IO-Link 的基礎知識以及使用 IO-Link 支援工業 IoT 的方式

製造商和廠房主管已逐漸意識到物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 的潛力，不但可以降低成本、改進製程與安全性，也可提升設備可用性與最終產品的品質。為了妥善運用這項潛力，營運工程師和現場技術人員需要方法，有效地部署及連結至少數百個 (若不到數千個) 智慧型感測器及致動器，以便針對當初並未採用雙向通訊設計的系統和製程元件，收集其相關資料。

同時，還需要將目前連線裝置與系統所組成的網路，高效整合到 IIoT 網路中，並盡可能以最低的成本和系統複雜度，全面達到可接受的互通性程度，而這項任務也同樣具有挑戰性。

IO-Link (IEC 61131-9) 單次擷取數位通訊介面標準是全球各地在解決許多這類感測器與致動器連線問題時，一般都會嘗試的作法。雖然理論很簡單，但困難之處在於這是個相對較新的標準，許多設計人員並不熟悉，也不知道該如何使用。

本文將 IO-Link 介紹給那些想要正確又快速實作感測器網路，卻又不熟悉此標準的營運工程師和技術人員。文中將透過範例介紹相關廠商提供的合適 IO-Link 系統元件，其中包括 STMicroelectronics、Texas Instruments、Carlo Gavazzi、Phoenix Contact、Analog Devices 和 Omron，並協助展開 IO-Link 實作實務的相關討論。

什麼是 IO-Link？

IO-Link 是一種數位型點對點有線 (或無線) 序列通訊協定，並採用普遍的三線式纜線進行感測器與致動器連接。另外，此協定還針對需要額外電力的裝置，納入標準的五線式介面。本協定由 IO-Link 聯盟開發，並於 2010 年整合到適用於可編程邏輯控制器 (PLC) 的 IEC 61131-9 標準中，以作為「小型感測器和致動器的單次擷取數位通訊介面」(SDCI)。

傳統 I/O 和 IO-Link 之間的主要差異，在於 IO-Link 能傳輸四種主要類別的資料：

• 處理資料：處理資料包括類比數值和切換狀態，且會週期性傳送，亦即在每個通訊週期內傳送。
• 數值狀態：每個連接埠都有數值狀態 (PortQualifier)，此數值狀態可指出處理資料是有效還是無效，也可連同處理資料一起進行週期性傳輸。
• 裝置資料：這類資料可以是參數、識別資料和診斷資訊。資料可進行非週期性交換，並在 IO-Link 主控裝置的要求下交換。裝置資料可寫入裝置中，也能從裝置讀取。
• 事件：事件並非週期性項目，可以是錯誤訊息 (如短路)、警告／維護資料 (如臟污、過熱)。

請注意，裝置參數或事件的傳輸會在處理資料的週期性傳輸之外獨立進行，這些傳輸並不會彼此影響或削弱。

IO-Link 不需要使用特別的纜線和連接器，反而指明要使用標準的三芯或五芯無遮罩纜線，長度上限則為 20 m，M5、M8 和 M12 圓形連接器則為標準配備。

在 IO-Link 命名法中稱為連接埠 A 類的三芯導線連接類型，三芯的其中一芯用於通訊，一芯用來供應電力給裝置電子元件，一芯則作為共同參考電位。這種連接可提供的最大電流輸出為 200 mA。相關規格也要求使用四引腳連接器，其中第四引腳可作為符合 IEC 61131-2 標準的額外訊號線。對主控裝置和裝置來說，這種支援都屬於選配。

前述五芯導線連接稱為連接埠 B 類，適用於需要由電流隔離式 24 V 獨立電源來供應額外電力的裝置 (通常是致動器)。

在 IO-Link 諸多特點中，其中一項就是現場匯流排的中性屬性。此特性可讓 IO-Link 的功能連接到幾乎任何現場匯流排。IO-Link 既可使用 Profibus、Profinet、EtherCAT 和 Sercos 等現場匯流排的標準化對應，也可使用 EtherNet/IP、CANopen、Modbus、CC-Link 和 AS-Interface 的製造商特定對應。

之所以能夠有這種現場匯流排的中性屬性，是因為每個 IO-Link 裝置都有一個 IO 裝置描述元 (IODD)，並且獨立於現場匯流排或控制器。IODD 包含裝置的相關資訊，如製造商、型號、序號、裝置類型及參數細節等。

