制造商和設施經理漸漸意識到物聯網（IoT） 和工業物聯網 （IIoT） 在降低成本、改善工藝和安全方面頗具潛力，有助于提高設備可用性和最終產品質量。為了充分利用這一潛力，運營工程師和現場技術人員需要設法有效部署和連接數百個（甚至數千個）智能傳感器和執行器，以收集系統和工藝元件的數據，因為這些系統和元件最初并非為雙向通信而設計。

同時，還需要將當前連接的設備和系統網絡有效集成到工業物聯網網絡中，以最低的成本和系統復雜性來實現可接受的全局互操作性，這一任務同樣極具挑戰性。 IO-Link （IEC 61131-9） 單點數字通信接口標準是為解決許多傳感器和執行器連接問題的一項全球性嘗試。原理雖簡單，但是挑戰在于這項標準相對較新，許多設計人員尚不熟悉其內容和應用方法。 本文面向希望正確且快速實施傳感器網絡的運營工程師和技術人員，以STMicroelectronics、Texas Instruments、Carlo Gavazzi、Phoenix Contact、Analog Devices和Omron等供應商的相關IO-Link系統元器件為例，詳細介紹了IO-Link，以期幫助其熟悉該標準，并針對IO-Link實施的實用性進行探討。

什么是IO-Link？

IO-Link是一種點對點有線（或無線）系統的串行數字通信協議，針對各種傳感器和執行器均采用三線制連接，并為需要額外電源的設備提供五線制標準電纜連接。該協議由IO-Link聯盟開發，并于2010年作為“用于小型傳感器和執行器的單點數字通信接口”（SDCI）納入適用于可編程邏輯控制器 （PLC） 的IEC61131-9標準中。

常規I/O與IO-Link的主要區別在于IO-Link能夠傳輸以下四種主要數據類型：

過程數據：過程數據包括循環（即每個通信周期）傳輸的模擬量和開關狀態。

值狀態：每個端口都具有值狀態 （Port Qualifier）。值狀態可顯示過程數據是否有效，并且可與過程數據一起循環傳輸。

設備數據：設備數據可以是參數、標識數據和診斷信息。設備數據采用非循環交換，并在響應IO-Link主站查詢時進行。設備數據既可寫入設備，也可從設備讀取。

事件：事件是非循環的，包括錯誤消息（例如短路）和警告/維護數據（例如污染、過熱）。

請注意，設備參數或事件的傳輸獨立于過程數據的循環傳輸。各傳輸不會相互影響或削弱。

IO-Link不需要特殊的電纜和連接器。相反，該規范要求使用長度不超過20m的標準非屏蔽三至五芯電纜。標準連接配置為M5、M8和M12圓形連接器。

對于三線制連接類型，IO-Link術語稱為A類端口；三芯導線中，一芯用于通信，一芯用于電子設備供電，另一芯則作為公共參考電位。此連接的最大輸出電流為200mA。此外，該規范還要求使用4針連接器，第四針引腳用作符合IEC61131-2標準的附加信號線，主站和設備均可選用。

上述五線制連接稱為B類端口，用于需要外加電氣隔離式獨立24V電源的設備（通常是執行器）。

IO-Link的一項特殊特性是現場總線中立性，允許IO-Link功能連接至任何一種現場總線。IO-Link既可使用Profibus、Profinet、EtherCAT和Sercos等現場總線的標準映射，也可使用EtherNet/IP、CANopen、Modbus、CC-Link和AS-Interface的制造商特定映射。

每個IO-Link設備都具有獨立于現場總線或控制器的IO設備描述 （IODD），以實現現場總線中立性。IODD包括設備的制造商、型號、序列號、設備類型和參數詳情等相關信息。

IO-Link系統配置基礎知識

IO-Link系統包括IO-Link主站以及傳感器和執行器等IO-Link設備（圖1）。所有IO-Link設備均需連接至IO-Link主站。

圖1：IO-Link系統包括控制器（黑框標記）、一個IO-Link主站（或多個主站）以及通過標準三芯或五芯電纜連接的IO-Link設備（例如傳感器和執行器）。（圖片來源：IO-Link Community）

IO-Link系統中控制器可由通信主站和CPU進行配置?？刂破骺蓤绦杏脩舫绦颍⑴cIO-Link主站交換 I/O 數據。

IO-Link主站單元作為從站，通過EtherCAT、Profibus或Omron NX總線等現場總線連接至控制器。主站單元與IO-Link設備進行IO-Link通信。

