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你知道吗?IO-Link技术赋予“智造”无限可能的奥秘!(上)

分类:技术中心 70人浏览 2022-07-18
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IO-Link(IEC61131-9)是一种开放的标准串行通信协议,允许从支持IO-Link并连接到主站的传感器执行器进行数据双向交换。IO-Link主站可以通过各种网络、现场总线或背板总线传输这些数据,使数据可以通过工业信息系统(PLC、HMI等)立即采取行动或进行长期分析。

与传统传感器方案相比,IO-Link技术具有标准化并减少布线、提高数据可用性、远程配置和监控、快速更换设备和高级诊断等优势,这些优势有助于客户整体降低成本、提高流程效率并提升设备可用性。下面让小编带大家多维度了解一下IO-Link技术。

IO-Link基础

传统开关量和模拟量传感器凭借电路简单(如下图)、成本经济安装调试快速简便等优势,成为现今使用最广泛的传感器之一。

但面对日益复杂的设备类型带来的接线冗杂和空间堆积,以及更精细的设备控制要求传感器级的反馈,传统传感器由于其连接方式多样、反馈信息较单一等特性,已不能满足前述应用场景。传统传感器在智能化工厂控制需求中存在以下不足:

  • 传感器数据大多只能单向通讯

  • 大部分传感器无法反馈自身故障或健康状态信息

  • 传感器设置和调整需要技术人员在客户现场操作

  • 无法批量自定义传感器设置

  • 无法组网远程监控传感器运行

而作为智能化传感器技术,IO-Link的出现,帮助使用者解决了以上难题,并为自动化控制提供了更多的拓展和附加值。IO-Link技术优势主要体现为这样几点:

  • 统一接线,IO-Link定义了统一的插接标准,降低了不同类型I/O模块带来的成本问题和,不同连接方式造成的接线耗时

  • 丰富数据,IO-Link设备实时循环刷新过程数据、信号质量、设备状态、厂家信息等,而非单一测量值

  • 精确传输,IO-Link设备数据通过数字化传输到主站,减小了电磁干扰

  • 设备异常报警,传感器会发送设备运行事件信息,例如传感器是否断线、传感器镜头是否积灰

  • 快速替换,IO-Link使用标准M5/M8/M12快接头连接方式,无需担心因连接方式选择错误带来的接线麻烦。同时IO-Link主站可储存传感器设置,当更换新传感器后,可快速导入原设置,而无需重新手动调整传感器

  • 身份识别,每个IO-Link设备的IODD(IO设备描述)文件储存了设备的生产厂商、设备ID、产品型号、产品参数等信息,方便快速区分和判断设备类型

  • 预测维护,IO-Link设备提供自身运行的健康状态信息,IO-Link主站藉此跟踪设备的更换周期,以进行预防性维护

在工厂自动化功能网络中,IO-Link通讯位于执行层(包括各类传感器和执行器)和现场层之间,负责设备和主站间的信息交换,同时,IO-Link主站作为执行层和现场控制层实现信息传输的网关,真正实现了将IO-Link设备接入现场总线/工业互联网,进行传感器级的网络管理和控制。


IO-Link通讯

IO-Link技术要点

  1. IO-Link对线缆没有额外要求,因此不是现场总线,而是基于先前传感器和执行器连接技术的进一步发展

  2. IO-Link基于国际标准IEC 61131-9, 是第一个建立传感器和执行器通信的全球标准化I/O技术

  3. IO-Link可以集成到几乎所有现场总线中,具有长期可靠性,为制造商和用户提高很高的投资保护

  4. IO-Link使用M12,M8等插头和标准3线或5线传感器非屏蔽线缆,取消了开关量、模拟量输入输出、RS232等专有接口

  5. IO-Link提供4.8 kbaud, 38.4 kbaud 和 230.4 kbaud通讯速率

  6. 除了简化接口和布线外,IO-Link还集成参数配置和诊断功通道,可以获取传感器/执行器额外的数据


IO-Link发展历程

IO-Link公司社区(www.io-link.com)于2008年由41家传感器和执行器制造商建立,截至2022年,IO-Link社区已有超过350家成员,包括硬件和软件供应商邦纳作为IO-Link社区成员之一,提供包括光电、激光测距传感器、指示灯、协议转换器等IO-Link产品,助力传统传感器向智能传感器转变,从而实现工业4.0的重构制造理念。


截至2020年,IO-Link节点数量增加至2100万个,相较于2019年增加了31%. IO-Link在工业控制领域已拥有庞大的用户基础的广泛应用场景。

IO-Link系统主要由以下部分组成:

  • IO-Link主站

  • IO-Link设备

  • 非屏蔽3 – 5芯片标准线缆

  • IO-Link参数配置工具

  • 其他附件(如集线器)

