如何使用 IO-Link 提升智慧工廠致動器的生產力

業界正持續朝工業 4.0 或工業物聯網 (IIoT) 轉型，以實現更高的效率、安全性、生產力，以及更低的整體成本。其中的一個關鍵要素為元件連線能力。這可能具有挑戰性，因為不僅需要選擇適合的通訊標準，還需要設計相關介面和相關軟體，這些都會拖延智慧工廠的部署速度。

工業自動化系統設計人員需要採用一種標準、可靠、高效率且更高模組化的方式，達到快速且符合成本效益的部署。

為解決此問題，設計人員可轉用 IO-Link，是經過驗證且適用於智慧工廠的介面。IO-Link 是一種雙向、點對點、單點數位通訊介面 (SDCI)，遵循的規範包括 IEC 61131-2、IEC 61131-9 (SDCI) 和 IO-Link 1.1.3 數種標準。

本文將簡要探討轉型為智慧工廠的過程，及其為設計人員帶來的挑戰。接著會概述 IO-Link 的運作，以及其如何簡化智慧工廠部署。文中會以 Analog Devices 的 IO-Link 元件為範例說明，包括可用於替代氣動致動器並提供增強效能的從屬元件、配備整合式 DC-DC 轉換器的從屬元件，以及主控元件。還包含公版設計，可協助您快速使用 IO-Link 實作工業致動器。

簡化轉型為智慧工廠的過程

若要轉型為智慧工廠，更需要針對感測器和致動器的調適、監測以及重新設定的過程，找到為其增添邊緣智慧的方式。IO-Link 的簡易安裝與雙向通訊能力，可支援部署邊緣智慧。在 IO-Link 的一個應用實例中，IO-Link 被認定能成功縮短 90% 的設定與調適時間。

實際上，您可透過 IO-Link 下載參數設定，以設定或重新設定元件。這樣就無須讓技術人員介入處理，並可減少停機時間。IO-Link 具備智慧診斷、錯誤偵測以及資料記錄功能，可用於收集整個廠區的即時運作資訊，進一步減少停機時間。

IO-Link 系統架構是由 IO-Link 主控裝置與各種 IO-Link 元件之間的點對點連線所構成。採用標準 M8 或 M12 連接器以及一條 20 m 的 3 線或 4 線纜線，可簡化系統安裝作業。IO-Link 主控裝置通常具有 4 個或 8 個連接埠，每個連接埠皆會連接至 IO-Link 元件。每個連接埠皆能以標準輸入／輸出 (SIO) 模式或雙向通訊模式運作。IO-Link 是一種點對點架構而非現場匯流排，但可與現場匯流排和工業乙太網路相容併用，並可連接至可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機介面 (HMI) (圖 1)。

圖 1：IO-Link 相容於現場匯流排和 IEEE 工業乙太網路。(圖片來源：IO-Link Community)

除了以 SDCI 模式運作外，IO-Link 還向下相容於二進位感測器的 IEC 60974-5-2 標準。基本點對點通訊使用 3 線介面 (L+、C/Q、L-)。在 IO-Link 模式下，主控裝置與從屬元件之間的通訊會以三種可能的傳輸率雙向運作；COM1 為 4.8 kbps、COM2 為 38.4 kbps、COM3 為 230.4 kbps (圖 2)。IO-Link 主控裝置必須支援所有三種數據傳輸率，方可與任何連接的從屬元件通訊。從屬元件僅支援一種數據傳輸率。通訊採用 24 V 脈衝，脈衝使用 C/Q 線路上的不歸零 (NRZ) 編碼。在 IO-Link 模式下，引腳 2 可處於數位輸入 (DI) 模式、數位輸出 (DO) 模式或未連接狀態。IO-Link 元件 (感測器或致動器) 必須在 L+ 超過 18 V 閥值後，在 300 ms 內運作。

圖 2：IO-Link 通訊是雙向且可支援 4.8、38.4、230.4 kbps。(圖片來源：)

