同步或异步方式进行的、强大的双向通信能力，可最大限度地提高通信效率
• 设备级远程诊断支持
• 动态更改传感器或执行器的参数，从而加快过程优化速度
• 具有集成设备识别和自动参数重新分配功能，可最大限度地提高利用率

如何连接 IO-Link 设备

IO-Link 网络中的设备使用三芯或五芯非屏蔽电缆连接，最长可达 20 m。IEC 60947-5-2 规定了主机和设备的引脚布局。公接头分配给设备，母接头用于主机。可以采用 M5、M8 或 M12 连接器，最多 5 针配置。在主机上，针脚 1 和 3 之间施加24 VDC 电压且电流高达 200 mA 的 ，作为设备的选用电源。根据 IEC 61131-2 标准的规定，固定针脚 4 为数字输入 (DI) 或数字输出 (DO)，并根据 IEC60947-5-2 标准，支持向后兼容传统设备。

在 A 类端口中，针脚 2 和 5 不连接 (NC)；而在 B 类端口中，这些针脚可配置为 DI、DO、不连接 (NC) 或用于提供额外电源。在大多数工业装置中，使用 M12 快断连接器。图 2 汇总了 IEC 60974-5 中规定的具体引脚分配：

• 针脚 1：+24 VDC，最大 200 mA (L+)
• 针脚 2：数 I/O（仅 PNP）
• 针脚 3：0 V (L-)
• 针脚 4：数字 I/O（NPN、PNP 或推挽式）和 IO-Link 通信
• 针脚 5：中心针脚 NC（选用）

图 2：IO-Link 是一种为传感器和执行器等边缘设备提供电源和数据连接的简单解决方案。（图片来源：Banner Engineering）

为什么选择 IO-Link？

IO-Link 通过可靠的低成本标准化布线，以及简便的设备安装或更换要求，有助于大幅提高工业 4.0 网络的性能。此外，它还可简化现有网络中隔离式传感器的集成。IO-Link 的优点包括：

通过 IO-Link 将隔离的设备和自动化岛连接到统一的网络中，提高数据利用率。传感器等级数据并不总是可用或易于获取。使用 IO-Link，获取数据变得异常容易，并可实时用于优化流程，支持对机器和传感器进行主动式维护。IO-Link 支持以下三种主要数据类型，这些数据可进一步分为按计划自动传输的循环数据和根据请求或需要传输的非循环数据。

• 过程数据：指设备发送给主机的信息（如传感器读数），以及从主机到控制设备运行的信息（如塔式照明灯具上的特定照明段）。过程数据可以是循环数据或非循环数据。
• 服务数据：包括设备信息，有时也称为设备数据。服务数据包括设备参数值、设备描述以及型号、序列号。这种数据是非循环数据，可以根据需要从设备读取或写入。
• 事件数据：包括错误处理，具体为超出参数设置等错误信息，或成像传感器镜头脏污等维护警告。每当触发事件发生时，这种数据就会按照非周期方式传输。

远程配置，使网络操作员和技术人员能够通过软件控制形式读取、更改设备参数，而无需亲自操作每台设备。传感器参数可根据需要进行动态更改，以完善现有过程，加快产品和过程更改，支持大规模定制，并最大限度地减少机器和生产线的停运时间。

可通过远程方式配置设备来简化设备更换过程。IO-Link 中的自动设备更换 (ADR) 功能可自动为已更换设备调节、重新分配参数。通过 ADR，网络运营商可以将现有参数导入替换设备中，或根据需要更新参数，以确保快速、准确地改造和维护网络。

经过扩展的诊断功能利用 IO-Link 的循环和非循环通信功能，为网络运营商提供关于工厂内每台设备运行状态的广泛信息。使用远程诊断设备运行状况的功能，加快识别老化或运行不正常的设备。这样就可以更有效地安排设备维护或设备更换。