發生事件時，設備向主站發出信號，說明發生了事件。隨后主站讀取事件，錯誤消息經由IO-Link主站從設備傳輸至控制器或人機界面 （HMI）。此外，IO-Link 主站也可以自主傳輸事件和狀態，例如斷路、通信故障等事件。

IO-Link主站的各個端口都可處理二進制開關信號和模擬量（例如8位、12位、16位）。IO-Link串行通信通過同一端口進行。除了接線簡單外，IO-Link還具有自動參數設置和豐富的診斷功能等其他優勢。

IO-Link標準在每個周期可傳輸2字節的過程數據。IO-Link主站與設備之間的傳輸速度為230kbaud，耗時400μs。用戶可以控制數據幀的大小，因此也可以在更長周期內傳輸更大的過程數據，最大長度為32字節。

設備的參數數據會直接自動存儲在IO-Link主站中，以確保更換設備時不會丟失。一旦連接了相同的替換設備，先前設備的參數就會自動傳輸至新設備。

STMicroelectronics的STEVAL-IFP016V2 IO-Link通信主站收發器演示板提供了主站功能的典型示例（圖3）。該演示板具有STMicroelectronics的L6360 IO-Link主端口，可用作多個I/O設備的通信收發器：既具有IO-Link主端口模式，也具有標準I/O模式。該演示板與外部微控制器連接即可演示L6360單片IO-Link主站作為多個I/O設備通信收發器的功能。

另一個示例是Analog Devices的DC1880A演示板，具有LTC2874四路IO-Link主站熱插拔控制器和物理層接口 （PHY）。在特殊情況下也可配置LTC2874，使其為大電流串行輸入/輸出 （SIO） 器件供電。

圖4：DC1880A演示板具有用于IO-Link主站的LTC2874四路熱插拔控制器和PHY。（圖片來源：Analog Devices）

該演示板由外部電源供電，使用DC590B USB串行控制器板通過SPI協議與LTC2874進行通信（圖5）。兼容Arduino的隔離式Linduino One演示板DC2026C則可為IO-Link系統提供支持軟件。

圖5：如需著手使用DC1880A演示板，請下載相關評估軟件，將DC590B板連接至PC，然后將DC1880A板連接至DC590B板。（圖片來源：Analog Devices）

如需著手使用DC1880A演示板，請下載QuickEval軟件，使用標準USB A/B電纜將DC590B板連接至PC，然后使用DC590B板隨附的14芯帶狀電纜將DC1880A板連接至DC590B板。DC1880A板的跳線可用于設置不同的電壓，為DC590板和DC1880A板的邏輯電源 （VL） 電壓引腳供電。不過，上電必須分階段進行。連接輸入電源之前須確保電壓低于40 V，并且連接之前必須關閉電源。

IO-Link上電操作

當LTC2874等IO-Link主站上電時，主站將詢問連接的各個設備以確定設備處于正確的操作模式。常規IO與IO-Link設備可混合使用并在同一系統中無縫運行。例如，可將LTC2874的一個端口設置為具有L+熱插拔功能的標準I/O （SIO） 端口（端口4），其他三個端口則設置為大電流 （SIO+） 端口（圖6）。

圖6：LTC2874四路IO-Link主站配置為三個大電流SIO端口 （SIO+） 和一個具有L+熱插拔功能的正常電流SIO端口（端口4）。（圖片來源：Analog Devices）

LTC2874在SIO+模式下運行時，將熱插拔通道用作大電流SIO驅動器可按需提供大電流。LTC2874的額定通信或信令 （CQ） 電流為110mA。SIO通道并聯的最大電流可達440mA。請注意，該電流超過了IO-Link規范定義的最大輸出電流200mA。如果設計人員需要超過200mA的大電流，雖然仍可維持LTC2874的IO-Link特性和功能，但是不符合IO-Link標準要求。

針對工業點對點通信的IO-Link接口，Texas Instruments推出SN65HVD101EVM IO-Link接口評估板，可用于SN65HVD101和SN65HVD102收發器，有助于設計人員評估設備性能，為這兩款IO-LinkPHY設備的快速開發和分析提供支持。

SN65HVD101和SN65HV2102 IO-Link PHY可用作工業點對點通信的IO-Link接口。當設備連接至IO-Link主站后，便會響應主站發起的通信。這些PHY設備可與主站節點交換數據，作為雙向通信的完整物理層。

