IO-Link 1.0 更新至 IO-Link 1.1

IO-Link 數十年來一直廣泛使用，而近幾年的採用率則大幅增長。正如 DigiKey 的文章《IO-Link 1.0 與 1.1 的比較》所述，國際電工委員會的 IEC 61131-9 開放標準 (IO-Link 品牌) 為自動化元件提供容易使用的連接能力。這個單點 (Single-Drop) 數位通訊介面 (SDCI) 能將小型感測器與致動器 (稱為現場裝置或次要裝置) 連接到 IO-Link 控制器中樞，或將主裝置等連接到自動化設備的其他部位。IO-Link 的好處之一是可使用一般非屏蔽纜線 (達 20 公尺長，採用三至五條導線絞線) 進行連接。

本文將更完整說明 IO-Link 1.1 版新增的三個功能：

• IO-Link 1.1 可備份資料，因此工廠人員可儲存並再次使用裝置參數
• IO-Link 1.1 的每個連接埠可以處理最多 32 位元組的數據寬度
• IO-Link 1.1 可接受 IO-Link 1.1 主裝置的 230.4 kbaud 數據傳輸率

圖 1：IO-Link 通訊能讓 R.A JONES 透過配方更密切監測感測器的效能、維護和參數變化。這都是創新工程師經理 Nate Smith 的功勞。事實上，IO-Link 正迅速成為自動化領域中現場裝置 (次要裝置) 通訊的領先業界標準。(圖片來源： R.A JONES)

IO-Link 1.1 作為參數指派伺服器

IO-Link 元件的控制整合是透過配置軟體進行，其會運用與各個 IO-Link 元件相關的標準化 IO 裝置描述 (IODD) 檔。這些 IODD 檔 (會儲存元件的機型、工作範圍、支援診斷功能的資料、顯示在 HMI 與 GUI 上的符號) 屬於 .xml 檔，由元件製造商提供，可透過其網站以及 ioddfinder.io-link.com ，支援 IO-Link V1.0 與 V1.1。

IO-Link 1.1 的新功能是讓某些 IO-Link 1.1 主裝置可在本機儲存 IODD 檔和輔助資料，藉此提供參數指派伺服器功能給網路中的其他裝置。在此功能 (以及舊版 IO-Link 設備) 推出之前，使用者要交換新的或替換用的現場裝置時，必須先配置裝置，方法通常是插入 PC 的 USB 埠，然後透過軟體手動執行設定作業。

1.1 版在此方面有另一個優點，就是使用者現在可以 (在許多情況下) 熱抽換不同製造商的相容 IO-Link 邊緣裝置，如此一來就有更多基本上可互換的裝置選擇。若要在高產量生產線上緊急替換故障或受損感測器時，這就特別有用。

IO-Link 1.1 更高速通訊的詳細說明

1.1 版的另一個新功能就是通訊模式的傳輸率可支援更先進的現場裝置功能。COM3 SDCI 通訊的數據傳輸率可高達 230.4 kbit/s (在此也等於 230.4 kbaud)。這表示，最新一代的 IO-Link (1.1.3) 有所改善，以解決 IO-Link 長久以來不獲採用的問題，也就是此標準對於現代自動化應用來說速度不足。

更具體地說，1.1.3 版可提供週期時間，對週期性傳輸的製程資料進行即時通訊，如 DigiKey 針對此主題所編撰的文章所述；在某些情況下，甚至可達到比毫秒更短的週期。製程資料傳輸的即時頻寬 (以 kB/s 計算)，取決於主裝置向裝置請求訊息所花的時間、通訊方向交換器的延遲、現場裝置進行回應所花的時間，以及另一個通訊方向交換器的延遲。

對微控制器實體電路 (在某些情況下為獨立 IC) 有一些背景知識有助於瞭解 IO-Link 元件進行這些通訊的方式。在主裝置及其次要現場裝置中有稱為通用非同步收發器 (UART) 的電路，會將資料綑綁或裝框成封包以便傳輸。這些訓框的長度為 11 位元，其中一個位元用於傳遞開始，八個位元 (在 IO-Link 規格及官方文件中亦稱為八位元組) 用於成載實際的製程資料，另外兩個位元則用於傳遞同位與停止。

圖 2：Maxim Integrated 的 MAX14827AATG® 是低功率的雙驅動器 IO-Link 收發器，可整合到 IO-Link 裝置中。三線 UART 介面能讓 IO-Link 與微控制器 UART 連接，並具有多工 UART/SPI，因此可使用一個序列微控制器介面提供共用的 UART 和 SPI 功能。(圖片來源：Maxim Integrated)

根據 2019 年 6 月 IO-Link 1.1.3 規範的表 9，IO-Link COM3 配置傳輸每個位元需耗時 4.34 μs。此時間加上主裝置與次要裝置之間的封包延遲 (分別長達 4.34 μs 及其三倍)，再加上通訊方向交換器的 4.34 μs 至 43.0 μs 延遲，即便有如此最糟糕的毫秒內數據傳輸率情況，對於嚴格的工業應用來說仍然綽綽有餘。

