解讀IO-Link 1.1版的三個(gè)全新特性

幾十年來IO-Link被廣泛運(yùn)用于工業(yè)I/O，而近些年來應(yīng)用更是飛速激增。正如Digi-Key文章《比較IO-Link1.0和1.1》所解釋那樣，國(guó)際電工委員會(huì)IEC 61131-9開放標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)有IO-Link)給自動(dòng)化組件賦予了易于使用的連接能力。這是一個(gè)單滴數(shù)字通信接口 (SDCI)，能夠?qū)⒎Q作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或次設(shè)備的小型傳感器和執(zhí)行器聯(lián)網(wǎng)到IO-Link控制器中樞或主設(shè)備，然后再進(jìn)一步連接到自動(dòng)化裝置的其余部分。IO-Link的優(yōu)勢(shì)之一就是允許使用普通的非屏蔽電纜(可長(zhǎng)至20m，有3至5股導(dǎo)線)實(shí)現(xiàn)連接。

本文會(huì)將更多篇幅放在解釋1.1版的三個(gè)全新IO-Link特性上：

IO-Link 1.1允許數(shù)據(jù)備份，因此工廠人員可以保存并重復(fù)使用設(shè)備參數(shù)

IO-Link 1.1可以處理的數(shù)據(jù)寬度可達(dá)每端口32字節(jié)

IO-Link 1.1允許IO-Link 1.1主設(shè)備實(shí)現(xiàn)230.4千波特?cái)?shù)據(jù)速率

IO-Link 1.1作為參數(shù)分配服務(wù)器

IO-Link組件的控制集成是通過配置軟件來完成的，利用了與每個(gè)IO-Link組件關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)化IO設(shè)備描述 (IODD) 文件。這些IODD文件(存放組件型號(hào)、工作范圍、支持診斷功能的數(shù)據(jù)和顯示在HMI和GUI上的符號(hào))是由組件制造商提供的.xml文件，通過其自有網(wǎng)站和ioddfinder.io-link.com支持IO-Link V1.0和V1.1。

IO-Link 1.1的最新更新增加了一些IO-Link 1.1主設(shè)備的能力，使之能夠在本地存儲(chǔ)IODD文件和補(bǔ)充數(shù)據(jù)——以便為網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備提供參數(shù)分配服務(wù)器功能。在此功能推出之前(以及在傳統(tǒng)的IO-Link裝置中)，最終用戶更換新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或換用其它設(shè)備時(shí)，必須先對(duì)該設(shè)備進(jìn)行配置——通常是將其插入PC的USB端口并通過軟件手動(dòng)執(zhí)行設(shè)置。

1.1版在這一方面改進(jìn)的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是，最終用戶現(xiàn)在可以(在許多情況下)熱插拔來自不同制造商的同等IO-Link邊緣設(shè)備——使得基本可互換設(shè)備選擇大為增加。當(dāng)需要對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)線上故障或損壞的傳感器進(jìn)行緊急更換時(shí)，這就特別有用。

IO-Link 1.1更高通信速度的具體細(xì)節(jié)

IO-Link 1.1版另一新功能就是COM3——速率支持更先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備功能的通信模式。COM3SDCI通信模式的指定數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)230.4kb/s(或者本文所說的230.4千波特)。這意味著最新的IO-Link迭代 (1.1.3) 改進(jìn)解決了最后一個(gè)對(duì)IO-Link的爭(zhēng)議之處——即該標(biāo)準(zhǔn)沒有足夠的速度適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化需要。

具體來說，1.1.3加入了支持實(shí)時(shí)通信的周期時(shí)間，現(xiàn)在可以周期性地發(fā)送上一篇關(guān)于此主題的Digi-Key文章中所述的過程數(shù)據(jù)，某些情況下甚至可以達(dá)到亞毫秒級(jí)。發(fā)送過程數(shù)據(jù)所需要的實(shí)時(shí)帶寬(以每秒千字節(jié)(kB/s) 計(jì))取決于主設(shè)備從其請(qǐng)求消息所花費(fèi)的時(shí)間、通信方向上的開關(guān)延遲、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備響應(yīng)所花費(fèi)的時(shí)間以及另一通信方向上的開關(guān)延遲。

