原标题：如何使用IO-Link提高智能工厂执行器的工作效率

　　向工业 4.0 或工业物联网 (IIoT) 的转变仍在继续，以实现更高的效率、安全性、生产力和更低的总体成本。这项工作的一个关键要素是设备连接。这可能具有挑战性，因为它需要选择合适的通信标准以及相关接口和相关软件的设计，所有这些都会减慢智能工厂的部署速度。

　　工业自动化系统设计人员需要一种标准、可靠、高效且更加模块化的方法，以促进快速且经济高效的部署。

　　为了解决这个问题，他们可以求助于IO-Link，这是一种经过验证的接口，可用于智能工厂。IO-Link 是一种双向、点对点、单点数字通信接口 (SDCI)，受多个标准管辖，包括 IEC 61131-2、IEC 61131-9 (SDCI) 和 IO-Link 1.1.3。

　　本文简要讨论了向智能工厂的转变及其给设计师带来的挑战。然后，它概述了 IO-Link 操作及其如何简化智能工厂部署。它提供了以下示例 IO-Link 设备 从 ADI公司，包括可用于替代气动执行器并提供增强性能的从设备、具有集成 DC/DC 转换器的从设备和主设备。其中包括通过IO-Link快速实现工业执行器的参考设计。

　　简化向智能工厂的转变

　　向智能工厂的转变增加了对一种简单方法的需求，即在边缘添加智能，以调试、监控和重新配置传感器和执行器。IO-Link 的简单安装和双向通信功能支持边缘智能的部署。在一个实例中，IO-Link 因设置和调试时间缩短了 90% 而受到赞誉。

　　实际上，可以通过IO-Link下载参数设置以设置或重新配置设备。这消除了技术人员干预的需要，并减少了停机时间。IO-Link 的智能诊断、错误检测和数据记录功能可用于收集整个工厂车间的实时操作信息，从而进一步减少停机时间。

　　IO-Link 系统的架构由 IO-Link 主站和各种 IO-Link 设备之间的点对点连接组成。使用标准 M8 或 M12 连接器和 20 米 (m) 长的 3 芯或 4 芯电缆可简化系统安装。IO-Link 主设备通常有 4 或 8 个端口，每个端口连接到一个 IO-Link 设备。每个端口都可以在标准输入/输出(SIO)模式或双向通信模式下运行。由于 IO-Link 是点对点架构，因此它不是现场总线，但它与现场总线和工业以太网兼容，并且可以连接到可编程逻辑控制器 (PLC) 和人机界面 (HMI)(图 1)。

　　图 1：IO-Link 与现场总线和 IEEE 工业以太网网络兼容。(图片来源：IO-Link 社区)

　　除了在SDCI模式下运行外，IO-Link还向后兼容IEC 60974-5-2二进制传感器标准。基本的点对点通信使用 3 线接口(L+、C/Q 和 L-)。在IO-Link模式下，主设备与从设备之间的通信是双向的，具有三种可能的传输速率;COM1 为 4.8 kbps (kbps)，COM2 为 38.4 kbps，COM3 为 230.4 kbps(图 2)。IO-Link 主站必须支持所有三种数据速率，以便它可以与任何连接的从设备通信。从设备仅支持一种数据速率。使用 C/Q 线路上的非归零 (NRZ) 编码进行 24 伏脉冲通信。在 IO-Link 模式下，引脚 2 可以处于数字输入 (DI) 模式、数字输出 (DO) 模式或未连接。 IO-Link 设备(传感器或执行器)必须在 L+ 超过 18 伏阈值后的 300 毫秒 (ms) 内运行。

　　图 2：IO-Link 通信是双向的，可以支持 4.8、38.4 和 230.4 kbps。(图片来源：)

　　IO-Link 设备说明

　　所有 IO-Link 传感器和执行器都有一个 IO-Link 设备描述 (IODD) 文件(图 3)。IODD 是一个 xml 文件，它为 IO-Link 主设备提供识别和配置设备以及解释其数据所需的数据。

　　IODD内容包括

　　支持通信所需的属性

　　设备参数

　　识别信息

　　过程和诊断信息

　　设备的图像和制造商的徽标

　　IODD的结构与IEC 61131-9分开概述

　　IODD文件的集中式数据库由IO-Link联盟维护

　　图 3：IODD 是一个 xml 文件，其中包含 IO-Link 主设备识别、配置和与每个从设备通信所需的信息。(图片来源：ADI公司)

　　数据链接和数据类型

　　IO-Link 主站和设备之间的消息交换由数据链路 (DL) 层管理。消息是长度在 1 到 66 个通用异步接收器发射器 (UART) 字之间的帧，称为“M 序列”。消息可以与请求数据、系统管理请求和命令以及常规流程数据相关。主站包括一个 DL 处理程序，用于处理错误和错误消息，并管理唤醒、SIO 和 COM 速率等操作模式。当主设备发送请求时，设备需要响应。

　　IO-Link 通信可以是同步的，也可以是异步的。IO-Link 主站和设备包括用于同步通信的过程数据处理程序，以及用于事件、控制、参数和索引服务数据单元 (ISDU) 数据异步通信的按需处理程序。异步数据是应请求的，可以包含以下内容：

