如何利用 IO-Link 提高智能工厂致动器的生产力

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

为了进一步提高能效、安全性、生产力并降低总体成本，向工业 4.0 或工业物联网 (IIoT) 的转变仍在持续进行。此项工作的关键是设备连接。这可能很有挑战性，因为需要选择合适的通信标准并设计相关接口和软件，所有这些都会减缓智能工厂的部署。

工业自动化系统的设计人员需要一种标准、可靠、高效且更加模块化的方法，以促进快速和经济有效的部署。

要解决该问题，设计人员可以借助 IO-Link，这是一种用于智能工厂的成熟接口。IO-Link 是双向、点对点的单点数字通信接口 (SDCI)，受若干标准约束，包括 IEC 61131-2、IEC 61131-9 (SDCI) 和 IO-Link 1.1.3。

本文简要讨论了向智能工厂的转变，以及设计人员所面临的挑战。随后概述了 IO-Link 的工作原理以及它如何简化智能工厂的部署。作为示例，本文介绍了 [Analog Devices]的 [IO-Link 设备]，包括可用于替代气动致动器并提供增强性能的从设备、带有集成 DC/DC 转换器的从设备以及一款主设备。本文还给出了参考设计，以便设计人员利用 IO-Link 快速实现工业致动器。

简化向智能工厂的转变

为了实现向智能工厂的转变，必须能够轻松地增加边缘智能，以便调试、监视和重新配置传感器与致动器。IO-Link 安装简单且具有双向通信能力，能够支持边缘智能的部署。在一个应用实例中，IO-Link 发挥了重要作用，使设置和调试时间缩短 90%。

在实践中，参数设置可通过 IO-Link 下载以设置或重新配置设备。这无需技术人员干预，减少了停机时间。IO-Link 具有智能诊断、错误检测和数据记录能力，可用于收集整个工厂车间的实时运行信息，从而进一步减少停机时间。

IO-Link 系统的架构由 IO-Link 主站和各种 IO-Link 设备之间的点对点连接组成。它使用标准的 M8 或 M12 连接器以及 20 m 长的三芯或四芯电缆，系统安装非常方便。IO-Link 主设备通常有 4 或 8 个端口，每个端口连接一个 IO-Link 设备。每个端口可以在标准输入/输出 (SIO) 模式或双向通信模式下工作。由于采用点对点架构，因此 IO-Link 不是现场总线，但是能够兼容现场总线和工业以太网，可以连接到可编程逻辑控制器 (PLC) 和人机界面 (HMI)（图 1）。

图 1：IO-Link 兼容现场总线和 IEEE工业以太网网络。（图片来源：IO-Link Community）

除了能在 SDCI 模式下工作外，IO-Link 还能向后兼容二进制传感器的 IEC 60974-5-2 标准。基本的点对点通信使用三线接口（L+、C/Q 和 L-）。在 IO-Link 模式下，主设备和从设备之间双向通信，有三种可能的传输速率：COM1 为 4.8 kbps，COM2 为 38.4 kbps，COM3 为 230.4 kbps（图 2）。IO-Link 主站必须同时支持三种数据速率，以便能与任何连接的从设备进行通信。从设备只支持一种数据速率。在 C/Q 线路上以使用不归零 (NRZ) 编码的 24 V 脉冲进行通信。在 IO-Link 模式下，引脚 2 可以处于数字输入 (DI) 模式、数字输出 (DO) 模式或者不连接。IO-Link 设备（传感器或致动器）必须在 L+ 超过 18 V 阈值后的 300 ms 内工作。

图 2：IO-Link 采用双向通信设计，可以支持 4.8、38.4 和 230.4 kbps 的速率。（图片来源：）

IO-Link 设备描述

所有 IO-Link 传感器和致动器都带有 IO-Link 设备描述 (IODD) 文件（图 3）。IODD 是一个 xml 文件，为 IO-Link 主站提供其需要的各种数据，以识别和配置设备并解读设备数据。

• IODD 内容包括：
  • 支持通信所需的属性
  • 设备参数
  • 识别信息
  • 过程和诊断信息
  • 设备和制造商徽标的图片
• IODD 的结构在 IEC 61131-9 中单独概述
• IO-Link 联盟维护维护有一个集中式 IODD 文件数据库

图 3：IODD 是一个 xml 文件，包含 IO-Link 主站识别、配置和与每个从设备通信所需的信息。（图片来源：Analog Devices）

数据链路和数据类型

IO-Link 主站和设备之间的信息交换由数据链路 (DL) 层管理。消息是长度为 1 到 66 个通用异步接收器发送器 (UART) 字的帧，称为“M 序列”。消息涉及请求数据、系统管理请求和命令以及常规的过程数据。主站包括一个 DL 处理程序，负责处理错误和错误消息，并管理工作模式，如唤醒、SIO 和 COM 速率等等。当主站发出请求时，设备需要做出响应。

IO-Link 支持同步或异步通信。IO-Link 主站和设备包括用于同步通信的过程数据处理程序，以及用于事件、控制、参数和索引服务数据单元 (ISDU) 数据的异步通信的请求处理程序。异步数据根据请求提供，可以包含以下内容：

• 配置或维护信息和控制。
• 事件触发，有三个紧急等级：
  • 错误
  • 警告
  • 通知
• 用于直接读取设备参数的页面数据
• 大型数据结构的服务数据