如果掌握一些實(shí)際微控制器電路(某些情況下是獨(dú)立式 IC)背景知識(shí)，就會(huì)理解IO-Link組件是如何進(jìn)行這些通信的。在主設(shè)備及其現(xiàn)場(chǎng)次設(shè)備中，會(huì)有稱作通用異步收發(fā)傳輸器 (UART) 的電路，將數(shù)據(jù)打包或組幀到數(shù)據(jù)包中發(fā)送出去。這些幀有11位長(zhǎng)——一位用作通信開始位，八位(在IO-Link規(guī)范和官方文獻(xiàn)中亦稱一個(gè)八位字節(jié))用于承載實(shí)際過程數(shù)據(jù)，另外兩位用作通信奇偶校驗(yàn)和停止位。

按照2019年6月IO Link 1.1.3規(guī)范表9規(guī)定，用IO-Link COM3布局發(fā)送每個(gè)位只需4.34微秒。該時(shí)間加上主設(shè)備和次設(shè)備中數(shù)據(jù)包間的延遲(分別為最高4.34微秒和該值三倍)，以及4.34微秒至43.0微秒的通信方向開關(guān)延遲，使得最壞情況下數(shù)據(jù)傳輸速率也是亞毫秒級(jí)的，而這對(duì)于苛刻的工業(yè)應(yīng)用來說仍是完全足夠的。

通配符(對(duì)實(shí)時(shí)帶寬有很大影響)是為 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)選擇的消息序列類型。不同序列類型針對(duì)不同數(shù)據(jù)量的非周期性或請(qǐng)求式數(shù)據(jù)傳輸。因此，如要估計(jì)IO-Link布局的實(shí)時(shí)帶寬，就必須計(jì)算系統(tǒng)消息發(fā)送所容許的過程數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)的兩者數(shù)據(jù)量。有些類型定義了固定的過程和非周期性請(qǐng)求式八位字節(jié)值，而另一些類型則讓供應(yīng)商或用戶設(shè)置1到32的過程數(shù)據(jù)八位字節(jié)值，非周期性數(shù)據(jù)八位字節(jié)值則設(shè)置為1、2、8或32。簡(jiǎn)而言之，系統(tǒng)需要移動(dòng)的數(shù)據(jù)越少，周期時(shí)間就可以越快。

通過分析上述因素后就可以得出實(shí)時(shí)帶寬——即發(fā)送的過程數(shù)據(jù)(以千位計(jì))除以總計(jì)算周期時(shí)間(以千位每秒計(jì))。例如，當(dāng)只有一個(gè)非周期數(shù)據(jù)八位字節(jié)(記為18)和32個(gè)過程數(shù)據(jù)八位字節(jié)(記為32·8)時(shí)，周期時(shí)間只有幾毫秒，而帶寬會(huì)超過100千位每秒。

所有新型IO-Link 1.1主設(shè)備均支持COM3和采用此數(shù)據(jù)速度的自動(dòng)化組件——自動(dòng)適應(yīng)其所連接的次設(shè)備所使用的速率。實(shí)際上，讓具有不同周期時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備從一個(gè)主設(shè)備上運(yùn)行，以允許使用不同復(fù)雜程度的傳感器和執(zhí)行器，以及進(jìn)行增量式設(shè)計(jì)升級(jí)，是很常見的。采用COM3的230.4千波特?cái)?shù)據(jù)速率的執(zhí)行器(通常采用本文下一節(jié)所述的B類端口布局)包括液壓傳動(dòng)和機(jī)電組件——?dú)鈩?dòng)閥門、直線氣缸、歧管以及基于步進(jìn)電機(jī)的小型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。最常使用COM3的傳感器包括位置和位移傳感器以及顏色、溫度和壓力傳感器，所有這些傳感器在過程控制中最常見。選擇機(jī)械開關(guān)也會(huì)利用這個(gè)COM3通信模式。

