IO-Link概述

什么是IO-Link？

什么是IO-Link

IO-Link是一种用于工业自动化领域的数字通信协议，最早由西门子提出，现在已经成为了国际标准，旨在实现工业设备和控制系统之间的连接和通信。它允许传感器、执行器和其他工业设备与控制器(如PLC等)之间进行双向通信，以便实时传输数据和控制信号。

IO-Link是一种串行通信协议(类似I2C总线)，是工业自动化控制器与工业执行设备或工业传感器之间的一种通信协议，是实现通信网络到现场的“最后几英尺”技术标准。

为什么需要IO-Link？

之所以需要IO-Link技术是因为有以下技术优势：

• 实时数据传输和控制：在工业自动化中，实时数据传输对于设备的准确控制和监测至关重要。IO-Link技术提供了高速、可靠的数字通信通道，使传感器和执行器能够快速地将数据传输到控制系统，从而实现实时控制和监测；
• IO-Link允许双向通信：不仅能够从控制系统接收指令和配置信息，还可以将参数和状态信息传输回控制系统。这种智能化使得设备能够适应不同的生产需求和工作条件，从而提高生产线的灵活性；
• 简化安装和维护：IO-Link设备可以通过数字通信进行参数化和配置，这样可以减少人工干预和错误，简化了设备的安装和维护过程。此外，IO-Link还可以传输诊断信息，帮助工程师快速识别和解决问题，减少停机时间；
• 故障诊断和预测维护：IO-Link传输的诊断信息可以帮助企业进行故障诊断，及时发现和解决问题，从而减少生产中断和损失。此外，通过监测设备的状态和性能数据，可以实现预测性维护，提前预防设备故障，进一步提高生产效率；
• 标准化和互操作性：IO-Link是一种国际标准化的通信协议，不同厂家的设备都遵循相同的通信标准，从而实现不同设备之间的互操作性。这使得企业可以更灵活地选择和集成不同厂家的设备而不必担心兼容性问题。

IO-Link的发展

IO-Link节点数量近年来呈指数级规模上升，在2017年节点数量就已经达到了600万

传统的传感器采集方式

传感器的模式

传统的数据采集传感器有两种：

1. 模拟传感器：通过A/D转换把模拟传感器的值转换成数字值，通过微处理器uP读取数字值，再通过D/A方式转换成模拟信号传递给PLC，PLC通过A/D转换器重新转换成数字信号，PLC的微处理器读取数字值，获取传感器信息；
2. 二进制数字传感器：在传感器和PLC之间通过DO、DI传递二进制的数字电平信号。

单端口二进制数字传感器驱动器

首先什么是传感器驱动器？有什么功能？

传感器驱动器（Sensor Driver）是一种软件或硬件组件，用于控制和操作传感器设备，使其能够正常工作并与其他系统进行通信。传感器驱动器的作用是将传感器产生的物理量转换为数字信号，然后将这些信号传递给上层应用程序或系统进行处理、分析和决策。

二进制数字传感器、驱动器的作用：

• 信号适配：二进制数字传感器可能产生特定的数字信号表示不同的状态或事件，如开关状态、按钮按下等。传感器驱动器将这些信号适配为其他系统可以读取和理解的电信号，如电压等；
• 信号放大或衰减：有时传感器输出的信号可能需要放大或衰减以适应后续电路的要求，传感器驱动器可以实现信号放大或衰减，以确保精确的信号传递；
• 电气隔离：为了隔离传感器和其他电路之间的噪声或干扰，传感器驱动器可以提供电气隔离，以确保传感器信号的准确性和稳定性；
• 信号滤波：传感器可能受到环境噪声的影响，传感器驱动器可以提供滤波功能帮助消除这些噪声，提供更可靠的信号；
• 逻辑转换：一些数字传感器的输出信号可能需要进行逻辑转换，例如将信号翻转或者将多个信号进行整个。传感器驱动器可以执行这些逻辑转换操作；
• 传感器供电：一些数字传感器可能需要外部供电才能正常工作，传感器驱动器可以为传感器提供适当的电源电压；
• 接口兼容性：传感器驱动器可以提供各种接口选项，以便将传感器连接到不同类型的系统或设备，如模拟信号、数字信号、串行通信等。

单端口二进制数字传感器驱动器的缺点：

1. 数据传输是单向的读操作，如果需要控制操作怎么办？
2. 数据只有两个状态：0/1，如果要传输更多的信息怎么办？

IO设备系统

IO-Link传感器无测量值偏差

传统模拟量信号(温度、压力...)传输需要经过模拟量、数字量的相互转化，转化过程会有数据差异，影响数据结果精度

IO-Link连接时，测量值从传感器以数字化方式直接传输到控制器，这就保证了传输的数据值始终与测量值完全一致。

IO-Link连接也避免了传统模拟量传输易受周围电磁干扰的问题。

IO-Link网络的组成

IO-Link主站模块(Master)+GSD文件

IO-Link端口：指定用于连接IO-Link设备的物理终端/连接器或逻辑通道，每个通道可以汇聚多个IO-Link终端设备。具有8个多功能主端口的紧凑型IO-Link主站模块是点对点的连接终端IO-Link设备的最智能的方式，这种方式取代了复杂的布线和昂贵的接线盒。

