IO-Link,您可能有疑问的那些事儿

前言

IO-Link是全球首个用于与传感器以及执行器进行通信的标准化IO技术(IEC 61131-9)。强大的点对点通信基于悠久的3线传感器和执行器连接,而对电缆材料没有其他要求。因此,IO-Link并不是现场总线,而是对传感器和执行器的现有,经过测试的连接技术的进一步发展。

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您可能会关心IO-Link的哪些问题呢?

1、IO-Link可以集成到任何现场总线系统中?

IO-Link最重要的特点之一是其现场总线的中立性。它允许将IO-Link功能连接到几乎所有的现场总线上。无论是现场总线中的标准化映射,如PROFIBUS、PROFINET、EtherCat和Sercos,还是Ethernet/IP、CANopen、Modbus、CC-Link和AS-Interface的制造商特定映射,都可以用于此。根据IEC 61131-9标准,IO-Link也被公认为国际标准,因此已在全球范围内获得认可,独立于各自的主流现场总线系统。因此,用户可以信赖IO-Link提供的国际公认的解决方案,具有长期的可靠性,适用于所有的自动化环境。这为制造商和用户提供了很高的投资保护–特别是考虑到未来的应用。

此外,一个全面的现场总线和独立于控制器的描述(IODD=IO Device Description)已经标准化。有了它,任何工程工具都可以以电子方式提供相关的文本描述,用于设备的特定属性,如过程图像、参数或诊断。这允许从一个工具集中访问所有IO-Link设备。

每个IO-Link设备都可以根据其内部数据进行唯一的识别。这是质量保证和工业4.0相关功能的重要因素。除了数字化和安全无损的测量值传输到机器控制器之外,附加信息也可以通过这种方式进入ERP系统。因此,IO-Link可以实现从控制层到自动化层(现场总线/以太网)直至云应用的一致性。

2、IO-Link大幅降低电气安装成本?

即使是传统的二进制传感器,IO-Link也能显著节约成本。为了作为安装系统使用,市场上有IO-Link传感器集线器,可将最多16个具有一个开关输出的二进制传感器或8个具有两个开关输出的传感器(如抗阀传感器或Desina传感器)浓缩到一个串行IO-Link连接中。还可提供用于二进制执行器的集线器以及带有模拟输入和输出的集线器。由于具有IP67防护等级,低成本的传感器集线器和执行器集线器无需接线盒和接线端子以及相关的电气安装工作。

有了IO-Link,即使连接了测量设备,也可以降低安装成本。如果测量传感器或可自由定位的执行器配有IO-Link接口,则可使用非屏蔽标准电缆将设备直接连接到主站的IO-Link端口。除了额外的数据通信可能性(比如额外的诊断和参数通道),还降低了安装成本。使用IO-Link的测量传感器的购买成本实际上比传统设备要低。测量传感器通常没有可以直接控制串行IO-Link接口的微处理器。传感器中的D/A转换器以及控制器接口模块中的A/D转换器被省略。由于无噪数字传输,也不需要屏蔽电缆,而且省去了多针连接器,而采用标准连接器。特别重要的是,它的综合优点是安装非常简单,并且可以升级机电设备的功能,例如抓手、真空发生器和信号设备,如果没有IO-Link,所有这些都是不可想象的。

3、IO-Link一劳永逸地消除了传感器/执行器层面的各种信号和接口?

当然,在过去,由于没有具有通信能力的接口标准,因此生产的传感器和执行器具有广泛的复杂性和特性。现在,用于工业自动化中各种不同任务的传感器和执行器几乎无所不能,但代价是信号形状和机械特性方面的各种接口过于繁杂。IO-Link将这些不同的接口捆绑在一起,并简化了传感器-执行器层面的最后一米。原因是IO-Link只需要一个M12插头连接和一条标准的3线或5线传感器电缆。因此,IO-Link取代了二进制开关、多通道二进制、双向、模拟输入和模拟输出接口,以及RS232等专有接口。

因此,IO-Link使用单一接口覆盖整个传感器/执行器层面的通信要求,从简单的传感器到测量传感器,从智能信号灯到机电设备(比如抓手,甚至是整个阀块)。

除了简化接口和布线外,IO-Link还带有一个集成的参数分配和诊断通道,无需额外费用。因此,可以从传感器/执行器层面获得额外的数据,从而产生有意义的附加值,特别是在工业4.0应用方面。

4、IO-Link被认为是工业4.0诊断概念的促进者?