IO-Link主站&设备

其中,IO-Link主站作为底层设备通往上级控制器的网关,也被称为总线/IO-Link网关,它在PLC和IO-Link设备间传递数据,通常是一种分布式I/O模块。IO-Link主站通过总线与PLC进行数据交换。由于具有现场总线中立性的特点,它允许将IO-Link功能连接到几乎所有的现场总线上。可以通过IO-Link集线器这样的设备扩展IO-Link设备连接数量,集线器只能连接到IO-Link主站上。

每个IO-Link设备都要连接到IO-Link主站的一个通道上,因此,IO-Link是点对点的通信协议,而不是总线协议。IO-Link设备分为传感器和执行器,前者通常是4针M8或M12接口,后者通常是5针M12接口。IO-Link设备针脚定义如下:

  • 针脚1:24 V电源正极

  • 针脚3:0 V

  • 针脚4:IO-Link通讯或标准IO输出(SIO)

在SIO模式下,IO-Link设备通过0 V或24 V向主站发送开启或关闭信号,在IO-Link模式下,设备和主站间通讯是双向的,采用三种通讯速率之一。C/Q 线上使用不归零 (NRZ) 的24 V脉冲进行通信,其中逻辑 0 是 C/Q 和 L- 之间的 24 V,逻辑 1 是C/Q和L-之间为0 V。在 IO-Link 模式下,引脚 2 可以在 DI 模式下作为数字输入,或在 DO 模式下作为数字输出,或未连接(NC)。

IO-Link主站和设备快插头/线缆规格由IEC 61131-9定义。主站和设备快插头类型分为A类和B类。A类快接头为4线配置,在支持3线系统(L+, L-, C/Q)的同时,第4根线可作为附加信号线(DI或DO)。B类快接头为5线配置,第5根线可为需要额外电源的设备供电。

IO-Link主站供电电压20 ~ 30 V,IO-Link设备供电电压18 ~ 30 V,上升的IO-Link信号高于13 V时,被称为高电平,下降的IO-Link信号低于8 V时,被称为低电平。

IO-Link设备作为点对点链路连接到主站上的端口,它没有网关功能。而IO-Link主站本质是一个网关,负责建立IO-Link设备同现场总线间的通讯,从而使IO-Link设备成为现场总线I/O节点,可以从控制器下载参数以设置(或重新设置)设备,免去了技术人员在车间进行初始设置,并且节省了现场设备配置时间。IO-Link输出可按需配置(如PNP, NPN或在运行过程中更改的推挽输出),减少了所需要的传感器类型。

IO-Link数据通讯是循环或非循环的,循环通讯发生在正常操作期间,如主站向传感器请求数据。非循环数据是按需提供的包含:

  • 配置或维护信息

  • 触发的事件,包含通知、警告和错误

  • 大型数据结构的服务数据

  • 用于直接读取设备参数的页面数据

IO-Link数据交换基于主从式,IO-Link主站发送请求,设备需要应答。IO-Link消息称为M序列,它是长度在1到66个UART字之间的帧。消息种类可以包含:

  • 过程数据

  • 服务数据

  • 系统管理命令/请求

IO-Link通讯使用11位UART(通用异步收发器)帧,即1个起始位 + 8个数据位 + 1个奇偶校验位 + 1个停止位。持续时间由传输速率决定。主站发起通讯后,设备必须在tA < 11位间隔内应答。

当主站首次与设备通讯或需要配置时,主站会发送1个唤醒请求,唤醒周期通常为80 us(最小值75 us,最大值85 us)。主站提供(或吸收)电流以生成唤醒脉冲,如果线路为低电平,主站将提供电流以将其拉高,反之亦然,唤醒请求通过至少500 mA的电流脉冲将C/Q线短接80 us,设备必须在500 us(TREN)内准备好进行通讯,IO-Link设备通过电路上电压变化来检测唤醒脉冲。收到唤醒请求后,IO-Link设备必须将自身配置为接收模式,该过程必须在500 us内完成。

一旦主站向设备发送了唤醒请求,主站就会通过建立通信数据来了解更多信息,主站以COM3, COM2和COM1通讯速率(从最快到最慢)发送多条信息,并在每次发送后等待设备响应。所有IO-Link设备必须支持COM1, COM2, COM3数据速率中的一种,设备将以额定数据速率响应,响应后即可开始通讯。主站最多可以重试唤醒脉冲两次,如果两次唤醒失败,设备必须将C/Q线设置为SIO模式。

所有IO-Link都必须有相应的IO-Link设备描述(IO Device Description,简称IODD),IO-Link主站通过IODD识别、配置并解释设备的数据。IODD是XML文件,由独立于IEC 61131-9的一份文件来概述。IODD包含:

  • 建立通讯的所有必要属性

  • 设备参数

  • 设备标识

  • 过程和诊断信息

  • 设备图像和制造商标志

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