　　配置或维护信息和控制。

　　事件触发，具有三个紧急级别：

　　错误

　　警告

　　通知

　　页面数据可直接读取设备参数

　　大数据结构的服务数据

　　将 IO-Link 集成到主设备和设备中可能很复杂。有必要全面实施这些标准，以确保设备的互操作性和可靠的系统运行。为了将高效可靠的IO-Link通信快速集成到智能工厂执行器中，设计人员可以为主机和设备使用预先设计的解决方案。IO-Link 器件控制器 IC 具有具有有源反极性保护功能的超低功耗驱动器，可带或不带集成 DC/DC 转换器。它们还具有支持广泛诊断的串行外设接口 (SPI)。双通道、IO-Link 主收发器 IC 支持低功耗操作，并通过包括具有 UART 和先进先出 (FIFO) 功能的帧处理器来简化微控制器 (MCU) 选择。

　　用 IO-Link 取代气动执行器

　　IO-Link 提供了一种简单的方法来颠覆传统的过程控制方法，并通过用伺服驱动器和复杂的数字控制取代气动执行器来增强工厂运营。例如，设计人员可以使用 MAXREFDES37# IO-Link 伺服驱动器参考设计可加快上市时间(图 4)。此参考设计提供 5 V 电源，包括四个脉宽调制 (PWM) 输出，以及四个数字输入，可控制多达四个伺服电机。

　　该板包括一个 M12-4 连接器，用于连接到 IO-Link 主站。3 针针座支持快速连接到标准 5 V 伺服电机，其中一个包含在基本参考设计中。与 5 伏数字输入、电源接地和所有四个 PWM 通道的连接均使用线中戳接线端子进行。包括Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering的(TMG TE)IO-Link设备堆栈。MAXREFDES37# 可与 MAXREFDES277 采用 Pmod 外形的双通道 IO-Link 主站，包括图形用户界面 (GUI) 程序，可使用 Windows PC 轻松进行验证。

　　图 4：MAXREFDES37# 有一个 M12 连接器(左)，用于连接到 IO-Link 主站，并配有一个伺服电机(右)。(图片来源：ADI公司)

　　MAXREFDES37# 包含 MAX14821ETG+T IO-Link 收发器 IC 和 MAX17504ATP+T 降压稳压器 直流/直流集成电路MAX14821ETG+T收发器可与IO-Link器件和24V二进制传感器或执行器配合使用。支持所有指定的 IO-Link 数据速率，C/Q 和 DO 驱动器可以源出或吸收高达 100 毫安 (mA) 的电流。收发器运行DL层协议，与微控制器单元(MCU)接口。两个内部线性稳压器为功率传感器和执行器提供 5 伏和 3.3 伏直流电 (VDC)，还包括 24 伏数字输入和输出。集成的 DO 和 C/Q 驱动器可独立配置为推挽式、低侧 (NPN) 或高端 (PNP) 操作。收发器可通过SPI进行配置和监控。

　　板载MAX17504同步整流降压型DC/DC转换器工作在4.5至60 VDC输入范围。它的输出电压范围为 0.9 伏至 90% 的输入电压，可提供高达 3.5 安培 (A) 的电流。在 -40 至 +125 摄氏度 (°C) 范围内，调节精度为 ±1.1%。它具有峰值效率 >90%，关断电流为 2.8 微安 (μA)。

　　用于主站或集成 DC/DC 设备的收发器

　　对于 IO-Link 主站和设备的设计人员，有 MAX22514.该收发器具有高集成度(包括一个 DC/DC 降压稳压器、两个线性稳压器和集成浪涌保护器)、低功耗和晶圆级封装 (WLP)(2.5 毫米 (mm) x 2.6 mm) 或薄型四方扁平封装 (TQFN) 封装 (4 mm x 5 mm) 的选择，非常适合空间受限的工业 IO-Link 应用(图 5)。

　　例如，部件号 MAX22514AWA+ 在 WLP 中。其 SPI 支持可配置性和诊断，还支持 COM1、COM2 和 COM3 数据速率。

　　图 5：MAX22514 收发器高度集成，适用于 IO-Link 主机和器件。(图片来源：ADI公司)

　　为了缩短开发时间，设计人员可以使用参考设计，例如 MAXREFDES278#.这是基于MAX22514 IO-Link收发器的8通道电磁执行器参考设计，用于演示 MAX22200，一个 1 A 八通道集成串行控制电磁阀驱动器，带有集成场效应晶体管 (FET)。该参考设计包括一个集成式 DC/DC 降压稳压器。包括Windows兼容软件，提供图形用户界面(GUI)，用于探索MAX22514的特性。USB-A 到微型 B 电缆用于将评估板连接到 PC。

　　双通道主控

　　当需要双通道IO-Link主站时，设计人员可以转向 MAX14819自动柜员+ 收发器，包括两个辅助数字输入通道。集成的 IO-Link 成帧器消除了对外部 UART 的需求，集成的周期定时器使 MCU 无需处理时序关键型任务。该收发器可与 MAX14931FAWE+ 和 MAX12930EASA+T 数字隔离器。MAX14931FAWE+具有四个通道，用于单向传输数字信号。MAX12930EASA+T具有两个数据传输通道。这 MAX14819评估板# MAX14819A提供评估板，包括MAX14931和MAX12930数字隔离器(图6)。

　　图 6：MAX14819EVKIT# 双通道 IO-Link 主评估板包括 MAX14819 收发器以及 MAX12930 和 MAX14931 数字隔离器。(图片来源：ADI公司)

　　结论

　　为了获得IIoT和工业4.0的好处，需要快速且经济高效地部署传感器和换能器。为此，IO-Link 为工业自动化系统设计人员提供了一种标准、可靠、高效和模块化的方法。如图所示，使用现成的组件，设计人员可以使用 IO-Link 在边缘增加智能，用于调试、监控和重新配置传感器和执行器。