IO-Link Hubs(Hub)

通过IO-Link hubs，可以轻松地使用标准的传感器线缆将多个数字传感器和执行器连接到单个IO-Link主端口。IO-Link hubs有助于最大限度地减少机器和系统的停机时间。单个通道诊断会自动传输到控制系统。无需配置。如果发生错误，则仅关闭Hubs的受影响通道。

IO-Link终端设备(Device)+IODD文件

IO-Link可以用于各种终端设备：

• 传感器：温度、压力、光电、流量...IO-Link传感器可以提供数字化的传感器数据，支持远程配置和监控；
• 执行器：电磁阀、电机驱动器、伺服驱动器...通过IO-Link这些执行器可以进行远程控制、监控和诊断；
• 模拟-数字转换器(ADC/DAC)：通过连接数字-模拟转换器可以从IO-Link网络中输出模拟信号；
• 标识设备：如RFID读写器、条码扫描器等以实现物体识别和追踪功能；
• ... ...

IO-Link数模转换器

使用IO-Link数模转换器可以轻松将模拟量传感器和执行器连接到IO-Link主站，使传统的模拟量设备连接到IO-Link主站。

虽然，许多传感器和执行器是为IO-Link应用而设计的数字传感器，但传统的模拟量传感器和执行器仍需集成到安装概念中。IO-Link模拟量转换器是将IO-Link的优势整合到传统模拟量传感器中的最快、最简单、最经济的方法。它们将模拟量信号转换为IO-Link协议标准的数字信号，从而可以将各种不同类型的模拟量设备连接到IO-Link主站。

IO-Link互联总线(统一接线标准)

IO-Link连接使用以下3种不同的连接器类型：

1. 信号线：连接主站与Hub或IO-Link终端设备，IO-Link的物理层信号发生在信号线上(标准三芯线)。
2. 数据线：把主站连接到上一级控制设备上，如以太网设备。
3. 电力线：为主站提供高电流。

LO-Link统一接线标准：

• IO-Link Master只需要标准3芯电缆即可连接所有的IO-Link设备
• 数字量开关信号、模拟量信号都可以通过该3芯电缆完成与上位控制器的数据通信
• 预测：未来所有的模拟量、RS232、RS485都将被IO-Link取代

IO-Link传感器规范

IO-Link传感器=IO-Link传感器(带有IO-Link接口和logo)+IODD设备描述文件+制造商声明

IO-Link在工业互联中的位置

信息流到网络的“最后1米”

IO-Link通讯

通讯接口与数据类型

Type A和Type B有什么区别？

IO-Link的主站和从站设备之间通过物理连线进行通信，主设备与从设备通过电缆进行物理连接，其中包括电源线、数据线和信号线。传统的IO传感器/执行器信号由主站设备在标准IO(SIO)模式下周期性地收集。如上图所示，Pin1-Pin4是IO-Link设备之间的物理连线引脚，各引脚功能如下表所示：

针脚	信号	描述
Pin1	L+	24V高电平
Pin2
Pin3	L-	地线
Pin4	C/Q	数据+开关信号

数据通过Pin4引脚，以24V脉冲调制的串行UART协议进行通信，传输的数据类型包括过程型数据，参数、诊断等服务型数据。

IO-Link设备间的通信速率取决于所连接的IO-Link设备，有三种模式：

• 4.8KBaud(COM1)
• 38.4KBaud(COM2)
• 230.4KBaud(COM3)

IO-Link的数据类型如下表所示：

• 过程数据：最常见的数据类型，用于传输传感器测量的实际物理量，如温度、压力、流量等的测量值。过程数据通常用于监测和控制应用；
• 服务数据：
  • 参数配置数据包：用于设置和配置IO-Link设备的参数，如采样频率、工作模式、阈值等。主设备可以发送配置数据包来修改设备的行为和功能；
  • 诊断数据包：用于传输设备的诊断信息，包括错误代码、警告信息、故障状态等。这些数据包可以帮助系统进行故障诊断和维护；
  • 标识数据包：用于传输设备的唯一标识、生产信息等(放置假冒商品流通)。这些数据可以帮助系统识别和管理不同的设备；
  • 状态数据包：传输设备的运行状态、运行时间(技术支持时间记录)、告警信息、状态变化等信息；
  • 设备功能数据包：传输设备的功能和特性信息，例如支持的工作模式、数据格式等等；
• 标准IO：传输事件触发信号，例如设备到达某个状态或条件时触发的事件。