IO-Link 系統的配置項目

IO-Link 系統是由 IO-Link 主控裝置、感測器和致動器等 IO-Link 裝置組成 (圖 1)。所有 IO-Link 裝置都會連接到 IO-Link 主控裝置。

圖 1：IO-Link 系統包含控制器 (黑色輪廓線) 以及一個 IO-Link 主控裝置 (或多個主控裝置)；主控裝置可透過標準的簡易型三線或五線式纜線連接感測器和致動器等 IO-Link 裝置。(圖片來源：IO-Link Community)

IO-Link 系統的控制器會由通訊主控裝置和 CPU 進行設定。控制器能執行使用者程式，並與 IO-Link 主控裝置交換 I/O。

IO-Link 主控裝置單元可作為從屬裝置，透過 EtherCAT、Profibus 或 Omron NX 匯流排等現場匯流排來連接至控制器 (圖 2)。此單元會與 IO-Link 裝置進行 IO-Link 通訊。

圖 2：IO-Link 主控裝置單元擁有多個連接埠，能以 1:1 方式連接到多個 IO-Link 感測器和致動器。(圖片來源：IO-Link Community)

若發生事件，裝置會傳送訊號給主控裝置，說明出現了事件。主控裝置接著會讀取該事件。錯誤訊息會透過 IO-Link 主控裝置，從裝置傳輸到控制器或人機介面 (HMI)。此外，IO-Link 主控裝置也能自行傳輸事件和狀態。例如線路中斷或通訊失敗等都屬於這類事件的範例。

IO-Link 主控裝置的每個連接埠皆能處理二進位交換訊號和類比數值 (如 8 位元、12 位元、16 位元)。IO-Link 序列通訊能透過相同的連接埠進行。除了輕鬆佈線之外，IO-Link 的額外優點還包括自動進行參數設定和眾多診斷功能。

IO-Link 標準可在每個週期提供 2 位元的處理資料。IO-Link 主控裝置和裝置之間的傳輸速度為 230 kbaud，傳輸時間為 400 μs。使用者可控制資料訊框大小，因此能以較小的週期時間，傳輸高達 32 位元的較大處理資料長度。

為確保在更換裝置時，裝置的參數資料不會遺失，資料可自動直接儲存在 IO-Link 主控裝置內。若是連接相同的全新更換裝置，則前個裝置的參數會自動傳輸到新裝置上。

STMicroelectronics 的 STEVAL-IFP016V2 IO-Link 通訊主收發器展示板，是主控裝置功能的絕佳範例 (圖 3)。此板擁有 STMicroelectronics 的 L6360 IO-Link 主控連接埠，能作為多個 I/O 裝置的通訊收發器：可同時符合 IO-Link 主控連接埠模式及標準的 I/O 模式。此板可介接外部微控制器，能展示 L6360 單晶片 IO-Link 主控裝置作為多個 I/O 通訊收發器的能力。

圖 3：STEVAL-IFP016V2 展示板包含 L6360 IO-Link 主控連接埠 (中間)，能展示 L6360 單晶片 IO-Link 主控裝置作為多個 I/O 通訊收發器的能力。(圖片來源：STMicroelectronics)

秘訣：務必向展示板製造商索取板件的光繪檔，以便整合到系統架構中。

另一個範例則是 Analog Devices 的 DC1880A 展示板，具有 LTC2874 四通道 IO-Link 主控裝置、熱抽換控制器及實體層介面 (PHY)。在特別情況下，也能對 LTC2874 進行設定，以便供電給較高電流的序列輸入／輸出 (SIO) 裝置 (圖 4)。¹

圖 4：DC1880A 展示板可用於 IO-Link 主控裝置的 LTC2874 四通道熱抽換控制器和 PHY。(圖片來源：Analog Devices)

此板透過外部電源運作，並使用 DC590B USB 序列控制器板，透過 SPI 協定與 LTC2874 進行通訊 (圖 5)。DC2026C 是 Linduino One 隔離式展示板，並且與 Arduino 相容，能讓 IO-Link 系統的支援軟體部份更加完備。

圖 5：若要開始使用 DC1880A 展示板，請下載相關的評估軟體、將 DC590B 板連接到 PC，並將 DC1880A 板連接到 DC590B 板。(圖片來源：Analog Devices)

若要開始使用 DC1880A 展示板，請下載 QuickEval 軟體，透過標準 USB A/B 纜線將 DC590B 板連接到 PC，並用 DC590B 板隨附的 14 芯帶狀纜線，將 DC1880A 板連接到 DC590B 板。DC1880A 板的跳線可用來設定不同的電壓，以供電給 DC590 板和多個 DC1880A 板的邏輯供電 (VL) 電壓引腳。電源啟動必須分階段完成。連接輸入電源前，請確保電壓在 40 V 以下，且在連接前關閉電源供應。

