作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了進一步提高能效、安全性、生產力并降低總體成本，向工業 4.0 或工業物聯網 (IIoT) 的轉變仍在持續進行。此項工作的關鍵是設備連接。這可能很有挑戰性，因為需要選擇合適的通信標準并設計相關接口和軟件，所有這些都會減緩智能工廠的部署。

工業自動化系統的設計人員需要一種標準、可靠、高效且更加模塊化的方法，以促進快速和經濟有效的部署。

要解決該問題，設計人員可以借助 IO-Link，這是一種用于智能工廠的成熟接口。IO-Link 是雙向、點對點的單點數字通信接口 (SDCI)，受若干標準約束，包括 IEC 61131-2、IEC 61131-9 (SDCI) 和 IO-Link 1.1.3。

本文簡要討論了向智能工廠的轉變，以及設計人員所面臨的挑戰。隨后概述了 IO-Link 的工作原理以及它如何簡化智能工廠的部署。作為示例，本文介紹了 [Analog Devices]的 [IO-Link 設備]，包括可用于替代氣動致動器并提供增強性能的從設備、帶有集成 DC/DC 轉換器的從設備以及一款主設備。本文還給出了參考設計，以便設計人員利用 IO-Link 快速實現工業致動器。

簡化向智能工廠的轉變

為了實現向智能工廠的轉變，必須能夠輕松地增加邊緣智能，以便調試、監視和重新配置傳感器與致動器。IO-Link 安裝簡單且具有雙向通信能力，能夠支持邊緣智能的部署。在一個應用實例中，IO-Link 發揮了重要作用，使設置和調試時間縮短 90%。

在實踐中，參數設置可通過 IO-Link 下載以設置或重新配置設備。這無需技術人員干預，減少了停機時間。IO-Link 具有智能診斷、錯誤檢測和數據記錄能力，可用于收集整個工廠車間的實時運行信息，從而進一步減少停機時間。

IO-Link 系統的架構由 IO-Link 主站和各種 IO-Link 設備之間的點對點連接組成。它使用標準的 M8 或 M12 連接器以及 20 m 長的三芯或四芯電纜，系統安裝非常方便。IO-Link 主設備通常有 4 或 8 個端口，每個端口連接一個 IO-Link 設備。每個端口可以在標準輸入/輸出 (SIO) 模式或雙向通信模式下工作。由于采用點對點架構，因此 IO-Link 不是現場總線，但是能夠兼容現場總線和工業以太網，可以連接到可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機界面 (HMI)（圖 1）。

圖 1：IO-Link 兼容現場總線和 IEEE工業以太網網絡。（圖片來源：IO-Link Community）

除了能在 SDCI 模式下工作外，IO-Link 還能向后兼容二進制傳感器的 IEC 60974-5-2 標準。基本的點對點通信使用三線接口（L+、C/Q 和 L-）。在 IO-Link 模式下，主設備和從設備之間雙向通信，有三種可能的傳輸速率：COM1 為 4.8 kbps，COM2 為 38.4 kbps，COM3 為 230.4 kbps（圖 2）。IO-Link 主站必須同時支持三種數據速率，以便能與任何連接的從設備進行通信。從設備只支持一種數據速率。在 C/Q 線路上以使用不歸零 (NRZ) 編碼的 24 V 脈沖進行通信。在 IO-Link 模式下，引腳 2 可以處于數字輸入 (DI) 模式、數字輸出 (DO) 模式或者不連接。IO-Link 設備（傳感器或致動器）必須在 L+ 超過 18 V 閾值后的 300 ms 內工作。

圖 2：IO-Link 采用雙向通信設計，可以支持 4.8、38.4 和 230.4 kbps 的速率。（圖片來源：）

IO-Link 設備描述

所有 IO-Link 傳感器和致動器都帶有 IO-Link 設備描述 (IODD) 文件（圖 3）。IODD 是一個 xml 文件，為 IO-Link 主站提供其需要的各種數據，以識別和配置設備并解讀設備數據。

• IODD 內容包括：
  • 支持通信所需的屬性
  • 設備參數
  • 識別信息
  • 過程和診斷信息
  • 設備和制造商徽標的圖片
• IODD 的結構在 IEC 61131-9 中單獨概述
• IO-Link 聯盟維護維護有一個集中式 IODD 文件數據庫

圖 3：IODD 是一個 xml 文件，包含 IO-Link 主站識別、配置和與每個從設備通信所需的信息。（圖片來源：Analog Devices）

數據鏈路和數據類型

IO-Link 主站和設備之間的信息交換由數據鏈路 (DL) 層管理。消息是長度為 1 到 66 個通用異步接收器發送器 (UART) 字的幀，稱為“M 序列”。消息涉及請求數據、系統管理請求和命令以及常規的過程數據。主站包括一個 DL 處理程序，負責處理錯誤和錯誤消息，并管理工作模式，如喚醒、SIO 和 COM 速率等等。當主站發出請求時，設備需要做出響應。

IO-Link 支持同步或異步通信。IO-Link 主站和設備包括用于同步通信的過程數據處理程序，以及用于事件、控制、參數和索引服務數據單元 (ISDU) 數據的異步通信的請求處理程序。異步數據根據請求提供，可以包含以下內容：

• 配置或維護信息和控制。
• 事件觸發，有三個緊急等級：
  • 錯誤
  • 警告
  • 通知
• 用于直接讀取設備參數的頁面數據
• 大型數據結構的服務數據