IODD文件

IODD文件的重要性

• 每一个IO-Link设备都需要提供一个IODD文件
• IODD由设备供应商创建的文件集和标准定义文件集组成
• IODD包含了有关设备标识、通信特性、参数、过程数据和诊断数据等信息
• IO-Link工具结合来自两组文件的信息来获得完整的设备描述
• IO-Link工具用于基于IODD的IO-Link设备的参数化和诊断

IODD规范解读(V1.1)

• IODD是一组正式描述IO-Link设备的文件(XML和PNG)
• 文件集由主要的IODD文件，可选的语言文件和可选的图片文件组成
• IODD可能包含其他语言的文本，其他语言可以存储在单独的文件中
• 图片文件格式必须为PNG，所引用的图像文件可以存储在单独的文件中

IODD文件在编写完成之后必须要经过IO-Link官方提供的检查器检查通过才能发布。

IODD主文件包含有关设备标识、通信特性、参数、过程数据和诊断数据的信息。

IODD主文件包含以下元素：

• 文件信息(DocumentInfo)
• 头文件(ProfileHeader)
• 主文件(ProfileBody)
• 通信网络(CommNetworkProfile)
• 外部文件集合(ExternalTextCollection)
• 标志(Stamp)

IODD生成及工具

TEC：IODD Designer

• V1.0/V1.1版本兼容
• 无需XML相关知识
• 集成调用IODD Checker功能
• IODD文件导入功能
• 工作状态的存储

IO -Link设备开发与测试

IO-Link设备开发

应用定义：

1. 执行器或传感器功能
2. 定义循环数据(过程数据)
3. IO-Link设备功能(参数、事件、系统命令、数据存储)

MCU选择：

• COM2：建议8位处理器
• COM3：建议16位，如Cortex-MO或更高等级的
• 典型性能参数：
  • -6-15Mhz
  • -Flash，+/- 16kByte
  • -RAM，+/- 0.5kByte
  • 电流消耗，<10mA

PHY芯片选择：

• 两种典型PHY芯片
  • 基本功能
    • 自动唤醒请求侦测WURQ Detection
    • RX，TX C/Q
    • TX enable
    • all com speeds, Hi-side, Low-side, Push-Pull output
  • 集成帧处理
    • SPI，I2C
    • UART
• 附加功能
  • LDO，DC/DC converter
  • Temperature sensor
  • Reverse polarity protection
  • RC oscillator /PLL as crystal replacement
  • Swiching modes NPN, PNP, Push-Pull...
  • Hot swap, Line protection...

什么是PHY芯片？

PHY芯片全称为物理层(Physical Layer)芯片，是指计算机网络中用语处理物理层通信的集成电路芯片。物理层是指计算机网络体系结构中的一层，负责处理数据的物理传输和电信号转换，将逻辑数据转化为适合传输的信号形式，以便在网络中传输。PHY芯片通常用于连接计算机、服务器、路由器、交换机和其他网络设备，起到实现数据链路之间的物理传输的作用。

PHY芯片在各种网络协议中都有应用，其中一些常见的包括：

• 以太网PHY芯片：用于以太网通信，负责将数据帧转化为适当的电信号以在以太网中传输。
• USB PHY芯片：用于USB(Universal Serial Bus)接口，负责将USB设备的数据传输和电信号转换
• PCie PHY芯片：用于PCI Express接口，负责处理PCIe设备之间的高速数据传输
• 无线通信PHY芯片：在无线通信中，如WiFi、蓝牙、移动通信等。PHY芯片负责将数据转化为无线信号，以及将无线信号转化为数字数据
• 光纤通信PHY芯片：用于光纤通信，负责将数据转化为光信号在光纤中传输

一致性测试

为什么要进行一致性测试？

• 发布MD之前必须进行一致性测试
• IO-Link质量工作组负责起草、维护
• 文件详细描述了主站、设备测试技术规范
• 包含了测试用设备信息规范
• 文件获取，IO-Link官网

测试项目：

• Physical layer test：物理层测试需要电子设备，通常手动操作
• Protocol test：协议测试应使用经IO-Link技术委员会批准的协议测试系统进行
• EMC test：EMC测试在IO-Link接口规范中有规定，可提供专用的电磁兼容测试设备

下图展示了一致性测试的整个流程：

不同总线下的IO-Link配置

IO-Link与总线系统的关系

由上图可以看到，IO-Link并不影响系统总线，相反，IO-Link弥补了控制器到传感器、执行器的“最后一公里”的历程，和总线并不是竞争关系，而是使整个系统更加集成、更加规范。

• IO-Link不依赖于现有的总线技术，可以集成到现有的总线技术中
• 采用标准的M12、M8接口，3芯、5芯线缆
• 统一接口，可传输DI、DO、模拟量等信号

IO-Link配置总结

• IO-Link兼容主流的总线协议
• IO-Link系统组件简单，易于搭建，对通讯线缆要求低
• 不同总线下的配置类似，根据从站所需输入、输出过程数据大小即可实现通讯
• IO-Link通讯诊断易于实现
• IO-Link通讯可以轻松获取设备的各类数据，便于维护、监控