以新一代信息技術為代表的工業革命已經到來，物聯網、云計算等技術正在影響著各行各業，我們仿佛看到了一幅未來智慧工廠的圖景：所有的自動化設備通過網絡連接，每一個生產過程都是透明可見的。但現在企業管理者先要考慮如何升級工廠設備，如何布局物聯網和大數據分析。

工廠轉型升級是一個復雜的過程，很多企業要考慮在舊和自動化設備引入新技術時遇到的兼容問題。智慧型工廠需要連接工業現場所有的設備，如傳感器、變送器、執行器、PLC控制器等。因此，通信技術是這場升級的關鍵，說到工業通信，大家可能會想起工業以太網和現場總線，本文要說的是一種新的通信技術IO－Link。

在高度自動化的智能工廠場景中，IO－Link的優勢已被證明而且它非常有用。IO－Link通信標準使得從控制器到傳感器的傳輸過程變得更加透明，尤其在工業4.0的發展趨勢下，業界對IO－Link興趣日益增大。IO－Link通信標準提供了許多好處，最重要的是降低了機器的成本，使生產流程更有效，并能顯著提高了機器和系統的可用性。

IO－Link工業現場布線，圖片來源balluff

什么是IO－Link？

IO－Link（IEC 61131－9）是一種開放式標準串行通信協議，允許支持IO－Link的傳感器、設備進行雙向數據交換，并連接到主站。IO－Link主站可以通過各種網絡，如現場總線進行傳輸。每個IO－Link傳感器都有一個設備描述（也叫IODD），PLC、HMI等工業信息系統可以使用這些數據進行即時操作或長期分析。

我們可以要拿USB連接和IO－Link做比較，那可以說兩者都是雙向的串行通信，可以傳輸能量和信號，也就是說數字量和模擬量可以在同一組電纜上傳輸。

IO－Link雙向通信模型

IO－Link的主要優勢是其通信能力，變單向信息傳輸為雙向通信，現場的傳感器和執行器都可以通過IO－Link發送和接收信息。它允許控制器訪問以前無法訪問的設備參數數據，或者以前只能通過專有系統來獲取傳感器參數。可以說，IO－Link一方面統一了設備和系統控制之間的通信，另一方面統一了現場傳感器和執行器的連接方式。

IO－Link為工廠自動化下層設備添加了參數和診斷功能，例如接近傳感器，除了能讀取開關狀態信號還可以獲得設備描述、診斷等其它數字信號。IO－Link技術可以通過IO－Link接線盒進行，也可以通過傳感器單獨實現，只要PLC能識別IO－Link語言即可。對于舊系統的改造升級來說，前者會更受歡迎，因為添加IO－Link接線盒就不需要切換線路上的所有傳感器，這樣做也能夠享用IO－Link技術的全部好處。

IO－Link通信連接框圖，圖片來源Baumer

值得注意的是，IO－Link不是一種現場總線，而是兼容IO系統和現場設備之間的點對點通信協議。因為IO－Link是一個開放的標準，所以設備可以集成到幾乎任何現場總線或自動化系統中。IO－Link系統有很多優點，包括標準化和降低布線，增加數據可用性，遠程配置和監控，簡單的設備更換和高級診斷等等。

降低布線成本

對于許多行業來說，IO－Link的一個關鍵好處是它不需要任何特殊或復雜的接線。相反，IO－Link設備可以使用與傳統離散I／O相同的經濟型非屏蔽三線電纜來連接，這有助于保持簡單的布線。此外，IO－Link還消除了傳感器要求模擬量傳輸需求，并減少了傳感器現場連接所需的各種電線，從而節省了布線成本。IO－Link還支持具有被動連接點的主從配置，這又進一步降低了布線要求。

IO－Link接口電氣圖，圖片來源P＋F

也就是說，過去數字和模擬輸入和輸出或其他類型信號的現場總線模塊都可以用標準化的IO－Link模塊來代替。即使對于少量的I／O的場所來說采用數字輸入和輸出的IO－Link功能信號分配器（即所謂的I／O集線器）也非常值得的。這些信號分配器通過IO－Link信號將多個交換信號發送到控制器，允許將現有數字現場設備快速方便地連接到IO－Link主站。盡管有這些選擇，IO－Link并不是替代現場總線的解決方案，但在許多情況下，它可能是一個有意義的補充。