将 IO-Link 集成到主站和设备中可能很复杂。必须全面实施这些标准，以确保设备的互操作性和可靠的系统运行。要快速将高效、可靠的 IO-Link 通信集成到智能工厂致动器中，设计人员可以使用预先设计的主站和设备解决方案。IO-Link 设备控制器 IC 具有超低功耗驱动器和主动反极性保护，可选择配备或不配备集成 DC/DC 转换器。这些 IC 还带有串行外设接口 (SPI)，支持广泛的诊断功能。双通道 IO-Link 主站收发器 IC 支持低功耗运行，并且具有帧处理程序、UART 和先进先出 (FIFO) 功能，可简化微控制器 (MCU) 的选择。

用 IO-Link 替代气动致动器

IO-Link 支持用伺服驱动器和复杂的数字控制替代气动致动器，从而轻松颠覆了传统的过程控制方法，提高了工厂的运行效率。例如，设计人员可以借助 [MAXREFDES37#] IO-Link 伺服驱动器参考设计加快产品上市时间（图 4）。该参考设计提供 5 V 电源，包含 4 个脉冲宽度调制 (PWM) 输出，另有 4 个数字输入，可控制最多 4 个伺服电机。

该板包括一个 M12-4 连接器，用于连接到 IO-Link 主站。3 引脚排针支持快速连接到标准 5 V 伺服电机，基本参考设计包含一个这样的电机。利用插入式端子块实现与 5 V 数字输入、电源接地和所有 4 个 PWM 通道的连接。参考设计包括 Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE) 的 IO-Link 设备栈。MAXREFDES37# 可与 [MAXREFDES277]双通道 IO-Link 主站搭配使用，后者为 Pmod 外形尺寸，包含图形用户界面 (GUI) 程序，便于用 Windows PC 进行验证。

图 4：MAXREFDES37# 带有 M12 连接器（左）以连接到 IO-Link 主站，并配有伺服电机（右）。（图片来源：Analog Devices）

MAXREFDES37# 集成了 [MAX14821ETG+T] IO-Link 收发器 IC 和 [MAX17504ATP+T]降压稳压器 DC/DC IC。MAX14821ETG+T 收发器可与 IO-Link 设备和 24 V 二进制传感器或致动器搭配使用。它支持所有指定的 IO-Link 数据速率，C/Q 和 DO 驱动器的灌电流或拉电流可高达 100 mA。该收发器运行 DL 层协议，用于与微控制器单元 (MCU) 连接。两个内部线性稳压器可提供 5 V 和 3.3 V 直流电 (VDC)，以为传感器和致动器供电。它还包括 24 V 数字输入和输出。集成 DO 和 C/Q 驱动器可单独配置为推挽式、低压侧 (NPN) 或高压侧 (PNP) 工作模式。该收发器可以通过 SPI 进行配置和监控。

板载 MAX17504 同步整流降压 DC/DC 转换器可在 4.5 至 60 VDC 输入电压范围内工作。该转换器的输出电压范围为 0.9 V 至输入电压的 90%，可提供高达 3.5 A 的电流。在 -40 至 +125 ℃ 范围内的调节精度为 ±1.1%。峰值效率大于 90%，关断电流为 2.8 μA。

适用于带有集成 DC/DC 的主站或设备的收发器

IO-Link 主站和设备的设计人员可以选择 [MAX22514]。该收发器集成度高（包含 1 个 DC/DC 降压稳压器、2 个线性稳压器和集成浪涌保护），功耗低，并且提供晶圆级封装 (WLP)（2.5 mm × 2.6 mm）和薄型四方扁平封装 (TQFN)（4 mm × 5 mm）选择，因此非常适合空间受限的工业 IO-Link 应用（图 5）。

例如，零件编号为 [MAX22514AWA+] 的产品采用 WLP 封装。该产品的 SPI 支持配置和诊断，它还支持 COM1、COM2 和 COM3 数据速率。

图 5：MAX22514 收发器集成度高，适用于 IO-Link 主站和设备。（图片来源：Analog Devices）

为了缩减开发时间，设计人员可以借助参考设计，如 [MAXREFDES278#]。这是一款基于 MAX22514 IO-Link 收发器的 8 通道螺线管致动器参考设计，展示了集成场效应晶体管 (FET) 的 1 A 八路集成串行控制螺线管驱动器 [MAX22200]。该参考设计集成了一个 DC/DC 降压稳压器。它包括兼容 Windows 的软件，该软件提供图形用户界面 (GUI)，用于探索 MAX22514 的特性。评估板通过 USB-A 转 micro-B 线缆连接到 PC。

双通道主站

当需要双通道 IO-Link 主站时，设计人员可以采用包含两个辅助数字输入通道的 [MAX14819ATM+]收发器。它集成了 IO-Link 成帧器，因而不再需要外部 UART，而集成的周期定时器使 MCU 无需处理时序关键型任务。该收发器可与 [MAX14931FAWE+]和 [MAX12930EASA+T]数字隔离器搭配使用。MAX14931FAWE+ 有 4 个通道，用于单向传输数字信号。MAX12930EASA+T 有 2 个用于数据传输的通道。[MAX14819EVKIT#]评估套件可用于 MAX14819A，该套件包括 MAX14931 和 MAX12930 数字隔离器（图 6）。

图 6：MAX14819EVKIT# 双通道 IO-Link 主站评估套件包括 MAX14819 收发器以及 MAX12930 和 MAX14931 数字隔离器。（图片来源：Analog Devices）

总结

为了从 IIoT 和工业 4.0 获益，需要快速且低成本地部署传感器和致动器。为此，IO-Link 为工业自动化系统设计人员提供了一种标准、可靠、高效、模块化的方法。如前所述，借助现成即用的元器件，设计人员可以利用 IO-Link 在边缘增加智能，以调试、监视和重新配置传感器与致动器。