科普IO-Link工作原理及系统组成

2023/11/1 2:11:16 人评论 次浏览 分类:DCS  文章地址://www.e-cumulus.com/tech/5146.html

IO-Link是一种统一工控系统中传感器和执行器的通信标准。什么是IO-Link呢?昌晖仪表在本文科普一下IO-Link相关内容。

IO-Link

为什么需要IO-Link统一?

在工业系统中,传感器和执行器是设备的“眼睛、耳朵、手”,“监视”设备的一举一动,并完成相应的动作指令。工业4.0时代,如果说来自传感器和执行器的数据出现问题了,那么作为大脑的主机控制器就被“蒙蔽”,无法知道工控系统最底层的数据,不作为或者乱作为,这样对于工厂来说,损失不可计数。



为什么传感器和执行器的数据会有问题?无论过去还是现在,有很多工业传感器都采用模拟信号或者是离散的信号,且数据采用单向方式进行传输。虽然之后出现了可提供数字开/关信号的二进制传感器,比如电感 、电容 、超声波、光电等检测元件,以及半导体开关元件,他们输出可能是:高边开关或低边开关,或者是推挽式,但数据仍然受到限制,只能从传感器单向传输至主机,也同时存在模拟数据转换精度损失、数据传输速率慢、没有故障信息等问题。


虽然有一些协议,比如CAN、Profibus可以提高工控系统的通信效率、可靠性,但他们都有一定程度的复杂,不易使用。
于是,IO-Link就横空出世了!由于IO-Link用在工控系统的最前端的传感器和执行器上,因此IO-Link被誉为工控系统直到“最后一米的连续通信”。

IO-Link的工作原理

首先,我们要明白一点:IO-Link不是现场总线,独立于现场总线之外,但可集成到所有现场总线系统中。

IO-Link 是全球首个标准化的IO技术(IEC 61131-9),用于与传感器、执行器进行通信。它是一种点对点系统的串行数字通信协议,每个IO设备都有一个单独的通道,连接到主站单元。从下图典型的IO-Link应用框图,可以直观看出IO-Link在工控系统中的应用:

IO-Link应用框图

IO-Link系统这里有3个部分组成:

①Master,对上与PLC等控制器连接,对下连接IO-link标准的传感器、执行器或者hub。

②设备:传感器、执行器,或是IO-Link hub,其中传感器通常是M12的四针接口,执行器通常是M12的五针接口,满足IO-Link设备针脚的定义要求,IO-link hub可以连接没有IO-Link输入输出的设备。


③IO-Link线缆,连接IO-link Master和设备的标准的3芯线缆:数据线、电源线和地线。

每个IO-Link设备都有标准化的连接接口和协议。在IO-Link通信模式下,IO-Link Master会发送预先定义好的信号并等待IO-Link设备的应答。当IO-Link设备被唤醒后,IO-Link Master与IO-Link设备之间首先互换通信参数,之后就开始周期性的数据交换。数据可能是过程数据,也可能是设备的警报或故障状态等信息,实现了双向通信。IO-Link Master除了可以作为IO-Link来使用之外,还可以配置为普通的IO模式,像使用普通数字量IO口一样来使用它。

IO-Link硬件解决方案

在本文昌晖仪表以ADI公司产品为例。ADI公司提供基于ADI芯片的IO-Link应用解决方案,并提供专业的技术支持。

IO-Link应用解决方案框图

根据功能划分,包含下面这些芯片类型:

◆控制器MCU:MAX32670,用于处理数据,运行协议栈;
◆IO-Link Master收发器:MAX14819/MAX14819A,低功耗、双通道的IO-Link Master收发器;
◆IO-Link设备收发器:MAX22513/MAX22514,具有高效的DC-DC降压稳压器和两个内部线性稳压器,以及集成的浪涌保护器件,非常鲁棒性的通信;
◆IO-Link Hub收发器:MAX14827A/MAX14828,集成了工业传感器中常见的高压功能;
◆IO-Link Hub高边输出开关:MAX14915/MAX14916/MAX14917,控制高压侧的导通与关断。

最后,用三个词总结一下IO-Link:

通用:IO-Link独立于现场总线,可集成到所有现场总线系统中。只要是M12、M8 或 M5 连接器和三芯电缆等标准,即可工作。

智能 :IO-Link 功能强,可实现传感器和执行器的扩展诊断,或者通过双轴通信实现简单快速的参数设置。IO-Link速度快,三种通信速率,4.8 k波特率,38.4 k波特率和230.4 k波特率。IO-Link体积小,可实现“智能”传感器和执行器的小型化。


简单:IO-Link采用最简单的无屏蔽三芯电缆进行连接。通过双向的通信,可以最短时间知道设备上发了什么,并第一时间对设备进行设置,简单的远程维护。

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