原標(biāo)題：如何使用IO-Link提高智能工廠(chǎng)執(zhí)行器的工作效率

　　向工業(yè) 4.0 或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的轉(zhuǎn)變?nèi)栽诶^續(xù)，以實(shí)現(xiàn)更高的效率、安全性、生產(chǎn)力和更低的總體成本。這項(xiàng)工作的一個(gè)關(guān)鍵要素是設(shè)備連接。這可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰x擇合適的通信標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)接口和相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)，所有這些都會(huì)減慢智能工廠(chǎng)的部署速度。

　　工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一種標(biāo)準(zhǔn)、可靠、高效且更加模塊化的方法，以促進(jìn)快速且經(jīng)濟(jì)高效的部署。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，他們可以求助于IO-Link，這是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的接口，可用于智能工廠(chǎng)。IO-Link 是一種雙向、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單點(diǎn)數(shù)字通信接口 (SDCI)，受多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管轄，包括 IEC 61131-2、IEC 61131-9 (SDCI) 和 IO-Link 1.1.3。

　　本文簡(jiǎn)要討論了向智能工廠(chǎng)的轉(zhuǎn)變及其給設(shè)計(jì)師帶來(lái)的挑戰(zhàn)。然后，它概述了 IO-Link 操作及其如何簡(jiǎn)化智能工廠(chǎng)部署。它提供了以下示例 IO-Link 設(shè)備 從 ADI公司，包括可用于替代氣動(dòng)執(zhí)行器并提供增強(qiáng)性能的從設(shè)備、具有集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的從設(shè)備和主設(shè)備。其中包括通過(guò)IO-Link快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)執(zhí)行器的參考設(shè)計(jì)。

　　簡(jiǎn)化向智能工廠(chǎng)的轉(zhuǎn)變

　　向智能工廠(chǎng)的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿藢?duì)一種簡(jiǎn)單方法的需求，即在邊緣添加智能，以調(diào)試、監(jiān)控和重新配置傳感器和執(zhí)行器。IO-Link 的簡(jiǎn)單安裝和雙向通信功能支持邊緣智能的部署。在一個(gè)實(shí)例中，IO-Link 因設(shè)置和調(diào)試時(shí)間縮短了 90% 而受到贊譽(yù)。

　　實(shí)際上，可以通過(guò)IO-Link下載參數(shù)設(shè)置以設(shè)置或重新配置設(shè)備。這消除了技術(shù)人員干預(yù)的需要，并減少了停機(jī)時(shí)間。IO-Link 的智能診斷、錯(cuò)誤檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄功能可用于收集整個(gè)工廠(chǎng)車(chē)間的實(shí)時(shí)操作信息，從而進(jìn)一步減少停機(jī)時(shí)間。

　　IO-Link 系統(tǒng)的架構(gòu)由 IO-Link 主站和各種 IO-Link 設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接組成。使用標(biāo)準(zhǔn) M8 或 M12 連接器和 20 米 (m) 長(zhǎng)的 3 芯或 4 芯電纜可簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝。IO-Link 主設(shè)備通常有 4 或 8 個(gè)端口，每個(gè)端口連接到一個(gè) IO-Link 設(shè)備。每個(gè)端口都可以在標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出(SIO)模式或雙向通信模式下運(yùn)行。由于 IO-Link 是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)，因此它不是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，但它與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)兼容，并且可以連接到可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機(jī)界面 (HMI)(圖 1)。

　　圖 1：IO-Link 與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和 IEEE 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)兼容。(圖片來(lái)源：IO-Link 社區(qū))

　　除了在SDCI模式下運(yùn)行外，IO-Link還向后兼容IEC 60974-5-2二進(jìn)制傳感器標(biāo)準(zhǔn)?；镜狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信使用 3 線(xiàn)接口(L+、C/Q 和 L-)。在IO-Link模式下，主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信是雙向的，具有三種可能的傳輸速率;COM1 為 4.8 kbps (kbps)，COM2 為 38.4 kbps，COM3 為 230.4 kbps(圖 2)。IO-Link 主站必須支持所有三種數(shù)據(jù)速率，以便它可以與任何連接的從設(shè)備通信。從設(shè)備僅支持一種數(shù)據(jù)速率。使用 C/Q 線(xiàn)路上的非歸零 (NRZ) 編碼進(jìn)行 24 伏脈沖通信。在 IO-Link 模式下，引腳 2 可以處于數(shù)字輸入 (DI) 模式、數(shù)字輸出 (DO) 模式或未連接。 IO-Link 設(shè)備(傳感器或執(zhí)行器)必須在 L+ 超過(guò) 18 伏閾值后的 300 毫秒 (ms) 內(nèi)運(yùn)行。

　　圖 2：IO-Link 通信是雙向的，可以支持 4.8、38.4 和 230.4 kbps。(圖片來(lái)源：)

