以新一代信息技術(shù)為代表的工業(yè)革命已經(jīng)到來，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)正在影響著各行各業(yè)，我們仿佛看到了一幅未來智慧工廠的圖景：所有的自動(dòng)化設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接，每一個(gè)生產(chǎn)過程都是透明可見的。但現(xiàn)在企業(yè)管理者先要考慮如何升級(jí)工廠設(shè)備，如何布局物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析。

工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)是一個(gè)復(fù)雜的過程，很多企業(yè)要考慮在舊和自動(dòng)化設(shè)備引入新技術(shù)時(shí)遇到的兼容問題。智慧型工廠需要連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所有的設(shè)備，如傳感器、變送器、執(zhí)行器、PLC控制器等。因此，通信技術(shù)是這場(chǎng)升級(jí)的關(guān)鍵，說到工業(yè)通信，大家可能會(huì)想起工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線，本文要說的是一種新的通信技術(shù)IO－Link。

在高度自動(dòng)化的智能工廠場(chǎng)景中，IO－Link的優(yōu)勢(shì)已被證明而且它非常有用。IO－Link通信標(biāo)準(zhǔn)使得從控制器到傳感器的傳輸過程變得更加透明，尤其在工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢(shì)下，業(yè)界對(duì)IO－Link興趣日益增大。IO－Link通信標(biāo)準(zhǔn)提供了許多好處，最重要的是降低了機(jī)器的成本，使生產(chǎn)流程更有效，并能顯著提高了機(jī)器和系統(tǒng)的可用性。

IO－Link工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布線，圖片來源balluff

什么是IO－Link？

IO－Link（IEC 61131－9）是一種開放式標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議，允許支持IO－Link的傳感器、設(shè)備進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，并連接到主站。IO－Link主站可以通過各種網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行傳輸。每個(gè)IO－Link傳感器都有一個(gè)設(shè)備描述（也叫IODD），PLC、HMI等工業(yè)信息系統(tǒng)可以使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)操作或長(zhǎng)期分析。

我們可以要拿USB連接和IO－Link做比較，那可以說兩者都是雙向的串行通信，可以傳輸能量和信號(hào)，也就是說數(shù)字量和模擬量可以在同一組電纜上傳輸。

IO－Link雙向通信模型

IO－Link的主要優(yōu)勢(shì)是其通信能力，變單向信息傳輸為雙向通信，現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和執(zhí)行器都可以通過IO－Link發(fā)送和接收信息。它允許控制器訪問以前無法訪問的設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，或者以前只能通過專有系統(tǒng)來獲取傳感器參數(shù)?？梢哉f，IO－Link一方面統(tǒng)一了設(shè)備和系統(tǒng)控制之間的通信，另一方面統(tǒng)一了現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器的連接方式。

IO－Link為工廠自動(dòng)化下層設(shè)備添加了參數(shù)和診斷功能，例如接近傳感器，除了能讀取開關(guān)狀態(tài)信號(hào)還可以獲得設(shè)備描述、診斷等其它數(shù)字信號(hào)。IO－Link技術(shù)可以通過IO－Link接線盒進(jìn)行，也可以通過傳感器單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，只要PLC能識(shí)別IO－Link語(yǔ)言即可。對(duì)于舊系統(tǒng)的改造升級(jí)來說，前者會(huì)更受歡迎，因?yàn)樘砑覫O－Link接線盒就不需要切換線路上的所有傳感器，這樣做也能夠享用IO－Link技術(shù)的全部好處。

IO－Link通信連接框圖，圖片來源Baumer

值得注意的是，IO－Link不是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，而是兼容IO系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議。因?yàn)镮O－Link是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)備可以集成到幾乎任何現(xiàn)場(chǎng)總線或自動(dòng)化系統(tǒng)中。IO－Link系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，包括標(biāo)準(zhǔn)化和降低布線，增加數(shù)據(jù)可用性，遠(yuǎn)程配置和監(jiān)控，簡(jiǎn)單的設(shè)備更換和高級(jí)診斷等等。

