作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

要支持作為工業 4.0 標志的數據收集和分析，就經常需要對生產線和過程進行更改，包括添加、移除或重新設置數字傳感器、執行器、指示器和其他設備。在具有各種特性的傳統自動化網絡協議中，這一點是很難有效實現的。工業 4.0 設備需要在現有網絡和不斷增加的大量本地傳感器、執行器和指示器之間建立另一層連接并實現靈活性。

為了應對這些挑戰，IO-Link 作為一種開放式標準應運而生。利用這一標準可以將傳感器、執行器和指示器等設備的信號連接到以太網 IP、Modbus TCP/IP 和PROFINET 等更高級的網絡，并通過這些網絡連接可編程邏輯控制器 (PLC)、人機界面 (HMI) 設備、監控和數據采集 (SCADA) 系統以及云。IO-Link 串行連接按照 IEC 61131-9 實現了標準化，并使用 IEC 60974-5-2 中規定的簡單非屏蔽三線或五線標準電纜。自動化系統設計人員會發現，IO-Link 特別有助于為了實現工業 4.0 工廠而進行互連設備的快速部署、遠程配置、監控和診斷。

本文將介紹 IO-Link 的功能和優勢，探討 IO-Link 網絡的結構和運行，具體包括使用各種類型的 IO-Link 設備來構建傳感器、執行器和指示器的本地網絡，以支持工業 4.0。本文還將介紹 [Banner Engineering]的 [IO-Link master]、集線器和數據轉換器設備，設計人員可利用這些設備高效地部署大量的工業 4.0 邊緣設備。

IO-Link 適用于哪些領域？

IO-Link 提供了一種較低層次的網絡，可捕獲來自分布式傳感器、執行器和指示器的數據，連接可以將數據轉換為 IO-Link 格式的轉換器，然后根據需要將數據分發給 IO-Link 集線器或主機設備，以便連接如以太網、Modbus 和 PROFINET 等較高層次的工廠網絡（圖 1）。

圖 1：IO-Link 為工業 4.0 網絡中的傳統和其他傳感器、執行器和設備（左）與現有 SCADA、HMI 和云（右）的連接提供了全面的解決方案。（圖片來源：Banner Engineering）

IO-Link 的主要特性如下：

• 開放式標準
• 支持本地設備的快速集成、配置和調試，以加快轉換速度，提高靈活性，同時最大限度地減少對人工支持的需求
• 兼容現有的自動化網絡
• 可以同步或異步方式進行的、強大的雙向通信能力，可最大限度地提高通信效率
• 設備級遠程診斷支持
• 動態更改傳感器或執行器的參數，從而加快過程優化速度
• 具有集成設備識別和自動參數重新分配功能，可最大限度地提高利用率

如何連接 IO-Link 設備

IO-Link 網絡中的設備使用三芯或五芯非屏蔽電纜連接，最長可達 20 m。IEC 60947-5-2 規定了主機和設備的引腳布局。公接頭分配給設備，母接頭用于主機。可以采用 M5、M8 或 M12 連接器，最多 5 針配置。在主機上，針腳 1 和 3 之間施加24 VDC 電壓且電流高達 200 mA 的 ，作為設備的選用電源。根據 IEC 61131-2 標準的規定，固定針腳 4 為數字輸入 (DI) 或數字輸出 (DO)，并根據 IEC60947-5-2 標準，支持向后兼容傳統設備。

在 A 類端口中，針腳 2 和 5 不連接 (NC)；而在 B 類端口中，這些針腳可配置為 DI、DO、不連接 (NC) 或用于提供額外電源。在大多數工業裝置中，使用 M12 快斷連接器。圖 2 匯總了 IEC 60974-5 中規定的具體引腳分配：

• 針腳 1：+24 VDC，最大 200 mA (L+)
• 針腳 2：數 I/O（僅 PNP）
• 針腳 3：0 V (L-)
• 針腳 4：數字 I/O（NPN、PNP 或推挽式）和 IO-Link 通信
• 針腳 5：中心針腳 NC（選用）

圖 2：IO-Link 是一種為傳感器和執行器等邊緣設備提供電源和數據連接的簡單解決方案。（圖片來源：Banner Engineering）

為什么選擇 IO-Link？

IO-Link 通過可靠的低成本標準化布線，以及簡便的設備安裝或更換要求，有助于大幅提高工業 4.0 網絡的性能。此外，它還可簡化現有網絡中隔離式傳感器的集成。IO-Link 的優點包括：

通過 IO-Link 將隔離的設備和自動化島連接到統一的網絡中，提高數據利用率。傳感器等級數據并不總是可用或易于獲取。使用 IO-Link，獲取數據變得異常容易，并可實時用于優化流程，支持對機器和傳感器進行主動式維護。IO-Link 支持以下三種主要數據類型，這些數據可進一步分為按計劃自動傳輸的循環數據和根據請求或需要傳輸的非循環數據。

• 過程數據：指設備發送給主機的信息（如傳感器讀數），以及從主機到控制設備運行的信息（如塔式照明燈具上的特定照明段）。過程數據可以是循環數據或非循環數據。
• 服務數據：包括設備信息，有時也稱為設備數據。服務數據包括設備參數值、設備描述以及型號、序列號。這種數據是非循環數據，可以根據需要從設備讀取或寫入。
• 事件數據：包括錯誤處理，具體為超出參數設置等錯誤信息，或成像傳感器鏡頭臟污等維護警告。每當觸發事件發生時，這種數據就會按照非周期方式傳輸。