　　IO-Link 設(shè)備說(shuō)明

　　所有 IO-Link 傳感器和執(zhí)行器都有一個(gè) IO-Link 設(shè)備描述 (IODD) 文件(圖 3)。IODD 是一個(gè) xml 文件，它為 IO-Link 主設(shè)備提供識(shí)別和配置設(shè)備以及解釋其數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)。

　　IODD內(nèi)容包括

　　支持通信所需的屬性

　　設(shè)備參數(shù)

　　識(shí)別信息

　　過(guò)程和診斷信息

　　設(shè)備的圖像和制造商的徽標(biāo)

　　IODD的結(jié)構(gòu)與IEC 61131-9分開(kāi)概述

　　IODD文件的集中式數(shù)據(jù)庫(kù)由IO-Link聯(lián)盟維護(hù)

　　圖 3：IODD 是一個(gè) xml 文件，其中包含 IO-Link 主設(shè)備識(shí)別、配置和與每個(gè)從設(shè)備通信所需的信息。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　數(shù)據(jù)鏈接和數(shù)據(jù)類(lèi)型

　　IO-Link 主站和設(shè)備之間的消息交換由數(shù)據(jù)鏈路 (DL) 層管理。消息是長(zhǎng)度在 1 到 66 個(gè)通用異步接收器發(fā)射器 (UART) 字之間的幀，稱(chēng)為“M 序列”。消息可以與請(qǐng)求數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理請(qǐng)求和命令以及常規(guī)流程數(shù)據(jù)相關(guān)。主站包括一個(gè) DL 處理程序，用于處理錯(cuò)誤和錯(cuò)誤消息，并管理喚醒、SIO 和 COM 速率等操作模式。當(dāng)主設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備需要響應(yīng)。

　　IO-Link 通信可以是同步的，也可以是異步的。IO-Link 主站和設(shè)備包括用于同步通信的過(guò)程數(shù)據(jù)處理程序，以及用于事件、控制、參數(shù)和索引服務(wù)數(shù)據(jù)單元 (ISDU) 數(shù)據(jù)異步通信的按需處理程序。異步數(shù)據(jù)是應(yīng)請(qǐng)求的，可以包含以下內(nèi)容：

　　配置或維護(hù)信息和控制。

　　事件觸發(fā)，具有三個(gè)緊急級(jí)別：

　　錯(cuò)誤

　　警告

　　通知

　　頁(yè)面數(shù)據(jù)可直接讀取設(shè)備參數(shù)

　　大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的服務(wù)數(shù)據(jù)

　　將 IO-Link 集成到主設(shè)備和設(shè)備中可能很復(fù)雜。有必要全面實(shí)施這些標(biāo)準(zhǔn)，以確保設(shè)備的互操作性和可靠的系統(tǒng)運(yùn)行。為了將高效可靠的IO-Link通信快速集成到智能工廠(chǎng)執(zhí)行器中，設(shè)計(jì)人員可以為主機(jī)和設(shè)備使用預(yù)先設(shè)計(jì)的解決方案。IO-Link 器件控制器 IC 具有具有有源反極性保護(hù)功能的超低功耗驅(qū)動(dòng)器，可帶或不帶集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。它們還具有支持廣泛診斷的串行外設(shè)接口 (SPI)。雙通道、IO-Link 主收發(fā)器 IC 支持低功耗操作，并通過(guò)包括具有 UART 和先進(jìn)先出 (FIFO) 功能的幀處理器來(lái)簡(jiǎn)化微控制器 (MCU) 選擇。

　　用 IO-Link 取代氣動(dòng)執(zhí)行器

　　IO-Link 提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)顛覆傳統(tǒng)的過(guò)程控制方法，并通過(guò)用伺服驅(qū)動(dòng)器和復(fù)雜的數(shù)字控制取代氣動(dòng)執(zhí)行器來(lái)增強(qiáng)工廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)。例如，設(shè)計(jì)人員可以使用 MAXREFDES37# IO-Link 伺服驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)可加快上市時(shí)間(圖 4)。此參考設(shè)計(jì)提供 5 V 電源，包括四個(gè)脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出，以及四個(gè)數(shù)字輸入，可控制多達(dá)四個(gè)伺服電機(jī)。

　　該板包括一個(gè) M12-4 連接器，用于連接到 IO-Link 主站。3 針針座支持快速連接到標(biāo)準(zhǔn) 5 V 伺服電機(jī)，其中一個(gè)包含在基本參考設(shè)計(jì)中。與 5 伏數(shù)字輸入、電源接地和所有四個(gè) PWM 通道的連接均使用線(xiàn)中戳接線(xiàn)端子進(jìn)行。包括Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering的(TMG TE)IO-Link設(shè)備堆棧。MAXREFDES37# 可與 MAXREFDES277 采用 Pmod 外形的雙通道 IO-Link 主站，包括圖形用戶(hù)界面 (GUI) 程序，可使用 Windows PC 輕松進(jìn)行驗(yàn)證。