完全封裝的可部署IO-Link主站包括Phoenix Contact的DIN導軌安裝式1072839 IOL MA8 EIP DI8八通道IO-Link主站。

IOL MA8 EIP DI8可構成完整IO-Link系統連接至EtherNet/IP和Modbus TCP網關，可通過基于Web的管理連接多達8個IO-Link傳感器（圖8）。該主站具有兩個交換機類以太網端口、狀態LED以及可輕松連接電源和IO-Link端口的連接器。

圖8：IO-Link主站的Web界面可對連接的所有IO-Link設備進行完全控制和診斷。（圖片來源：Phoenix Contact）

通過Web界面即可獲得所有IO-Link設備的完全訪問權限。例如，如需訪問Web界面的診斷頁面，用戶只需登錄IOL MA8 EIP DI8，單擊 “Diagnostics”（診斷）選項卡，然后單擊所需的子選項卡。如需顯示圖8所示的“IO-Link Diagnostics”（IO-Link診斷）頁面，用戶只需單擊 “IO-Link” 子選項卡。

IO-Link傳感器

借助IO-Link，設計人員可以有效地將數據從傳感器直接傳輸至控制系統。具有IO-Link功能的傳感器配置靈活，可為控制器提供診斷信息以確保機器有效運行。除了檢測傳送帶上的物件等基本檢測功能外，策略性放置合適的傳感器還可提供準確而詳盡的機器運行狀況。在工業物聯網應用中，提前預測故障可提高設備的正常運行時間和整體生產率。

IO-Link傳感器選擇眾多。例如，Carlo Gavazzi推出的耐用型電容式接近傳感器CA18CAN12BPA2IO。該傳感器的響應時間不足10ms，使用該公司的第四代TripleshieldTM技術以提高電磁干擾（EMI） 抗擾度（尤其對于變頻器），并改善防潮和防塵特性。

圖9：Carlo Gavazzi的CA18CAN12BPA2IO電容式接近傳感器屬于新一代CA18CA系列IO傳感器，提高了EMI抗擾度（尤其對于變頻器），改善了防潮和防塵特性。（圖片來源：Carlo Gavazzi）

該傳感器符合DIN 40050-9標準要求通過IP69K測試，適用于高壓高溫沖洗應用。隨附電纜長度為2m，檢測范圍為2至10mm（嵌裝）或3至15mm（非嵌裝）。

通過IO-Link連接的可調參數包括：

檢測距離和磁滯

檢測模式：單點、兩點或窗口模式

定時器功能，例如：接通延遲、關閉延遲、單次上升沿或下降沿

邏輯功能，例如：AND、OR、X-OR和SR-FF

外部輸入

記錄功能：最高溫度、最低溫度、運行時間、運行周期、電源周期、高于最高溫度的時間和低于最低溫度的時間等

值得注意的是，未連接至啟用IO-Link的控制系統時，這些傳感器與所有IO-Link傳感器一樣，也可作為標準傳感器使用。因此，用戶可為標準I/O應用和IO-Link應用儲備相同的傳感器，從而簡化選型過程并降低庫存成本。 如果沒有PC或筆記本電腦，Carlo Gavazzi的SCTL55 IO-Link智能配置器是一款便攜式自供電設備，可以修改和優化傳感器參數，使用可用數據來改善工藝且有助于采取預防性維護（圖10）。

圖10：用于IO-Link傳感器的Carlo Gavazzi智能配置器可訪問傳感器數據并管理其參數。（圖片來源：Carlo Gavazzi）

通過5.5“高清觸摸屏和專用應用程序，智能配置器的用戶可以訪問高級診斷和故障排除，查看運行時間、檢測次數、運行周期和警報。

使用IO-Link升級傳統自動化生產系統

IO-Link標準表明，只要相關總線系統可實現IO-Link系統映射，即可利用現有的現場總線結構升級傳統系統。擴展現有總線系統是可行的。IO-Link主站將IO-Link數據映射至所用的現場總線，以實現IO-Link設備與PLC之間的數據交換。

對于不具有IO-Link功能的傳感器，若無標準PNP輸出或推挽輸出，則可連接至IO-Link主站，無需特殊的IO-Link電纜或連接器。

總結

隨著工業物聯網應用的快速發展，設計人員需要一種標準化的快捷方法來部署和連接智能傳感器和執行器。IO-Link的數字接口易于使用，有助于實現標準化。

如上所述，市面上有許多現成解決方案可幫助設計人員快速了解、評估和有效部署IO-Link設備，藉此可為工業物聯網應用改善工藝，提高生產效率和安全性，減少停機時間。

編輯：jq