工业4.0与高期望值相关联。如果要成为现实,就必须能够获取传感器/执行器层面的数据和信息。IO-Link通过提供从最后一米到现场设备的通信能力,为获取这些宝贵的数据做出了重要的、必不可少的贡献。

诊断信息通过事件在IO-Link主站和设备之间进行交换,事件由事件限定符和事件代码组成。

  • 事件限定符区分信息、警告和错误。这里根据标准诊断和设备特定诊断信息进行区分。
  • IO-Link规范的附件D包含每个标准事件代码的文本描述。此类标准诊断的典型例子是过温和欠温、过压和欠压信息、短路和断线以及一般的硬件和软件错误。

作为网关,IO-Link主站将IO-Link事件映射到各自现场总线的特定诊断和报警机制。通过IO-Link设备的IODD,每个工程工具都能够为设备特定的诊断提供相关的文本描述。IO-Link主站生成的诊断信息对其进行了补充。例如,IO-Link设备和主站之间的断线将由主站发出信号,表示与控制器的通信中断。

由于IO-Link提供了详细的差异化诊断信息,首次实现了传感器/执行器级的智能状态监测–这是实现创新工业4.0概念的关键一步。

5、IO-Link实现了以前无法想象的设备?

IO-Link为输入/输出模块的设计设定了新的标准。无论是集成在控制机架中还是作为现场总线模块,一个相同的模块可以处理多种信号,二进制和模拟量输入和输出。这便于备件管理,并实现灵活的机器设计。不再需要那么多不同类型的模块。

在IO-Link设备的情况下,多个模拟值或开关点,或它们的组合,可以通过一根3线电缆进行传输,这就大大节省了成本,并使制造商无需使用外来的插头。因此,智能传感器可以通过标准M12插头连接器传输多个过程值以及诊断信息和参数。此外,带有IO-Link的阀门控制装置可以控制阀门,查询反馈信息,并评估整个装置的诊断信息。

带IO-Link的智能旋转编码器可普遍设置为每转所需的脉冲数,这是用IO-Link进行编程的。因此,使用单一类型的旋转编码器就可以为各种不同的应用提供解决方案。IO-Link还可用于传输绝对位置值,用于过程保证。

由于IO-Link的出现,许多新的想法正在出现,以设计出更智能、更方便客户的传感器和执行器。

6、IO-Link大大减少了所需的接口?

现代自动化系统中包含了来自不同厂家的各种简单的和复杂的传感器和执行器,这些传感器和执行器使用不同的物理接口与控制器连接,以获得数字、模拟和串行数据。随着传感器/执行器侧和自动化系统中物理接口的多样性,也带来了各种各样的布线和连接方法。此外,还有各种各样的接口和工具用于这些传感器和执行器的配置和参数分配。

IO-Link提供了一个通用的接线物理接口和一个统一的配置和参数分配接口。可喜的是,久违的IO-Link系统将传感器和执行器侧以及自动化系统侧的接线和连接方式减少到一个标准接口。此外,传感器和执行器的配置和参数分配是以统一的方式使用统一的工具进行的。这对用户来说是一个很大的优势。

7、IO-Link是否向后兼容二进制传感器?

