什么是IO-Link？IO-Link通信协议将给工业生产带来什么？

以新一代信息技术为代表的工业革命已经到来，物联网、云计算等技术正在影响着各行各业，我们仿佛看到了一幅未来智慧工厂的图景：所有的自动化设备通过网络连接，每一个生产过程都是透明可见的。但现在企业管理者先要考虑如何升级工厂设备，如何布局物联网和大数据分析。

工厂转型升级是一个复杂的过程，很多企业要考虑在旧和自动化设备引入新技术时遇到的兼容问题。智慧型工厂需要连接工业现场所有的设备，如传感器、变送器、执行器、PLC控制器等。因此，通信技术是这场升级的关键，说到工业通信，大家可能会想起工业以太网和现场总线，本文要说的是一种新的通信技术IO－Link。

在高度自动化的智能工厂场景中，IO－Link的优势已被证明而且它非常有用。IO－Link通信标准使得从控制器到传感器的传输过程变得更加透明，尤其在工业4.0的发展趋势下，业界对IO－Link兴趣日益增大。IO－Link通信标准提供了许多好处，最重要的是降低了机器的成本，使生产流程更有效，并能显著提高了机器和系统的可用性。

IO－Link工业现场布线，图片来源balluff

什么是IO－Link？

IO－Link（IEC 61131－9）是一种开放式标准串行通信协议，允许支持IO－Link的传感器、设备进行双向数据交换，并连接到主站。IO－Link主站可以通过各种网络，如现场总线进行传输。每个IO－Link传感器都有一个设备描述（也叫IODD），PLC、HMI等工业信息系统可以使用这些数据进行即时操作或长期分析。我们可以要拿USB连接和IO－Link做比较，那可以说两者都是双向的串行通信，可以传输能量和信号，也就是说数字量和模拟量可以在同一组电缆上传输。

IO－Link双向通信模型

IO－Link的主要优势是其通信能力，变单向信息传输为双向通信，现场的传感器和执行器都可以通过IO－Link发送和接收信息。它允许控制器访问以前无法访问的设备参数数据，或者以前只能通过专有系统来获取传感器参数。可以说，IO－Link一方面统一了设备和系统控制之间的通信，另一方面统一了现场传感器和执行器的连接方式。

IO－Link为工厂自动化下层设备添加了参数和诊断功能，例如接近传感器，除了能读取开关状态信号还可以获得设备描述、诊断等其它数字信号。IO－Link技术可以通过IO－Link接线盒进行，也可以通过传感器单独实现，只要PLC能识别IO－Link语言即可。对于旧系统的改造升级来说，前者会更受欢迎，因为添加IO－Link接线盒就不需要切换线路上的所有传感器，这样做也能够享用IO－Link技术的全部好处。

IO－Link通信连接框图

值得注意的是，IO－Link不是一种现场总线，而是兼容IO系统和现场设备之间的点对点通信协议。因为IO－Link是一个开放的标准，所以设备可以集成到几乎任何现场总线或自动化系统中。IO－Link系统有很多优点，包括标准化和降低布线，增加数据可用性，远程配置和监控，简单的设备更换和高级诊断等等。

降低布线成本

对于许多行业来说，IO－Link的一个关键好处是它不需要任何特殊或复杂的接线。相反，IO－Link设备可以使用与传统离散I／O相同的经济型非屏蔽三线电缆来连接，这有助于保持简单的布线。此外，IO－Link还消除了传感器要求模拟量传输需求，并减少了传感器现场连接所需的各种电线，从而节省了布线成本。IO－Link还支持具有被动连接点的主从配置，这又进一步降低了布线要求。

IO－Link接口电气图

也就是说，过去数字和模拟输入和输出或其他类型信号的现场总线模块都可以用标准化的IO－Link模块来代替。即使对于少量的I／O的场所来说采用数字输入和输出的IO－Link功能信号分配器（即所谓的I／O集线器）也非常值得的。这些信号分配器通过IO－Link信号将多个交换信号发送到控制器，允许将现有数字现场设备快速方便地连接到IO－Link主站。尽管有这些选择，IO－Link并不是替代现场总线的解决方案，但在许多情况下，它可能是一个有意义的补充。