遠程配置，使網絡操作員和技術人員能夠通過軟件控制形式讀取、更改設備參數，而無需親自操作每臺設備。傳感器參數可根據需要進行動態更改，以完善現有過程，加快產品和過程更改，支持大規模定制，并最大限度地減少機器和生產線的停運時間。

可通過遠程方式配置設備來簡化設備更換過程。IO-Link 中的自動設備更換 (ADR) 功能可自動為已更換設備調節、重新分配參數。通過 ADR，網絡運營商可以將現有參數導入替換設備中，或根據需要更新參數，以確保快速、準確地改造和維護網絡。

經過擴展的診斷功能利用 IO-Link 的循環和非循環通信功能，為網絡運營商提供關于工廠內每臺設備運行狀態的廣泛信息。使用遠程診斷設備運行狀況的功能，加快識別老化或運行不正常的設備。這樣就可以更有效地安排設備維護或設備更換。

簡單的標準化布線是 IO-Link 的主要特點。與其他網絡協議不同，IO-Link 設備、轉換器、集線器和主機均使用簡單的低成本非屏蔽電纜和快速斷開連接器進行連接。IO-Link 的主從架構進一步簡化了布線要求，消除了人們在網絡配置方面的顧慮。

開始使用 IO-Link 主機/控制器

自動化系統設計人員在增加或擴展 IO-Link 的使用時，可以首先選擇一個 IO-Link 主機（或控制器），如 Banner Engineering 的[DXMR90-4K]，該器件可以匯集來自多個源頭的數據來進行本地數據處理，并實現與上層網絡的連接（圖 3）。

圖 3：DXMR90-4K IO-Link 主機設備可匯集來自四個本地源頭的數據，并與上一級網絡連接。（圖片來源：Banner Engineering）

DXMR90-4K 的四個端口支持與多達四個 IO-Link 設備同時通信。該器件支持數據采集、邊緣處理以及連接工業以太網或 Modbus/TCP 所需的協議轉換，并可向網絡服務器傳輸數據。DXMR90-4K 的其他特點包括：

• 結構緊湊，重量輕，節省空間，簡化部署
• IP67 防護等級，無需單獨的控制柜，利于降低安裝成本
• 有利于合并電纜線路，最大限度地降低布線復雜性和重量，這在機器人等應用中尤為重要
• 使用行動規則和 ScriptBasic 編程的可擴展內部邏輯控制器，支持高度靈活性

至于更簡單的安裝，設計人員可以使用 [R45C-2K-MQ]雙端口 IO-Link 主機等設備進行 Modbus 連接。

IO-Link 集線器

當需要將眾多傳感器或執行器連接到單個 IO 主機時，設計人員可使用 IO-Link 集線器匯集來自傳感器和執行器的信號，并通過單根電纜將這些數據傳輸到 IO-Link 主機。例如，[R90C-4B21-KQ]有 4 個輸入端口，使用標準 M12 連接器與主機連接（圖 4）。這是一款緊湊型雙模（PNP 或 NPN）至 IO-Link 設備轉換器，可連接離散輸入并將數值發送至 IO-Link 主機。該器件的特點：

• 延時模式包括 ON/OFF 延時、ON/OFF/可再觸發單觸發、ON/OFF、脈沖拉伸器和累加器。
• 測量指標包括計數、每分鐘事件數和持續時間。
• 離散鏡像可將信號（輸入和輸出）鏡像至四個端口中的任意一個。
• 離散 I/O 可獨立配置為 NPN 或 PNP
• 堅固耐用的包塑 IP68 級設計

圖 4：R90C-4B21-KQ 集線器可以整合四個設備的通信，并將其與一個 IO-Link 主機設備連接。（圖片來源：Banner Engineering）

IO-Link 信號轉換器

目前，有各種不同類型的轉換器可用于 IO-Link 網絡，以連接傳感器和其他設備，這些設備可能使用了不同類型的信號類型，如離散 PNP 或 NPN 信號、0 至 10 VDC 模擬信號和電流變送器。例如，以下器件為 IO-Link 信號轉換器：

• [R45C-K-IIQ]IO-Link 至模擬電流輸入或輸出轉換器（圖 5）
• [R45C-K-UUQ]模擬電壓輸入或輸出轉換器
• [R45C-K-IQ]模擬電流輸出轉換器
• [R45C-K-UQ]模擬電壓輸出轉換器

圖 5：R45C-K-IIIQ IO-Link 轉換器可通過模擬輸入和輸出連接主機設備和本地設備。（圖片來源：Banner Engineering）

還可提供 IO-Link 在線轉換器，其大小與單節 AA 電池相當。這些轉換器可處理各種類型的信號，并將其轉換為 IO-Link、Modbus 或其他協議。例如，[S15C-I-KQ] 是一款模擬電流至 IO-Link 轉換器，可連接 4 至 20 mA 電流源，并將數值輸出至 IO-Link 主機。這些轉換器體積小，可簡化將傳統傳感器添加到采用標準協議的網絡中的過程或環境監測工作。這些器件憑借 IP68 防護性能，能夠廣泛應用于工業環境。

結束語

通過將傳統設備和其他邊緣設備與主以太網 IP、Modbus TCP/IP 或 PROFINET 網絡連接，IO-Link 可提供收集必要數據所需的連接，以優化工業 4.0工廠的性能。IO-Link 支持高水平的數據利用率、更廣泛的診斷、遠程配置和更簡化的設備更換，從而通過 IEC 60974-5-2 中簡單的非屏蔽 3 線或 5 線標準電纜，使用 IEC 61131-9 中的標準化連接方式加快過程和線路更改。