　　圖 4：MAXREFDES37# 有一個(gè) M12 連接器(左)，用于連接到 IO-Link 主站，并配有一個(gè)伺服電機(jī)(右)。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　MAXREFDES37# 包含 MAX14821ETG+T IO-Link 收發(fā)器 IC 和 MAX17504ATP+T 降壓穩(wěn)壓器 直流/直流集成電路MAX14821ETG+T收發(fā)器可與IO-Link器件和24V二進(jìn)制傳感器或執(zhí)行器配合使用。支持所有指定的 IO-Link 數(shù)據(jù)速率，C/Q 和 DO 驅(qū)動(dòng)器可以源出或吸收高達(dá) 100 毫安 (mA) 的電流。收發(fā)器運(yùn)行DL層協(xié)議，與微控制器單元(MCU)接口。兩個(gè)內(nèi)部線(xiàn)性穩(wěn)壓器為功率傳感器和執(zhí)行器提供 5 伏和 3.3 伏直流電 (VDC)，還包括 24 伏數(shù)字輸入和輸出。集成的 DO 和 C/Q 驅(qū)動(dòng)器可獨(dú)立配置為推挽式、低側(cè) (NPN) 或高端 (PNP) 操作。收發(fā)器可通過(guò)SPI進(jìn)行配置和監(jiān)控。

　　板載MAX17504同步整流降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器工作在4.5至60 VDC輸入范圍。它的輸出電壓范圍為 0.9 伏至 90% 的輸入電壓，可提供高達(dá) 3.5 安培 (A) 的電流。在 -40 至 +125 攝氏度 (°C) 范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)精度為 ±1.1%。它具有峰值效率 >90%，關(guān)斷電流為 2.8 微安 (μA)。

　　用于主站或集成 DC/DC 設(shè)備的收發(fā)器

　　對(duì)于 IO-Link 主站和設(shè)備的設(shè)計(jì)人員，有 MAX22514.該收發(fā)器具有高集成度(包括一個(gè) DC/DC 降壓穩(wěn)壓器、兩個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器和集成浪涌保護(hù)器)、低功耗和晶圓級(jí)封裝 (WLP)(2.5 毫米 (mm) x 2.6 mm) 或薄型四方扁平封裝 (TQFN) 封裝 (4 mm x 5 mm) 的選擇，非常適合空間受限的工業(yè) IO-Link 應(yīng)用(圖 5)。

　　例如，部件號(hào) MAX22514AWA+ 在 WLP 中。其 SPI 支持可配置性和診斷，還支持 COM1、COM2 和 COM3 數(shù)據(jù)速率。

　　圖 5：MAX22514 收發(fā)器高度集成，適用于 IO-Link 主機(jī)和器件。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　為了縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，設(shè)計(jì)人員可以使用參考設(shè)計(jì)，例如 MAXREFDES278#.這是基于MAX22514 IO-Link收發(fā)器的8通道電磁執(zhí)行器參考設(shè)計(jì)，用于演示 MAX22200，一個(gè) 1 A 八通道集成串行控制電磁閥驅(qū)動(dòng)器，帶有集成場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。該參考設(shè)計(jì)包括一個(gè)集成式 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器。包括Windows兼容軟件，提供圖形用戶(hù)界面(GUI)，用于探索MAX22514的特性。USB-A 到微型 B 電纜用于將評(píng)估板連接到 PC。

　　雙通道主控

　　當(dāng)需要雙通道IO-Link主站時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向 MAX14819自動(dòng)柜員+ 收發(fā)器，包括兩個(gè)輔助數(shù)字輸入通道。集成的 IO-Link 成幀器消除了對(duì)外部 UART 的需求，集成的周期定時(shí)器使 MCU 無(wú)需處理時(shí)序關(guān)鍵型任務(wù)。該收發(fā)器可與 MAX14931FAWE+ 和 MAX12930EASA+T 數(shù)字隔離器。MAX14931FAWE+具有四個(gè)通道，用于單向傳輸數(shù)字信號(hào)。MAX12930EASA+T具有兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道。這 MAX14819評(píng)估板# MAX14819A提供評(píng)估板，包括MAX14931和MAX12930數(shù)字隔離器(圖6)。

　　圖 6：MAX14819EVKIT# 雙通道 IO-Link 主評(píng)估板包括 MAX14819 收發(fā)器以及 MAX12930 和 MAX14931 數(shù)字隔離器。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　結(jié)論

　　為了獲得IIoT和工業(yè)4.0的好處，需要快速且經(jīng)濟(jì)高效地部署傳感器和換能器。為此，IO-Link 為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種標(biāo)準(zhǔn)、可靠、高效和模塊化的方法。如圖所示，使用現(xiàn)成的組件，設(shè)計(jì)人員可以使用 IO-Link 在邊緣增加智能，用于調(diào)試、監(jiān)控和重新配置傳感器和執(zhí)行器。