IO-Link通信接口在国际标准IEC 61131-9中进行了标准化。多公司标准化倡议的最初目标之一是创建一个考虑到现有架构和下层现场的典型连接水平的接口。熟悉的点对点连接在IO-Link中被简单地接受,并完成了标准布线。

此外,除了通信模式(COM),标准还定义了一个标准的I/O模式(SIO)。SIO模式描述了IO-Link主站也可以根据IEC 61131-2 Type 1承担数字输入/输出功能。二进制IO-Link传感器在接通后,使用为IO-Link通信提供的连接C/Q输出符合IEC 60947-5-2标准的数字开关信号。

其优点是显而易见的:低现场总线层面的接线水平可以1:1使用,不受IO-Link连接和二进制信号的限制。由于IO-Link和二进制传感器可以混合操作连接到一个主站模块上,因此IO-Link主站可以达到更好的利用程度。另一方面,二进制IO-Link传感器也可以用传统的数字输入进行操作。

但是,将IO-Link传感器作为二进制传感器来操作是否合理呢?是的,例如,因为IO-Link被用作标准化的参数分配接口。有了IO-Link,一个通用的工具世界和存在于所有IO-Link设备的设备描述IODD就可以使用。因此,即使在实际应用之外,也可以有效地进行设置或“复制”传感器。带有预分配参数的设备可以集成到非IO-Link应用中,而无需手动设置。

8、IO-Link在一个周期内最多可以传输32个字节?

IEC 61131-9中标准化的IO-Link接口是基于通过传统连接电缆进行简单的串行数据传输。通过IO-Link,IO-Link主站和IO-Link设备之间的数据包正是通过这种电缆循环交换的,这些数据包被打包成一个协议。这些数据包在“IO-Link语言”中被称为M-sequence。这些数据包中包含的信息是为IO-Link定义的,但可以在很大程度上进行扩展。过程数据完全是随着每个数据包循环传输的,以保证应用中的确定性响应时间。另一方面,参数和事件数据的时间要求不那么严格,这些数据在多个数据包中分散传输。

在每种情况下,可以为过程输入数据(例如,传感器信号)和过程输出数据(例如,执行器控制信号)定义1位到32字节(256位)的数据宽度。这使得周期时间可以在固定的传输速率下得到优化。这适用于无论涉及到何种传输–无论是只提供1位开关信息作为过程数据的单个电感传感器,还是传输其200多个通道中每个单独通道的检测状态的光阵,或者是产生或需要压力测量、状态信息和阀门控制数据的传感器-执行器组合设备。

即使在最大过程数据宽度为32字节的情况下,通过简单的3线非屏蔽连接电缆,IO-Link也可以实现小于3毫秒的周期时间。

9、IO-Link有三种传输速率?

从一开始,IO-Link规范的始祖们就有一个广泛的现场设备,包括传感器、执行器等等,由于雷达上有IO-Link,这些设备应该具有通信能力。当然,这些设备对可用的处理器性能有完全不同的要求和条件。由于有三种定义的传输速率–4.8 kbps、38.4 kbps和230.4 kbps–开发人员总能找到适合IO-Link设备的传输速率。设备在IO-Link中规定使用的传输速率。IO-Link主站处理所有三种传输速率。当建立连接时,主站最初使用最高的传输速率,然后使用下一个较低的传输速率,直到实际建立连接。

一个备受讨论的问题是,IO-Link应该被归类为慢速接口还是快速接口。正如下面的例子所示,不需要担心传输速率。在IO-Link测量传感器以14位分辨率工作的情况下,测量值作为2个字节的过程数据在IO-Link系统上传输。IO-Link不仅提供了纯循环过程数据通道,还提供了一个非循环通道,用于以下方面:

例如,用于诊断和参数分配的请求数据。

所示IO-Link传感器的典型情况是,传输2个字节的过程数据和1个字节的请求数据。在230.4 kbps(也称为COM3)时,一个完整的传输周期只需要0.46 ms。在38.4 kbps (COM2)时,需要2.3 ms。IO-Link主站通常是多通道的。所述动作对所有通道都是并行运行的。在上面描述的例子中,一个8通道的主站提供8个测量值,再加上下面的数据。

每0.46毫秒(COM2为2.3毫秒)将请求数据字节传送到现场总线层。与现场总线上5毫秒的假设典型周期时间相比,IO-Link没有出现瓶颈。

10、IO-Link可以防止错误的设备更换?