IO－Link還將節省機器制造商的時間和金錢，過去使用多束電纜和無源分配器連接多個傳感器和執行器，用戶必須仔細規劃和監控哪個傳感器將通過哪條電纜進行連接，工作步驟不僅耗時，而且容易出錯。由于IO－Link通過標準三芯電纜連接每個具有模擬和數字信號的傳感器或執行器，信息文檔和電子設計將被大大簡化。

增加數據可用性

數據可用性是IO－Link的強大優勢，對工業系統發展具有深遠的影響。直接訪問傳感器級數據有助于確保系統組件的順利運行、設備簡化和更換，并有助于實現優化設備維護計劃，所有這些都可以節省成本并降低設備停機的風險。通過IO－Link通信可獲得三種主要數據類型，這些數據可以分為循環數據（定期自動傳輸的數據）或非循環數據（根據需要或根據需要傳輸數據）。

IO－Link傳輸的主要數據類型

過程數據：這是指設備讀取和傳送給主機的信息，例如激光測量傳感器上的距離讀數。過程數據還可以指從主設備發送到副設備的信息（例如發送到塔燈的指令，指示哪些顏色段應被照亮）。該數據在定義的數據幀中循環傳輸。另外，值狀態數據（處理數據是否有效的指示）與過程數據一起被發送。

服務數據：也稱為設備數據，這種類型的數據是指傳感器本身的信息，例如參數值、型號、序列號和設備描述等。服務數據可以寫入設備或非循環讀取設備。

事件數據：這是指當事件發生時，諸如錯誤信息或維護警告（例如設備過熱，鏡頭變臟等）的通知，這些通知會從IO－Link設備傳輸到主站（非循環數據）。

通過IO－Link可以獲取豐富而寶貴數據，是物聯網（IoT）和工業4.0計劃實施的重要組成部分。

遠程配置和監控

使用IO－Link，用戶可以通過控制系統軟件讀取和更改設備參數，快速配置和調試成為可能，從而節省時間和資源。此外，IO－Link允許操作員根據需要從控制系統動態地更改傳感器參數，例如生產線的產品更換而需要改為設備參數，通過IO－Link可直接在線調試，減少停機時間，并允許生產設備適應更多的多樣性產品。這一點對于面對包裝品種需求不斷增加的消費品包裝商品尤為重要。

此外，通過IO－Link可以監控傳感器輸出，接收實時警報并能從任何地方調整設置，用戶可以及時識別和解決傳感器級別出現的問題。這也意味著用戶可以根據機器組件本身的實時數據進行決策，減少昂貴的停機時間并提高整體效率。

設備更換更簡單

除了能夠遠程調整傳感器設置外，IO－Link的數據存儲功能還可以在設備更換（此功能也稱為自動設備更換或ADR）時進行自動參數重新分配。用戶可以將現有的傳感器參數值導入替代傳感器，以便無縫更換，使新設備盡快啟動并運行。

IO－Link除了對傳感器參數進行自動修改，還可以識別更換的生產工具，這是通過具有IO－Link功能的無源分配器實現，因為設備配備了應用程序特定的標簽，用戶可以根據相關工具添加自定義描述，控制器將讀取標簽并通過其唯一的ID號識別工具。

擴展診斷與主動維護

IO－Link為用戶提供了每個設備的錯誤和健康狀況，這意味著用戶不僅可以看到傳感器在做什么，還可以看到它的性能如何，這是對機器效率的寶貴洞察。此外，通過IO－Link提供的更全面的信息還將允許主動維護和資產管理，擴展診斷允許用戶輕松識別傳感器發生故障并診斷問題而不需要關閉線路或停止機器運轉。

通過訪問內部附加傳感器的數據，例如線性或聲波溫度傳感器的數據，作為傳感器故障甚至電纜斷裂的早期預警系統，在機器或系統故障之前提前計劃組件和更換。系統操作員可以在過一段時間通過傳送的診斷數據來來確定是否需要更換設備。

通過IO－Link系統提供的實時和歷史數據的組合不僅可以減少問題出現和故障排除工作量，而且可以優化機器維護計劃，節省成本并提高設備長期運轉的效率。