IO-Link 1.1物理連接(包括數(shù)據(jù)端口)

現(xiàn)在我們來看一下IO-Link的數(shù)據(jù)帶寬——過程數(shù)據(jù)可達(dá)每端口32字節(jié)。IO-Link主設(shè)備上所有激活的端口設(shè)置為處理數(shù)字輸出或輸入，或使用UART以半雙工模式(因此數(shù)據(jù)位以單位序列發(fā)送和接收)作為IO-Link點(diǎn)運(yùn)行。典型的四端口和八端口IO-Link主設(shè)備可以直接連接到多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或充當(dāng)中樞(傳輸寬度取決于這個(gè)主設(shè)備)。典型的IO-Link現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接包括供電導(dǎo)體L+和M以及C/Q1導(dǎo)體，后者承載過程數(shù)據(jù)以及參數(shù)化、配置和診斷數(shù)據(jù)。

這里稍復(fù)雜的事是，IO-Link規(guī)范同時(shí)允許主設(shè)備和次設(shè)備使用A類和B類端口。按IEC 60947-5-2規(guī)范定義，A類端口不會(huì)與IEC 61076-2-101定義的A字碼M12連接器混淆。如需詳細(xì)了解IO-Link環(huán)境中無處不在的M12連接器，請(qǐng)參閱Digi-Key文章《IO-Link基礎(chǔ)知識(shí)》。簡(jiǎn)言之，IO-Link連接器引腳2和5有時(shí)用，有時(shí)不用，且用法各不相同，而引腳1、3和4是始終使用，只是后者用法不同。A類布局(基于四引腳M5、M8或M12連接器)允許更多的I/O連接變化，甚至用于高電流輸出來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。相反，B類布局則始終是5引腳M12連接。

無論是A類還是B類，母頭連接器插座要位于主設(shè)備上，公頭連接器引腳要位于現(xiàn)場(chǎng)次設(shè)備上。

每端口32字節(jié)的過程數(shù)據(jù)量只是最先進(jìn)的IO-Link連接型傳感器和執(zhí)行器的最大值;實(shí)際上，像開關(guān)這樣的較簡(jiǎn)單IO-Link次設(shè)備數(shù)據(jù)寬度可能只有一個(gè)位。當(dāng)應(yīng)用的設(shè)置數(shù)據(jù)寬度不足時(shí)，有些IO-Link主設(shè)備會(huì)允許分段進(jìn)行過程數(shù)據(jù)傳輸。IO-Link的其它數(shù)據(jù)容量擴(kuò)充方案包括使用多個(gè)引腳4導(dǎo)體進(jìn)行雙向IO-Link和開關(guān)通信，以及對(duì)引腳4 IO-Link數(shù)據(jù)進(jìn)行并行雙通道數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于后者，引腳2導(dǎo)體可承載設(shè)備特定I/O或開關(guān)信號(hào)(盡管通常不與狀態(tài)監(jiān)控相關(guān))，并空出IO-Link通道以承載補(bǔ)充信號(hào)。這種IO-Link雙通信數(shù)據(jù)傳輸可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，而無與遠(yuǎn)程PLC(包括周期時(shí)間)有關(guān)的延遲，反過來支持需要立即對(duì)機(jī)器或設(shè)備狀況進(jìn)行分析并做出響應(yīng)的應(yīng)用。

結(jié)語

IO-Link 1.1版的三個(gè)新功能包括：數(shù)據(jù)備份(用于保存并重復(fù)使用設(shè)備參數(shù))、處理每端32字節(jié)的數(shù)據(jù)寬度的能力，以及主設(shè)備的230.4千波特?cái)?shù)據(jù)傳輸速率。這些功能加快了IO-Link 1.1在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的運(yùn)用。

原文標(biāo)題：IO-Link 1.1標(biāo)準(zhǔn)深度解讀：三大新功能的威力，你都get到了嗎?

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審核編輯：湯梓紅