IO-Link Wireless协议概述

IO-Link Wireless发布

IO-Link的基本技术是国际标准IEC 61131-9的主题。它指定了主站/网关与设备(传感器,执 行器)之间的单点数字通信接口技术,现已扩展到无线通信。本文简要介绍了该技术。

随着工业4.0(工业物联网)的发展,通信 需求正在迅速变化。机器对机器(M2M) 通信,例如连接的机器人,仓库自动化和 工厂加工机械,正变得越来越普遍,并要求更高的可用性,更好的鲁棒性,更低的延迟和确定性的模式。在这种发展中,基于电缆的通信根本无法满足连接设备在灵活性,移动性和监视方面的巨大增长所要求的要求。IO-Link无线技术是IO-Link标准的扩展,是第一个满足这些需求并向传感器和执行器提供可靠且确定性的无线通信的无线协议。

IO-Link无线标准是最近发布的,正在接受公众审查。IO-Link Wireless首次为工业工 自动化控制系统提供了可靠,实时和确定性的协议。 预计该标准将扩展工业控制应用中的串行有线电缆,增加有线协议中缺少的移动性和灵活性,并使工业机械通信更上 一层楼。

什么是IO-Link Wireless?

IO-Link Wireless定义了工厂自动化环境中传感器,执行器和控制器(PLC)之间的无线网络通信。它旨在提供与电缆类似 的性能水平和向后兼容的接口,因此从有线系统到无线系统的迁移变得容易。IO-Link Wireless提供了与40个节点(传感器或执行器)进行5毫秒通信的确定性延迟。它提供的可靠性优于10e-9数据包错误率 (PER)。例如,其他无线标准(如 WLAN,蓝牙和Zigbee)显示的PER在工业环境中的可靠性要低6个数量级(~ 1e-3)。IO-Link Wireless支持漫游功能,并且可以在实时网络中包含能耗低的电池供电或能量收集传感器。IO-Link Wireless的主要功能之一是与工厂和过程自动化协议的兼容 性。可以使用IO-Link的系统规划,设置, 操作和维护标准工程工具,以确保与有线 IO-Link解决方案的向后兼容性。

1.IO-Link Wireless 系统描述

IO-Link无线系统通常由IO-Link无线现场总线网关(主站)和IO-Link无线设备组成。设备可以是传感器,执行器,RFID读取器,阀门,电动机启动器或简单的I / O模 块。此外,标准的IO-Link无线系统包括用于传感器/执行器配置和参数分配的工程工具。

定义了以下基本数据类型: 

• 过程数据:长度最大为32个字节,在每 个通信周期中交换。 

• 值状态数据:指示过程数据是否有效, 该信息也是周期性交换的信息。 

• 参数和诊断数据:例如标识信息,设 置,警告和错误,可根据要求进行交 换。

下图显示了基于IO-Link无线和有线系统架 构的示例。无线IO-Link的体系结构看起来 类似于有线(星形拓扑),但没有通信电 缆。IO-Link Wireless还支持IO-Link与IOLink Wireless之间的桥接功能。该功能是 标准的一部分,允许快速IO-Link设备无线 连接到主机。

2.IO-Link无线物理层–鲁棒性的来源

为了满足工业环境中的高可靠性要求 (PER为10e-9),已选择了窄带GFSK(高 斯频移键控)调制。这种调制具有高功率功效和对干扰源的良好抑制性能,而且由于窄带1MHz而具有抗信道衰落的能力。相同的调制服务于其他协议,例如低能耗 蓝牙和802.15.4标准,但由于媒体访问协议方案不同,因此具有不同的性能。为了符 合法规标准,最大射频传输功率为10 mW,并且选择了2.45 GHz ISM频段(未许可),即使该频段受到无线拥塞环境的影响。

为了保证在拥挤的环境中实现高度可靠的 链接,已经使用了频分和时分媒体访问方 案(F / TDMA)的组合。从IO-Link主站到设 备的下行链路(DL)消息和从设备到主站 的上行链路(UL)消息在规定的时间范围 内以半双工模式进行交换。一个单元最多 可支持3个主机,而每个主机可通过5条轨 道与多达40个传感器通信。下图说明了该方案。

通过使用跳频和动态黑名单这两种机制,可以实现改善的共存行为,即使在2.45  GHz频带中分配了三个WLAN频带的工业工 厂中,也可以使无线传感器/执行器网络以 低误包率运行。 

在实时方面,指定了5毫秒的循环时间以满足可靠性,并且在每个单元中,每个循 环时间最多采样120个节点(传感器或执行 器)。在5毫秒的持续时间内,在不同的信道中支持两次循环数据重传,以更好地 抵抗窄带干扰或信道衰落。跳频算法最大 程度地减少了信道衰落,但也改善了共存行为,并允许设备在主机之间漫游。 

已经定义了几种概念以减少能量消耗,也允许将能量资源非常有限的设备集成到无线通信系统中,例如长期可操作的电池供电设备。

IO-Link Wireless的主要功能之一是支持PLC之间的设备漫游。它允许基站单元之间的无线设备移动性,从而在切换过程中不会中断PLC与设备之间的循环过程数据通信。

3.总结

长期以来,人们一直在工业自动化应用中寻求可靠的无线技术。现在已经建立。 

在灵活性,成本降低,更高的移动性和更好的可扩展性方面,将无线技术用于工业自动化应用的好处无疑具有足够的吸引力。现代工厂了解灵活生产线的附加值。为了提高效率,对机械臂,智能传感器和先进的自动化执行器以及无人驾驶自动引导车(AGV)的需求不断增长。 

由于许多设备都是便携式的,并且生产线需要灵活,因此无线技术更适合连接。但是,在工业应用中使用无线技术的不利之处在于,很难满足工业自动化对可靠性的要求。 

IO-Link无线协议旨在解决这些挑战-高可靠性,低延迟,确定性通信以及与有线工 厂自动化协议的兼容性。

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