如果必须更换传感器,通常是在繁忙的节奏下进行的,因为机器必须尽快恢复运行。通常情况下,由没有经过专门培训的人员来完成这项任务。因此,IO-Link采取了不同的方式。开发了一个“从业人员”的接口,它有各种集成选项,以最大限度地提高设备更换的便利性和可靠性。

传感器在结构上越来越相似,有时很难区分压力、温度和流量传感器的区别。另一方面,IO-Link主站可以从每个设备上接收到准确的标识。例如,这包含了制造商的名称、产品名称和产品ID,它们准确地描述了这个传感器。如果在更换过程中安装了结构不同的设备,主站会识别这一点并不接受该设备,故障LED保持打开状态。如果连接了相同结构的传感器,则主站无需任何进一步的操作即可接受该传感器,并将其整合到数据循环中。机器立即恢复运行。如果传感器是插入式传感器,则可由指定人员轻松更换。不需要对控制器编程进行干预。

第二种可能的情况是用其后续型号替换现有的传感器,后者已经配备了一些附加功能。因此,这两种设备乍一看是不兼容的,主站和新传感器的标识也不同。IO-Link也为这种情况准备了一个简单的解决方案。从IO-Link的1.1版本开始,主站可以询问传感器是否可以进入兼容模式,完全模拟前者的行为。主站和传感器已经自动地重新工作在一起,系统再次运行。

11、IO-Link的布线只需要3根平行电缆线,而不是19?

简单的口号“3根线代替19根线”生动地描述了IO-Link与传统布线相比的节约潜力。通过一个带有8个M12连接的无源分配器的例子,用户的好处就很明显了。为了便于比较,使用了一个可以连接到任何IO-Link主站的IO-Link输入模块。

对于8个插座,每个插座有2个数字输入,传统的布线共需要19根线,而IO-Link则减少到只有3根线,这大大节省了线材,重量也减少了三分之二。考虑到手动接线到端子的成本和并联接线量的减少,使用IO-Link还有另外三个很好的原因:

(1)纤细的3线电缆可以以节省空间的方式进行布线,具有更小的弯曲半径。对于系统规划人员来说,这将产生更精简、标准化的布线图。

(2)安装人员可以更快地完成任务。每个终端点都标志着一个潜在的错误源,寻找这些错误需要花费时间、金钱和压力。更少的终端点和活跃的IO-Link通信可以有针对性地实现可靠的布线。

(3)对于集成了IO-Link的智能传感器来说,特别是在PLC侧,可以节省费用。在这里,可以省去向以前需要的输入卡传输多个模拟值。取而代之的是,IO-Link通过3线连接提供多达16个模拟测量值。

12、IO-Link的参数赋值方法多得不可思议?

例1:如何为一个简单地放在桌子上的IO-Link设备分配参数?有几家制造商为此提供了IO-Link主站,通过USB或无线连接连接到PC上。每个IO-Link设备都有一个IODD(IO设备描述文件)。设备工具采用IODD,使其能够在屏幕上显示设备,并读取、写入和编辑过程数据、参数和诊断。

例2:可以使用控制器的工程工具为已经安装在机器中的IO-Link设备进行参数分配。其依据同样是IODD以及PCT(端口配置工具)或通过TCI(工具调用接口)调用的设备工具。

例3:当机器通过基于以太网的现场总线联网时,参数分配非常简单。现代设备工具或集成在主站中的网络服务器允许通过以太网网络访问所有IO-Link设备。

例4:在维修期间更换设备后,需要为设备自动分配参数吗?IO-Link V1.1支持数据存储,即IO-Link主站保存所有连接的IO-Link设备的参数。IO-Link主站在开机时能识别被替换的IO-Link设备,并自动为其分配前一个设备的参数数据。

例5:控制器制造商为PLC编程器提供系统功能块,允许非循环数据传输。这使得程序员能够以自动的方式为整个系统分配参数。

除了这些例子之外,IO-Link还有很多其他的参数分配方法。

13、IO-Link允许PLC自动分配参数?

