IO‑Link：克服工业自动化瓶颈

工业 4.0 依赖于控制器和现场设备之间的高级自动化以及实时双向数据流。智能传感器和执行器现已无处不在，催生了 IO‑Link 协议，这是这些设备在工业自动化系统内进行通信的标准化方式。

从历史上看，现场设备都是并行连接的，这种设置不灵活、成本高昂且难以扩展。现场总线技术改善了这种情况，但仍然需要屏蔽并提供低信号电平。 IO-Link 通过提供与现有现场总线网络无缝集成的简单、无屏蔽、点对点接口来消除这些痛点。

根据 Future Market Insights 的预测，全球 IO‑Link 市场预计将从 2022 年的 483 亿美元增长到 2032 年的 731 亿美元，复合年增长率为 26%。

IO-Link 由 IO-Link 联盟于 2006 年推出，是工业环境中 I/O 通信的 IEC-61131-9 国际标准。主要特点包括：

双向数字点对点通信 - 通常称为单点通信接口 (SDCI)。
现场总线中立性：IO-Link 主站可以位于 Profibus、Profinet、Devicenet、Ethernet/IP、EtherCAT、CC-Link 或 CC-LinkIE 之上，让架构师可以自由地为他们的工厂选择最佳主干。
标准非屏蔽电缆（三线、四线或五线），长度可达 20m，供电电压为 24V，承载开关或编码信号。
每个设备均由唯一的 IO 设备描述 (IODD) 进行标识，该描述存储其通信配置文件和可配置参数。
支持的波特率为 4.8、38.4 和 230.4kbaud。

图 1：典型 3 引脚 IO-Link 引脚配置（来源：Sonu Daryanani）。

为了说明其优势，请考虑两个实际应用：液压缸系统和包装线。

图 2：使用 IO‑Link 的液压缸控制（来源：Balluff Inc.）。 IO‑Link 可通过巴鲁夫的可配置模拟转换器精确测量和调节温度、流量和其他模拟信号。这些设备将 RTD、热电偶和其他模拟输入转换为数字值，同时提供短路、温度偏移和断线诊断。

模拟数据通常占总流量的 10% 左右，传统上需要屏蔽电缆和昂贵的多通道模块。借助 IO‑Link 的抗噪声点对点接线，简单的非屏蔽电缆就足够了，从而降低了接线和调试成本。

“IO-Link 通过简化布线、快速参数下载以及跨供应商的统一接口来节省成本，”巴鲁夫自动化专家 Shishir Rege 说道。

还可以集成联锁装置和开关等安全装置，如图3所示。

图 3：通过 IO‑Link 集成安全传感器（来源：Balluff Inc.）。

包装线需要快速转换、高分辨率定位和强大的诊断功能。 Sensata Technologies 的 IO‑Link 传感器（包括绝对编码器（AHx5、THx5）、增量编码器（DHx5）和霍尔效应位置传感器（ACW4、TCW4））提供即插即用配置和实时监控。

图 4：使用 IO‑Link 的包装自动化原理图（来源：SensataTechnologiesInc.）。

图5：THM5多圈编码器（来源：SensataTechnologiesInc.）。

“IO‑Link 的即插即用功能与快速诊断和 230.4kbaud 下的 1 毫秒周期时间相结合，可显着减少停机时间并提高灵活性，”Sensata 编码器工程经理 Jean‑Marc Hubsch 说道。

IO‑Link 无线镜像了有线协议，但在 2.4 GHz 频段运行，非常适合移动或非固定现场设备。一个主控器最多可托管 5 个通道，每个通道支持 8 个设备，从而在高 EMI 环境中每个主控器可支持 40 个设备，每个单元可支持 120 个设备。

IO-Link Safety 通过功能安全 (FS) 通信扩展了协议。安全设备（输出开关传感设备、OSSD）可以通过冗余信号连接——利用标准 3 引脚配置中的引脚 2——提供经过认证的安全功能。

IO-Link 提供单一标准化接口，统一来自多个制造商的智能传感器，从而实现远程实时配置和诊断。通过消除屏蔽要求、降低布线复杂性以及支持无线和安全等未来扩展，IO‑Link 加速了工业 4.0 在各个行业的采用。

关键词：5G 天线设计、5G 与光纤、ADC 分辨率、模拟计算、模拟调制、模数转换器、音频与数字接口、自动化、制造设计、SiC 上的 GAN、Halo Wi‑Fi、工业、工业 4.0、SiC 掺杂、SiC 与 GAN、碳化硅海绵。

工业技术