降低布線成本

對(duì)于許多行業(yè)來說，IO－Link的一個(gè)關(guān)鍵好處是它不需要任何特殊或復(fù)雜的接線。相反，IO－Link設(shè)備可以使用與傳統(tǒng)離散I／O相同的經(jīng)濟(jì)型非屏蔽三線電纜來連接，這有助于保持簡(jiǎn)單的布線。此外，IO－Link還消除了傳感器要求模擬量傳輸需求，并減少了傳感器現(xiàn)場(chǎng)連接所需的各種電線，從而節(jié)省了布線成本。IO－Link還支持具有被動(dòng)連接點(diǎn)的主從配置，這又進(jìn)一步降低了布線要求。

IO－Link接口電氣圖，圖片來源P＋F

也就是說，過去數(shù)字和模擬輸入和輸出或其他類型信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線模塊都可以用標(biāo)準(zhǔn)化的IO－Link模塊來代替。即使對(duì)于少量的I／O的場(chǎng)所來說采用數(shù)字輸入和輸出的IO－Link功能信號(hào)分配器（即所謂的I／O集線器）也非常值得的。這些信號(hào)分配器通過IO－Link信號(hào)將多個(gè)交換信號(hào)發(fā)送到控制器，允許將現(xiàn)有數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備快速方便地連接到IO－Link主站。盡管有這些選擇，IO－Link并不是替代現(xiàn)場(chǎng)總線的解決方案，但在許多情況下，它可能是一個(gè)有意義的補(bǔ)充。

IO－Link還將節(jié)省機(jī)器制造商的時(shí)間和金錢，過去使用多束電纜和無源分配器連接多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，用戶必須仔細(xì)規(guī)劃和監(jiān)控哪個(gè)傳感器將通過哪條電纜進(jìn)行連接，工作步驟不僅耗時(shí)，而且容易出錯(cuò)。由于IO－Link通過標(biāo)準(zhǔn)三芯電纜連接每個(gè)具有模擬和數(shù)字信號(hào)的傳感器或執(zhí)行器，信息文檔和電子設(shè)計(jì)將被大大簡(jiǎn)化。

增加數(shù)據(jù)可用性

數(shù)據(jù)可用性是IO－Link的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，對(duì)工業(yè)系統(tǒng)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。直接訪問傳感器級(jí)數(shù)據(jù)有助于確保系統(tǒng)組件的順利運(yùn)行、設(shè)備簡(jiǎn)化和更換，并有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，所有這些都可以節(jié)省成本并降低設(shè)備停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。通過IO－Link通信可獲得三種主要數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)可以分為循環(huán)數(shù)據(jù)（定期自動(dòng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)）或非循環(huán)數(shù)據(jù)（根據(jù)需要或根據(jù)需要傳輸數(shù)據(jù)）。

IO－Link傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)類型

過程數(shù)據(jù)：這是指設(shè)備讀取和傳送給主機(jī)的信息，例如激光測(cè)量傳感器上的距離讀數(shù)。過程數(shù)據(jù)還可以指從主設(shè)備發(fā)送到副設(shè)備的信息（例如發(fā)送到塔燈的指令，指示哪些顏色段應(yīng)被照亮）。該數(shù)據(jù)在定義的數(shù)據(jù)幀中循環(huán)傳輸。另外，值狀態(tài)數(shù)據(jù)（處理數(shù)據(jù)是否有效的指示）與過程數(shù)據(jù)一起被發(fā)送。

服務(wù)數(shù)據(jù)：也稱為設(shè)備數(shù)據(jù)，這種類型的數(shù)據(jù)是指?jìng)鞲衅鞅旧淼男畔?，例如參?shù)值、型號(hào)、序列號(hào)和設(shè)備描述等。服務(wù)數(shù)據(jù)可以寫入設(shè)備或非循環(huán)讀取設(shè)備。