有了IO-Link,设备的参数分配就会存储在上层自动化系统中,如果设备被更换,就会自动转移。此外,PLC可以在运行期间访问、读取和写入任何参数。例如,当设备需要更换或重新初始化时,这是必要的。在改变格式或参数时,借助自动参数分配,还可以对整个设备组进行参数重新分配,从而大大缩短设置时间。

对于用户来说,一个关键的方面是,不需要额外的或新的工具。同样使用了PLC制造商早已熟悉的功能块。

为了将这方面的编程工作减少到最低限度,IO-Link设备制造商还提供功能块,这些功能块可以免费下载。因此,用户不再需要知道参数的索引、数据类型或取值范围。相反,他们只需要指定IO-Link主站的地址和IO-Link设备所连接的端口。这些功能块还有一个优点。它们允许将系统中所有IO-Link设备的数据保存在PLC中,并在需要时恢复参数分配。

14、IO-Link数据存储可实现设备更换,无需工具?

许多系统和机器每天24小时运行,使用的传感器并不是位于控制柜的保护环境内,而是经常暴露在灰尘和其他恶劣的环境条件下。在人员稀少的夜班期间,个别元件出现故障也是很正常的。尽管如此,也必须能够快速更换故障设备。IO-Link具有数据存储功能,在它的帮助下,传感器或其他现场设备可以轻松更换。

为此,IO-Link设备在工程设计期间设置的特定于过程的设备参数被存储在设备的非易失性存储器中。但与此同时,IO-Link确保这些设置在IO-Link主站中得到备份。如果通过配置工具、控制器/HMI或设备上的操作控制元件更改参数,则修改后的参数将存储在设备和主站中。

当更换IO-Link设备时,主站会自动将这些特定过程的设备参数再次提供给新设备。这使得在系统运行时,可以快速、轻松地更换设备,因为用户无需分配任何特定过程的设备参数。因此,即使是计划外的设备更换,不再需要翻阅数据表,也不再需要在文档中费力地搜索正确的版本和设备参数。IO-Link自己就能找到正确的数据。

15、有了IO-Link,测量传感器的信号质量可以增强?

IO-Link实现了从传感器到控制器的可靠、无损信号传输。

背景介绍:当一个模拟信号被传输到控制器时,需要进行几次从模拟到数字和从数字到模拟的转换,这些转换都会影响传输过程值的质量。此外,信号还会受到电磁干扰的影响。不幸的是,在现实世界中,信号线与电源线一起布线,而不是与电源线分开,这是一种常见的做法。如果,屏蔽层没有正确实施,就会影响传输过程值的质量。结果,在传感器端测量的信号无法到达控制器。因此,沿传输路径会丢失使用高质量传感器可以实现的精度。

有了IO-Link,情况就完全不同了。IO-Link的主要优势在于它仅需要一次转换,来自被测量的传感元件的模拟信号被转换为数字信号。然后,信号仅作为数字信号进行处理,并通过IO-Link主站从传感器传输到控制器,从而防止了转换损失。在传感器端部测量的信号在不损失质量的情况下到达用户程序。为了保证信号质量,可以对信号质量进行持续监测。另外一个优势是,工厂操作员或维修技术人员在测量设备和工厂显示屏上都能收到相同的测量值。

其他优点:数字信号传输不会受到电磁干扰的影响。这意味着不再需要昂贵的屏蔽电缆。因此,与以前的模拟技术相比,IO-Link的使用成本降低了。

16、IO-Link是一种独立于现场总线的通信标准?