將 IO-Link 集成到主站和設備中可能很復雜。必須全面實施這些標準，以確保設備的互操作性和可靠的系統運行。要快速將高效、可靠的 IO-Link 通信集成到智能工廠致動器中，設計人員可以使用預先設計的主站和設備解決方案。IO-Link 設備控制器 IC 具有超低功耗驅動器和主動反極性保護，可選擇配備或不配備集成 DC/DC 轉換器。這些 IC 還帶有串行外設接口 (SPI)，支持廣泛的診斷功能。雙通道 IO-Link 主站收發器 IC 支持低功耗運行，并且具有幀處理程序、UART 和先進先出 (FIFO) 功能，可簡化微控制器 (MCU) 的選擇。

用 IO-Link 替代氣動致動器

IO-Link 支持用伺服驅動器和復雜的數字控制替代氣動致動器，從而輕松顛覆了傳統的過程控制方法，提高了工廠的運行效率。例如，設計人員可以借助 [MAXREFDES37#] IO-Link 伺服驅動器參考設計加快產品上市時間（圖 4）。該參考設計提供 5 V 電源，包含 4 個脈沖寬度調制 (PWM) 輸出，另有 4 個數字輸入，可控制最多 4 個伺服電機。

該板包括一個 M12-4 連接器，用于連接到 IO-Link 主站。3 引腳排針支持快速連接到標準 5 V 伺服電機，基本參考設計包含一個這樣的電機。利用插入式端子塊實現與 5 V 數字輸入、電源接地和所有 4 個 PWM 通道的連接。參考設計包括 Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE) 的 IO-Link 設備棧。MAXREFDES37# 可與 [MAXREFDES277]雙通道 IO-Link 主站搭配使用，后者為 Pmod 外形尺寸，包含圖形用戶界面 (GUI) 程序，便于用 Windows PC 進行驗證。

圖 4：MAXREFDES37# 帶有 M12 連接器（左）以連接到 IO-Link 主站，并配有伺服電機（右）。（圖片來源：Analog Devices）

MAXREFDES37# 集成了 [MAX14821ETG+T] IO-Link 收發器 IC 和 [MAX17504ATP+T]降壓穩壓器 DC/DC IC。MAX14821ETG+T 收發器可與 IO-Link 設備和 24 V 二進制傳感器或致動器搭配使用。它支持所有指定的 IO-Link 數據速率，C/Q 和 DO 驅動器的灌電流或拉電流可高達 100 mA。該收發器運行 DL 層協議，用于與微控制器單元 (MCU) 連接。兩個內部線性穩壓器可提供 5 V 和 3.3 V 直流電 (VDC)，以為傳感器和致動器供電。它還包括 24 V 數字輸入和輸出。集成 DO 和 C/Q 驅動器可單獨配置為推挽式、低壓側 (NPN) 或高壓側 (PNP) 工作模式。該收發器可以通過 SPI 進行配置和監控。

板載 MAX17504 同步整流降壓 DC/DC 轉換器可在 4.5 至 60 VDC 輸入電壓范圍內工作。該轉換器的輸出電壓范圍為 0.9 V 至輸入電壓的 90%，可提供高達 3.5 A 的電流。在 -40 至 +125 ℃ 范圍內的調節精度為 ±1.1%。峰值效率大于 90%，關斷電流為 2.8 μA。

適用于帶有集成 DC/DC 的主站或設備的收發器

IO-Link 主站和設備的設計人員可以選擇 [MAX22514]。該收發器集成度高（包含 1 個 DC/DC 降壓穩壓器、2 個線性穩壓器和集成浪涌保護），功耗低，并且提供晶圓級封裝 (WLP)（2.5 mm × 2.6 mm）和薄型四方扁平封裝 (TQFN)（4 mm × 5 mm）選擇，因此非常適合空間受限的工業 IO-Link 應用（圖 5）。

例如，零件編號為 [MAX22514AWA+] 的產品采用 WLP 封裝。該產品的 SPI 支持配置和診斷，它還支持 COM1、COM2 和 COM3 數據速率。

圖 5：MAX22514 收發器集成度高，適用于 IO-Link 主站和設備。（圖片來源：Analog Devices）

為了縮減開發時間，設計人員可以借助參考設計，如 [MAXREFDES278#]。這是一款基于 MAX22514 IO-Link 收發器的 8 通道螺線管致動器參考設計，展示了集成場效應晶體管 (FET) 的 1 A 八路集成串行控制螺線管驅動器 [MAX22200]。該參考設計集成了一個 DC/DC 降壓穩壓器。它包括兼容 Windows 的軟件，該軟件提供圖形用戶界面 (GUI)，用于探索 MAX22514 的特性。評估板通過 USB-A 轉 micro-B 線纜連接到 PC。

雙通道主站

當需要雙通道 IO-Link 主站時，設計人員可以采用包含兩個輔助數字輸入通道的 [MAX14819ATM+]收發器。它集成了 IO-Link 成幀器，因而不再需要外部 UART，而集成的周期定時器使 MCU 無需處理時序關鍵型任務。該收發器可與 [MAX14931FAWE+]和 [MAX12930EASA+T]數字隔離器搭配使用。MAX14931FAWE+ 有 4 個通道，用于單向傳輸數字信號。MAX12930EASA+T 有 2 個用于數據傳輸的通道。[MAX14819EVKIT#]評估套件可用于 MAX14819A，該套件包括 MAX14931 和 MAX12930 數字隔離器（圖 6）。

圖 6：MAX14819EVKIT# 雙通道 IO-Link 主站評估套件包括 MAX14819 收發器以及 MAX12930 和 MAX14931 數字隔離器。（圖片來源：Analog Devices）

總結

為了從 IIoT 和工業 4.0 獲益，需要快速且低成本地部署傳感器和致動器。為此，IO-Link 為工業自動化系統設計人員提供了一種標準、可靠、高效、模塊化的方法。如前所述，借助現成即用的元器件，設計人員可以利用 IO-Link 在邊緣增加智能，以調試、監視和重新配置傳感器與致動器。