IO－Link还将节省机器制造商的时间和金钱，过去使用多束电缆和无源分配器连接多个传感器和执行器，用户必须仔细规划和监控哪个传感器将通过哪条电缆进行连接，工作步骤不仅耗时，而且容易出错。由于IO－Link通过标准三芯电缆连接每个具有模拟和数字信号的传感器或执行器，信息文档和电子设计将被大大简化。

增加数据可用性

数据可用性是IO－Link的强大优势，对工业系统发展具有深远的影响。直接访问传感器级数据有助于确保系统组件的顺利运行、设备简化和更换，并有助于实现优化设备维护计划，所有这些都可以节省成本并降低设备停机的风险。通过IO－Link通信可获得三种主要数据类型，这些数据可以分为循环数据（定期自动传输的数据）或非循环数据（根据需要或根据需要传输数据）。

IO－Link传输的主要数据类型

过程数据：这是指设备读取和传送给主机的信息，例如激光测量传感器上的距离读数。过程数据还可以指从主设备发送到副设备的信息（例如发送到塔灯的指令，指示哪些颜色段应被照亮）。该数据在定义的数据帧中循环传输。另外，值状态数据（处理数据是否有效的指示）与过程数据一起被发送。

服务数据：也称为设备数据，这种类型的数据是指传感器本身的信息，例如参数值、型号、序列号和设备描述等。服务数据可以写入设备或非循环读取设备。

事件数据：这是指当事件发生时，诸如错误信息或维护警告（例如设备过热，镜头变脏等）的通知，这些通知会从IO－Link设备传输到主站（非循环数据）。

通过IO－Link可以获取丰富而宝贵数据，是物联网（IoT）和工业4.0计划实施的重要组成部分。

远程配置和监控

使用IO－Link，用户可以通过控制系统软件读取和更改设备参数，快速配置和调试成为可能，从而节省时间和资源。此外，IO－Link允许操作员根据需要从控制系统动态地更改传感器参数，例如生产线的产品更换而需要改为设备参数，通过IO－Link可直接在线调试，减少停机时间，并允许生产设备适应更多的多样性产品。这一点对于面对包装品种需求不断增加的消费品包装商品尤为重要。

此外，通过IO－Link可以监控传感器输出，接收实时警报并能从任何地方调整设置，用户可以及时识别和解决传感器级别出现的问题。这也意味着用户可以根据机器组件本身的实时数据进行决策，减少昂贵的停机时间并提高整体效率。

设备更换更简单

除了能够远程调整传感器设置外，IO－Link的数据存储功能还可以在设备更换（此功能也称为自动设备更换或ADR）时进行自动参数重新分配。用户可以将现有的传感器参数值导入替代传感器，以便无缝更换，使新设备尽快启动并运行。

IO－Link除了对传感器参数进行自动修改，还可以识别更换的生产工具，这是通过具有IO－Link功能的无源分配器实现，因为设备配备了应用程序特定的标签，用户可以根据相关工具添加自定义描述，控制器将读取标签并通过其唯一的ID号识别工具。

扩展诊断与主动维护

IO－Link为用户提供了每个设备的错误和健康状况，这意味着用户不仅可以看到传感器在做什么，还可以看到它的性能如何，这是对机器效率的宝贵洞察。此外，通过IO－Link提供的更全面的信息还将允许主动维护和资产管理，扩展诊断允许用户轻松识别传感器发生故障并诊断问题而不需要关闭线路或停止机器运转。

通过访问内部附加传感器的数据，例如线性或声波温度传感器的数据，作为传感器故障甚至电缆断裂的早期预警系统，在机器或系统故障之前提前计划组件和更换。系统操作员可以在过一段时间通过传送的诊断数据来来确定是否需要更换设备。通过IO－Link系统提供的实时和历史数据的组合不仅可以减少问题出现和故障排除工作量，而且可以优化机器维护计划，节省成本并提高设备长期运转的效率。