简单的标准化布线是 IO-Link 的主要特点。与其他网络协议不同，IO-Link 设备、转换器、集线器和主机均使用简单的低成本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，消除了人们在网络配置方面的顾虑。

开始使用 IO-Link 主机/控制器

自动化系统设计人员在增加或扩展 IO-Link 的使用时，可以首先选择一个 IO-Link 主机（或控制器），如 Banner Engineering 的[DXMR90-4K]，该器件可以汇集来自多个源头的数据来进行本地数据处理，并实现与上层网络的连接（图 3）。

图 3：DXMR90-4K IO-Link 主机设备可汇集来自四个本地源头的数据，并与上一级网络连接。（图片来源：Banner Engineering）

DXMR90-4K 的四个端口支持与多达四个 IO-Link 设备同时通信。该器件支持数据采集、边缘处理以及连接工业以太网或 Modbus/TCP 所需的协议转换，并可向网络服务器传输数据。DXMR90-4K 的其他特点包括：

• 结构紧凑，重量轻，节省空间，简化部署
• IP67 防护等级，无需单独的控制柜，利于降低安装成本
• 有利于合并电缆线路，最大限度地降低布线复杂性和重量，这在机器人等应用中尤为重要
• 使用行动规则和 ScriptBasic 编程的可扩展内部逻辑控制器，支持高度灵活性

至于更简单的安装，设计人员可以使用 [R45C-2K-MQ]双端口 IO-Link 主机等设备进行 Modbus 连接。

IO-Link 集线器

当需要将众多传感器或执行器连接到单个 IO 主机时，设计人员可使用 IO-Link 集线器汇集来自传感器和执行器的信号，并通过单根电缆将这些数据传输到 IO-Link 主机。例如，[R90C-4B21-KQ]有 4 个输入端口，使用标准 M12 连接器与主机连接（图 4）。这是一款紧凑型双模（PNP 或 NPN）至 IO-Link 设备转换器，可连接离散输入并将数值发送至 IO-Link 主机。该器件的特点：

• 延时模式包括 ON/OFF 延时、ON/OFF/可再触发单触发、ON/OFF、脉冲拉伸器和累加器。
• 测量指标包括计数、每分钟事件数和持续时间。
• 离散镜像可将信号（输入和输出）镜像至四个端口中的任意一个。
• 离散 I/O 可独立配置为 NPN 或 PNP
• 坚固耐用的包塑 IP68 级设计

图 4：R90C-4B21-KQ 集线器可以整合四个设备的通信，并将其与一个 IO-Link 主机设备连接。（图片来源：Banner Engineering）

IO-Link 信号转换器

目前，有各种不同类型的转换器可用于 IO-Link 网络，以连接传感器和其他设备，这些设备可能使用了不同类型的信号类型，如离散 PNP 或 NPN 信号、0 至 10 VDC 模拟信号和电流变送器。例如，以下器件为 IO-Link 信号转换器：

• [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-IIIQ IO-Link 转换器可通过模拟输入和输出连接主机设备和本地设备。（图片来源：Banner Engineering）

还可提供 IO-Link 在线转换器，其大小与单节 AA 电池相当。这些转换器可处理各种类型的信号，并将其转换为 IO-Link、Modbus 或其他协议。例如，[S15C-I-KQ] 是一款模拟电流至 IO-Link 转换器，可连接 4 至 20 mA 电流源，并将数值输出至 IO-Link 主机。这些转换器体积小，可简化将传统传感器添加到采用标准协议的网络中的过程或环境监测工作。这些器件凭借 IP68 防护性能，能够广泛应用于工业环境。

结束语

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，IO-Link 可提供收集必要数据所需的连接，以优化工业 4.0工厂的性能。IO-Link 支持高水平的数据利用率、更广泛的诊断、远程配置和更简化的设备更换，从而通过 IEC 60974-5-2 中简单的非屏蔽 3 线或 5 线标准电缆，使用 IEC 61131-9 中的标准化连接方式加快过程和线路更改。