IO-Link 元件描述

所有 IO-Link 感測器與致動器皆有一個 IO-Link 元件描述 (IODD) 檔案 (圖 3)。IODD 是一個 xml 檔案，為 IO-Link 主控裝置提供所需的資料，用以識別和設定元件並解譯其資料。

• IODD 內容包括
  • 支援通訊所需的屬性
  • 元件參數
  • 識別資訊
  • 製程與診斷資訊
  • 元件與製造商標誌的圖片
• IODD 的結構與 IEC 61131-9 分開概述
• IODD 檔案的集中式資料庫是由 IO-Link 聯盟負責維護

圖 3：IODD 是一個 xml 檔案，其包含 IO-Link 主控裝置所需的資訊，用以識別、設定各從屬元件並與之通訊。(圖片來源：Analog Devices)

資料連結與資料類型

IO-Link 主控裝置與元件之間的訊息交換是由資料連結 (DL) 層來管理。訊息是長度介於 1 至 66 個通用型異步收發器 (UART) 字節的訊框，稱為「最大長度序列 (M sequence)」。訊息可與請求式資料、系統管理請求與命令，以及一般製程資料相關。主控裝置包含一個 DL 處理常式，負責處理錯誤與錯誤訊息，以及管理喚醒、SIO 和 COM 速率等眾多運作模式。當主控裝置傳送請求時，元件必須予以回應。

IO-Link 通訊可為同步或非同步。IO-Link 主控裝置和元件包含適用於同步通訊的製程資料處理常式，以及適用於事件、控制、參數和索引服務資料單位 (ISDU) 資料非同步通訊的請求式處理常式。非同步資料為請求式，可能包含下列內容：

• 設定或維護資訊和控制。
• 觸發的事件，具有三種緊急程度：
  • 錯誤
  • 警告
  • 通知
• 直接讀取元件參數的頁面資料
• 大型資料結構的服務資料

將 IO-Link 整合至主控裝置和元件中可能很複雜。必須完整實作標準，以確保元件互操作性和可靠的系統運作。若要將高效率且可靠的 IO-Link 通訊迅速整合至智慧工廠致動器中，設計人員可採用針對主控裝置與元件預先進行工程設計的解決方案。IO-Link 元件控制器 IC 配備超低功率的驅動器，其具備主動反轉極性保護功能，且可選擇是否搭配整合式 DC/DC 轉換器使用。此外還具備支援廣泛診斷的序列周邊介面 (SPI)。雙通道 IO-Link 主控裝置收發器 IC 支援低功率運作，且包含具備 UART 與先進先出 (FIFO) 功能的訊框處理常式，可簡化微控制器 (MCU) 的選擇。

將氣動致動器替換為 IO-Link

IO-Link 將氣動致動器替換為伺服驅動器與精密的數位控制器，可輕易顛覆傳統的製程控制方式並提升工廠作業。例如，設計人員可使用 MAXREFDES37# IO-Link 伺服驅動器公版設計來加快上市 (圖 4)。此公版設計提供 5 V 的功率，包含四個脈寬調變 (PWM) 輸出端，以及四個數位輸入端，可控制最多四個伺服馬達。

此電路板包含一個 M12-4 連接器，用於連接至 IO-Link 主控裝置。3 引腳排針座支援快速連接至標準 5 V 伺服馬達，其中一個馬達隨附於基本公版設計。使用插入式電線端子台，可連接至 5 V 數位輸入端、接地端以及所有四個 PWM 通道。隨附 Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE) 的 IO-Link 元件堆疊。MAXREFDES37# 可與採用 Pmod 尺寸的 MAXREFDES277 雙通道 IO-Link 主控裝置一同併用，其包含圖形使用者介面 (GUI) 程式，可使用 Windows PC 輕鬆執行驗證。

圖 4：MAXREFDES37# 具備用於連接至 IO-Link 主控裝置的 M12 連接器 (左)，隨附一個伺服馬達 (右)。(圖片來源：Analog Devices)

