IO-Link——实现智能自动化的点对点通信协议
- 2024/6/18 11:54:27 20914
- 来源：控制工程网
随着工业4.0的到来，智能自动化已经被定义为先进的控制、监控和诊断。然而，只有通过工业连接才能实现这种功能，因为工业连接可以将控制和机器设备统一在同一个平台上，以实现连续的数据交换。
支撑工业连接的关键使能技术，是标准化的网络和具有板载通信功能的设备。支持这些功能的协议很多。然而，并不是所有的工业协议都能满足当今自动化所需的数据交换和智能要求，而IO-Link协议的创建就是为了满足这些现代应用的广泛需求。
IO-Link是一种有线点对点通信协议，便于设备之间进行智能双向数据通信。通常情况下，IO-Link 主站(本地控制器)具有多个IO-Link端口，各种IO-Link设备可以分别插入其中。这些节点到节点的端点连接使IO-Link成为一种点对点通信协议。统一的IO-Link接口由IEC 61131-9标准定义。
01 与应用相关的通信模式
IO-Link通信协议使IO-Link控制器上的每个连接器端口都能够实现四种通信模式。其中包括完全停用模式以及IO-Link、数字输入(DI)和数字输出(DQ)运行模式。
IO-Link运行模式支持与现场设备的双向数据通信，在数据采集过程中通常被用于监测、测试和诊断。DI模式下的本地控制器端口接受数字输入，在端口与传感器连接时起作用，在这种情况下，端口充当输入设备。相比之下，DQ模式的端口则作为数字输出，通常在端口连接到执行器(在这种情况下，实际上是输出设备)或系统可编程逻辑控制器 (PLC) 设置为直接向另一个IO-Link设备发送指令时使用。
值得注意的是，IO-Link主站上的端口可以随时在不同模式之间切换。例如，连接到传感器的控制器端口可以运行在DI模式下，然后在控制器请求来自传感器的诊断和监测数据时，切换到IO-Link通信模式。
02 可操作的状态通信
通过设置IO-Link设备来报告状态，进而告知系统进行必要的调整和修正，从而可以实现机器监控。例如，在机床行业中，IO-Link压力传感器的用途之一就是验证工件的夹紧压力是否合适，以便在卸下材料的操作过程中实现无损且安全的夹持。在这里，IO-Link传感器主要支持机床任务的优化，以减少故障的发生。
IO-Link设备还可以进行可操作的状态通信，以支持增强的维护例程，从而最大限度地减少停机时间。例如，装配机上的IO-Link位置传感器可以持续报告末端执行器的位置，以确保没有任何位置超出范围或不对齐。
通过分析IO-Link设备提供的诊断数据，工厂的技术人员可以在错误和潜在故障发生之前进行预测和纠正。技术人员还可以识别机器或工厂中的薄弱环节，为未来企业层面的运营变化、采购决策和专属机器的设计提供依据。
03 高级控制和自动化
在IO-Link装置支持无需人工干预即可运行的功能的情况下，IO-Link控制器通常连接到主机系统或更高级别的PLC，以处理接收到的数据，然后直接或间接地命令执行机构做出适当的协调响应。这种自动化控制要求IO-Link系统通过标准化现场总线或以太网协议和布线连接到更高级别的控制器上。事实上，大多数IO-Link控制器都具有用于此类连接的现场总线或以太网端口。
涉及 IO-Link 系统的高级控制应用中的设备采用以下三种方式之一进行集成：
1. 直接连接到主机或PLC。
2. 连接到IO-Link主站并通过IO-Link协议进行通信。
3. 使用与IO-Link兼容的通信，并通过IO-Link集线器连接到IO-Link主站。
具有现场总线和以太网通信连接的IO-Link系统的另一个好处是允许远距离连接，这反过来使安装人员能够将IO-Link控制器安装在控制柜中或最外面的机器上，这对某些特定应用很有用。
IO-Link控制器可以用作能够处理数字和模拟信号的低级控制器，为高级的组合应用带来益处。在这里，它们可以：
■ 接收由XY平台轴上IO-Link线性编码器产生的数据。
■ 作为网关来处理数据。
■ 将处理后的IO-Link现场设备数据提交给PLC或其它系统控制器。
04 设备智能化
IO-Link的一个重要应用是使设备智能化。在类似于没有(或只有少量)编程的传统传感器的设计中，这些支持IO-Link的设备尤其常见，它们可以接收指令、监控和执行自检例程并产生数据。由于IO-Link除了提供基础双值(是、否或通过、失败)数据外，还允许设备提供更多数据，因此也可以报告精确值。例如，过程自动化任务受益于IO-Link温度传感器，它可以连续报告监测区域或空间的精确温度值，而不是简单的高温或低温状态报警。
IO-Link 用于智能现场设备的另一个好处是其物理连接的紧凑。这与现场总线和以太网接口的物理连接形成鲜明对比，后者有时会因体积过大而无法在现场微型设备上安装。IO-Link智能组件也可以进行精确控制。例如，一旦场景满足一组条件，就可以命令驱动器关闭，而不是基本的关闭和打开控制。
不过，在智能设备应用中使用IO-Link也有一些注意事项。尽管无线形式的IO-Link正在开发中，但它目前仍然主要是一种有线通信协议——因此它仍然受到硬布线的限制。为保持数据完整性，IO-Link主站到设备的布线不得超过20米。此外，由于IO-Link协议每个周期最多只能传输32字节的数据，因此不能与摄像机等现场设备一起使用，因为摄像机每分钟可以生成许数MB的数据。
IO-Link 系统的用途非常广泛，可以补充现有协议的不足，为几乎无限的控制和数据采集系统提供支持。IO-Link系统简单易用，只需一个IO-Link主站、应用设备以及与其连接的三线或五线电缆，因此得到了广泛应用。即插即用的安装和高性价比也是IO-Link的优势所在。
关键概念：
■ IO-Link提供了将设备集成到高级控制系统中的三种方式。
■ 精确控制和紧凑性是应用IO-Link实现设备智能化的好处。
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