你知道吗？IO-Link技术赋予“智造”无限可能的奥秘！（上）

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和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