MAXREFDES37# 配備 MAX14821ETG+T IO-Link 收發器 IC 與 MAX17504ATP+T 降壓穩壓器 DC/DC IC。MAX14821ETG+T 收發器可搭配 IO-Link 元件與 24 V 二進位感測器或致動器一同使用。支援所有指定的 IO-Link 數據傳輸率，且 C/Q 和 DO 驅動器可流入及流出高達 100 mA 的電流。收發器執行 DL 層通訊協定，可介接微控制器單元 (MCU)。兩個內部線性穩壓器提供 5 至 3.3 V 的直流電 (VDC)，為感測器和致動器提供電力，此外也包含 24 V 數位輸入端與輸出端。整合式 DO 與 C/Q 驅動器可針對推挽式、低側 (NPN) 或高側 (PNP) 運作獨立設定。可透過 SPI 設定和監測收發器。

板載 MAX17504 同步整流降壓 DC/DC 轉換器的操作電壓輸入範圍為 4.5 至 60 VDC。其輸出電壓範圍為 0.9 V 至輸入電壓的 90%，並可提供最高 3.5 A 電流。穩壓準確度為 ±1.1%，從 -40°C 至 +125°C。其峰值效率大於 90%，關斷電流為 2.8 μA。

配備整合式 DC/DC 的主控裝置或元件收發器

IO-Link 主控裝置與元件設計人員可採用 MAX22514。這是一款高度整合的收發器 (包含一個 DC/DC 降壓穩壓器、兩個線性穩壓器以及整合突波防護)，具備低功率耗散的特性，並有晶圓級封裝 (WLP) (2.5 mm x 2.6 mm) 或輕薄方型扁平封裝 (TQFN) (4 mm x 5 mm) 可供選擇，非常適合空間受限的工業 IO-Link 應用 (圖 5)。

例如，零件編號 MAX22514AWA+ 採用的是 WLP。其 SPI 支援可設定性與診斷功能，此外還支援 COM1、COM2 和 COM3 數據傳輸率。

圖 5：MAX22514 收發器經過高度整合，適合用於 IO-Link 主控裝置和元件。(圖片來源：Analog Devices)

為了縮短開發時間，設計人員可採用 MAXREFDES278# 等公版設計。這是以 MAX22514 IO-Link 收發器為基礎的 8 通道螺線管致動器公版設計，展示 MAX22200，係 1 A 八通道整合序列控制螺線管驅動器，具有整合式場效電晶體 (FET)。此公版設計包含整合式 DC/DC 降壓穩壓器。隨附 Windows 相容軟體，提供方便探索 MAX22514 功能的圖形使用者介面 (GUI)。USB-A 轉 micro-B 纜線用於將評估板連接至電腦。

雙通道主控裝置

需要雙通道 IO-Link 主控裝置的設計人員可選購 MAX14819ATM+ 收發器，其提供兩個輔助數位輸入通道。整合式 IO-Link 組成器無需外部 UART，且整合式週期計時器可分擔 MCU 的負荷，使其無須處理注重計時的工作。此收發器可搭配 MAX14931FAWE+ 和 MAX12930EASA+T 數位隔離器一同使用。MAX14931FAWE+ 具有四個通道，可單向傳輸數位訊號。MAX12930EASA+T 具有兩個資料傳輸通道。MAX14819EVKIT# 評估套件可用於 MAX14819A，且包含 MAX14931 和 MAX12930 數位隔離器 (圖 6)。

圖 6：MAX14819EVKIT# 雙通道 IO-Link 主控裝置評估套件包含 MAX14819 收發器以及 MAX12930 和 MAX14931 數位隔離器。(圖片來源：Analog Devices)

結論

為了受益於 IIoT 與工業 4.0，需快速部署感測器和傳感器且合乎成本效益。為此，IO-Link 為工業自動化系統設計人員提供了一種標準、可靠、高效率且更高模組化的方式。如本文所述，設計人員可利用現成的元件，使用 IO-Link 來為感測器和致動器的調適、監測以及重新設定的過程增添邊緣智慧。

推薦閱讀

1. 如何為 IIoT 中的工業 4.0 資料處理最佳化設計模組化覆蓋網路