通配符 (對即時頻寬有顯著影響) 是專門針對 IO-Link 網路挑選的訊息序列類型。不同的序列類型適合不同數量的非週期性或隨需型數據傳輸。因此，若要估算 IO-Link 配置的即時頻寬，計算時必須將製程資料以及系統傳訊允許的非週期性資料都納入考量。有些類型會指定固定流程與非週期性的隨需八位元組，有些則允許供應商或使用者將流程資料八位元組設定在 1 至 32 之間，並將非週期性資料八位元組設定為 1、2、8 或 32。簡而言之，要傳輸較少資料的系統，週期時間就會更快。

分析上述所有因素後，即可得到即時頻寬 – 由傳輸的流程資料 (僅此) (以 kbit 為單位) 除以總計算週期時間 (以 kbit/s 為單位)。舉例而言，若僅有一個週期性數據八位元組 (即 1 8) 和 32 個流程資料八位元組 (即 32 8)，週期時間剛好超過幾毫秒，頻寬超過 100 kbit/s。

所有新版 IO-Link 1.1 主裝置皆支援 COM3 和運用此數據傳輸率的自動化元件，並可自動調適到連接之次要裝置所用的傳輸率。事實上，一個主裝置對應多種不同週期時間的現場裝置是相當常見的，如此即可使用各種精密程度的感測器與致動器，並可漸進升級設計。採用 COM3 230.4 kbaud 數據速率的致動器 (通常採用本文下一段中介紹的 B 類連接埠配置) 含有流體動力和機電元件，包括氣動閥、線性氣缸、歧管，以及以步進馬達為基礎的小型現場裝置。最常用 COM3 的感測器包括位置和位移感測器，以及顏色、溫度和壓力感測器，這些在製程控制領域都相當常用。有些機械開關也運用此 COM3 通訊模式。

圖 3：Panasonic 的智慧型 HG-C1000L 系列感測器採用 IO-Link 的 COM3 連接，可支援遠端監測與預防性維護例行作業。板載感測器邏輯可以偵測正常、錯誤、警告和報警狀態。這些感測器在保固期內，亦有提供方法可快速針對感測器的設定及操作進行遠端重新配置。(圖片來源：Panasonic Industrial Automation Sales)

IO-Link 1.1 實體連接 (包括資料連接埠)

現在試想 IO-Link 的數據寬度變成每連接埠可處理 32 位元組的資料。IO-Link 主裝置上所有已啟動的連接埠都設置為處理數位輸出和輸入，或使用 UART 以半雙工模式當作 IO-Link 接點使用，如此一來，資料位元會以單位元序列傳送並接收。典型的四埠或八埠 IO-Link 主裝置可能會直接連接到多個現場裝置，或當作中介集線器使用，而傳輸寬度視此主裝置而定。典型 IO-Link 現場裝置的連接包括電源導線 L+ 和 M，以及 C/Q₁ 導線，後者會承載流程資料以及進行參數化、配置與診斷用的資料。

圖 4：智慧型感測器，如 SICK 壓力感測器就採用 IO-Link，可透過四或五引腳 M12 進行連接，因此能避免停機時間以及手動重新編程而引起的錯誤。這是因為這些智慧型感測器可透過機器的 PLC 進行參數的編輯與重新配置。請留意 IO-Link 連接器的 L+ 和 M 以及 C/Q₁ 連接。(圖片來源： SICK)

在此有個稍微複雜的問題需要注意，就是 IO-Link 規範允許主裝置與次要裝置皆可有 A 類和 B 類連接埠。A 類連接埠是由 IEC 60947-5-2 定義，應避免與 IEC 61076-2-101 定義的 A 編碼 M12 連接器混淆。請參閱 DigiKey 的《IO-Link 的基本原理》文章，進一步瞭解在 IO-Link 領域中無所不在的 M12 連接器。簡而言之，IO-Link 連接器引腳 2 和 5 有時會使用 (用途不一)，而引腳 1、3 和 4 則一定會使用 (僅有後者的用途才會改變)。A 類配置 (以四引腳 M5、M8 或 M12 連接器為基礎) 可允許更多 I/O 變化，甚至可接受高電流輸出以驅動致動器。相較之下，B 類配置則一直是五引腳 M12 連接。

無論類別為何，母端連接器的插座皆位於主裝置，公端連接器引腳則位於次要現場裝置。

每個埠 32 位元組的流程資料已經是以 IO-Link 連接的最先進感測器與致動器的最大值；事實上，超簡易型 IO-Link 次要裝置 (如交換器) 的資料寬度可能僅有 1 位元。若設定的資料寬度對應用來說不足，有些 IO-Link 主裝置可允許零碎式流程資料傳輸。IO-Link 的其他資料容量擴充方案包括使用多個引腳 4 導線達到雙向 IO-Link 與切換式通訊，以及與引腳 4 IO-Link 數據同時運作的雙通道資料傳輸通訊。對於後者，引腳 2 導線可能承載裝置特定的 I/O 或切換訊號 (雖然通常與狀態監測無關)，因此能解除 IO-Link 的負擔而去承載輔助訊號。這種 IO-Link 雙通道數據傳輸可達到即時通訊，而沒有遠端 PLC 相關的延遲 (包括週期時間)，因此可支援需要立即分析機器或裝置情況並進行回應的應用。

結論

IO-Link 1.1 版新推出的三個功能包括資料備份 (可儲存並再次使用裝置參數)；每個連接埠可處理高達 32 位元組的資料寬度；主裝置可達到 230.4 kbaud 資料傳輸率。這些功能可加速工業自動化領域採納 IO-Link 1.1。