事件數(shù)據(jù)：這是指當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，諸如錯(cuò)誤信息或維護(hù)警告（例如設(shè)備過熱，鏡頭變臟等）的通知，這些通知會(huì)從IO－Link設(shè)備傳輸?shù)街髡荆ǚ茄h(huán)數(shù)據(jù)）。

通過IO－Link可以獲取豐富而寶貴數(shù)據(jù)，是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)4.0計(jì)劃實(shí)施的重要組成部分。

遠(yuǎn)程配置和監(jiān)控

使用IO－Link，用戶可以通過控制系統(tǒng)軟件讀取和更改設(shè)備參數(shù)，快速配置和調(diào)試成為可能，從而節(jié)省時(shí)間和資源。此外，IO－Link允許操作員根據(jù)需要從控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地更改傳感器參數(shù)，例如生產(chǎn)線的產(chǎn)品更換而需要改為設(shè)備參數(shù)，通過IO－Link可直接在線調(diào)試，減少停機(jī)時(shí)間，并允許生產(chǎn)設(shè)備適應(yīng)更多的多樣性產(chǎn)品。這一點(diǎn)對(duì)于面對(duì)包裝品種需求不斷增加的消費(fèi)品包裝商品尤為重要。

此外，通過IO－Link可以監(jiān)控傳感器輸出，接收實(shí)時(shí)警報(bào)并能從任何地方調(diào)整設(shè)置，用戶可以及時(shí)識(shí)別和解決傳感器級(jí)別出現(xiàn)的問題。這也意味著用戶可以根據(jù)機(jī)器組件本身的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，減少昂貴的停機(jī)時(shí)間并提高整體效率。

設(shè)備更換更簡(jiǎn)單

除了能夠遠(yuǎn)程調(diào)整傳感器設(shè)置外，IO－Link的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能還可以在設(shè)備更換（此功能也稱為自動(dòng)設(shè)備更換或ADR）時(shí)進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)重新分配。用戶可以將現(xiàn)有的傳感器參數(shù)值導(dǎo)入替代傳感器，以便無縫更換，使新設(shè)備盡快啟動(dòng)并運(yùn)行。

IO－Link除了對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)修改，還可以識(shí)別更換的生產(chǎn)工具，這是通過具有IO－Link功能的無源分配器實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵O(shè)備配備了應(yīng)用程序特定的標(biāo)簽，用戶可以根據(jù)相關(guān)工具添加自定義描述，控制器將讀取標(biāo)簽并通過其唯一的ID號(hào)識(shí)別工具。

擴(kuò)展診斷與主動(dòng)維護(hù)

IO－Link為用戶提供了每個(gè)設(shè)備的錯(cuò)誤和健康狀況，這意味著用戶不僅可以看到傳感器在做什么，還可以看到它的性能如何，這是對(duì)機(jī)器效率的寶貴洞察。此外，通過IO－Link提供的更全面的信息還將允許主動(dòng)維護(hù)和資產(chǎn)管理，擴(kuò)展診斷允許用戶輕松識(shí)別傳感器發(fā)生故障并診斷問題而不需要關(guān)閉線路或停止機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過訪問內(nèi)部附加傳感器的數(shù)據(jù)，例如線性或聲波溫度傳感器的數(shù)據(jù)，作為傳感器故障甚至電纜斷裂的早期預(yù)警系統(tǒng)，在機(jī)器或系統(tǒng)故障之前提前計(jì)劃組件和更換。系統(tǒng)操作員可以在過一段時(shí)間通過傳送的診斷數(shù)據(jù)來來確定是否需要更換設(shè)備。

通過IO－Link系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的組合不僅可以減少問題出現(xiàn)和故障排除工作量，而且可以優(yōu)化機(jī)器維護(hù)計(jì)劃，節(jié)省成本并提高設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。