IO-Link是现场级别的独立于系统的通信标准,并提供集成的循环数据通道(过程数据)和非循环数据通道(参数和诊断),直至最小的传感器和执行器。作为国际认可的标准IEC 61131(第9部分)的一部分,IO-Link与控制技术而非现场总线(IEC 61158和IEC 61784)相关联。因此,点对点连接可以集成到全球所有的现场总线中,并不依赖于制造商的特定系统。设备描述(IODD = IO设备描述)也已经在独立于现场总线和系统的基础上实现了标准化。

因此,IO-Link用户可以对所有控制器制造商必须的长期,可靠和国际认可的解决方案充满信心。除此之外,许多制造商的标准化和支持确保了最高质量、每个行业的广泛功能和使用可靠性。标准化还意味着对制造商和用户的高投资保护。

广泛的接受度还体现在标准化的实现速度上。制定一个IEC规范平均需要三年时间,而IEC 61131-9只用了两年时间就获得了一致通过。

17、IO-Link已在10多个现场总线中使用?

到目前为止,IO-Link已经在市场上所有已建立的现场总线系统(PROFIBUS, PROFINET, AS-i, CANopen, CC-Link, DeviceNet, EtherCat, EtherNet/IP, Interbus S, Powerlink, Sercos III)中实现。也可以通过制造商特定的背板总线连接到PLC。为此,IO-Link主站承担了IO-Link设备和自动化系统之间的关键连接。作为I/O系统的一部分,IO-Link主站既可以安装在控制柜中,也可以作为远程I/O直接安装在现场,防护等级为IP 65/67。

现场总线的独立性使IO-Link社区创建了相应的规范,该规范已被IEC公布为IEC 61131-9(委员会草案)。由于这个开放的标准,带有IO-Link的系统现在已经在所有的生产自动化领域(例如,汽车和包装行业、太阳能行业、玻璃生产、沼气生产和木材加工行业)得到了应用。这不仅实现了未来新的自动化概念,也为工业4.0奠定了基础。为了实现这一未来愿景,更高级别的系统需要大量来自现场的详细数据,而这正是IO-Link所提供的。

18、每个设备都有制造商的声明?

IO-Link除规范本身外,还具有测试规范,所有人都可以使用。此外,还为IO-Link主站和IO-Link设备提供了具有全面功能的易于操作的测试系统,以高度自动化的方式执行测试规范中定义的测试用例,并且已经获得IO-Link社区的认可。甚至每个IO-Link设备都存在的设备描述也会通过测试程序进行检查并进行相应标记。

每个IO-Link设备制造商都有义务使用规范和工具,并在成功完成测试后发布制造商的声明。特别是在IO-Link设备的情况下,可以在没有特殊培训和专业知识的情况下检查行为,从而可以轻松识别并避免任何对规则的忽视。

此外,还举办了互操作性研讨会,以测试IO-Link主站与IO-Link设备的交互以及测试系统的使用。然后将发现的结果合并到规范,测试规范和测试系统中。

这样可以确保IO-Link设备的质量和互操作性,而无需昂贵的第三方认证。用户可以并应该让制造商进行测试,并要求制造商声明。

19、每个IO-Link设备在交付时都有强制性的设备说明?

与传统的传感器和执行器相比,使用IO-Link可以提供许多增强功能。IO-Link设备可以被唯一地识别和方便地进行参数设置,并且它们提供的诊断为工厂可用性和状态控制的维护打开了新的机会和潜力。

为了在全球范围内轻松使用这些功能,并且与所使用的特定自动化系统无关,已指定了设备描述IODD = IO设备描述。IODD基于广泛用于Internet的XML技术,该技术有助于在不同的系统环境中使用,从而也确保了世界范围内的接受度。IODD中描述了IO-Link设备的所有属性。例如,不仅通信属性,而且所有参数,错误消息和诊断信息及其相关文本均被描述。文本可以用多种语言存储,因此不会妨碍IO-Link的全局使用。

关于IODD,它是强制性的。每个IO-Link设备都有一个IODD。这是发布制造商声明的要求,所有IO-Link设备提供商均已承诺要提供该声明。没有IODD的IO-Link设备不是IO-Link设备!

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