IO-Link 電源啟動作業

當 LTC2874 之類的 IO-Link 主控裝置電源啟動時，此裝置會詢問每個連接的裝置，以判定裝置的正確運作模式。如此即可混合使用舊款裝置與支援 IO-Link 的裝置，以在相同的系統中順暢運作。舉例來說，LTC2874 的連接埠可設定成一個包含 L+ 熱抽換的標準 I/O (SIO) 埠 (埠 4)，以及三個高電流 (SIO+) 埠 (圖 6)。

圖 6：LTC2874 四通道 IO-Link 主控裝置設定為三個高電流 SIO 埠 (SIO+) 和一個包含 L+ 熱抽換的標準 SIO 電流埠 (埠 4)。(圖片來源：Analog Devices)

若要獲得可供 LTC2874 在 SIO+ 模式中運作的任意大電流，可將熱抽換通道重新改造成較高電流的 SIO 驅動器。LTC2874 的額定通訊或訊號 (CQ) 電流為 110 mA。將 SIO 通道並聯，即可取得高達 440 mA 的較高電流。請注意，如此會超出 IO-Link 的 2000 mA 最大電流輸出規格要求。若設計人員選擇要超出 200 mA，則依然會保留 LTC2874 的 IO-Link 特性與能力，但會違反標準需求。

針對工業點對點通訊的 IO-Link 介面，Texas Instruments 的 SN65HVD101EVM IO-Link 介面評估板可用於 SN65HVD101 和 SN65HVD102 收發器，能協助設計人員評估裝置效能，以支援這兩種 IO-Link PHY 裝置進行快速開發與分析。

SN65HVD101 和 SN65HV2102 IO-Link PHY 採用 IO-Link 介面以進行工業點對點通訊。當裝置連接到 IO-Link 主控裝置時，便會回應主控裝置發起的通訊。這些 PHY 裝置會與主控裝置節點交換資料，發揮完整的實體層功能，以進行雙向通訊。

完整封裝的可部署 IO-Link 主控裝置包括 Phoenix Contact 的 DIN 軌道安裝式 1072839 IOL MA8 EIP DI8 八通道 IO-Link 主控裝置 (圖 7)。

圖 7：Phoenix Contact 的 1072839 八通道 IO-Link 主控裝置安裝在 DIN 軌道上，可形成 IO-Link 對 EtherNet/IP 和 Modbus TCP 的閘道。(圖片來源：Phoenix Contact)

IOL MA8 EIP DI8 可形成一個完整的 IO-Link 對 EtherNet/IP 和 Modbus TCP 的閘道，且能藉著 Web 管理功能來連接最多八個 IO-Link 感測器 (圖 8)。此產品有兩個歸類為交換器的乙太網路連接埠、狀態 LED，以及適用電源和 IO-Link 連接埠的易用型連接器。

圖 8：IO-Link 主控裝置的 Web 介面，可對所有已連接的 IO-Link 裝置進行完全控制及診斷。(圖片來源：Phoenix Contact)

可透過 Web 介面對所有 IO-Link 裝置進行完整存取。舉例來說，若要在 Web 介面上存取診斷頁面，使用者僅需登入 IOL MA8 EIP DI8，按下「Diagnostics」(診斷) 標籤，然後按一下想要的子標籤。若要顯示如圖 8 所示的「IO-Link Diagnostics」(IO-Link 診斷) 頁面，使用者僅需按下「IO-Link」子標籤。

IO-Link 感測器

有了 IO-Link，設計人員即可有效將資料從感測器直接傳送到控制系統。具備 IO-Link 能力的感測器非常靈活，可提供診斷功能給控制器，讓機器運作更有效率。除了偵測輸送帶上的物品等基本感測功能外，若有策略性地擺放合適的感測器，還能提供詳盡且準確的機器健全狀態。在 IIoT 中使用此功能，即可在故障發生前予以預測，以便改善設備運作時間和整體生產力。

IO-Link 的感測器選項相當豐富。舉例來說，Carlo Gavazzi 提供特別堅固的電容式接近感測器，即 CA18CAN12BPA2IO。此感測器的回應時間不到 10 ms，並使用該公司第四代 Tripleshield^TM 技術來改善電磁干擾 (EMI) 的耐受性，特別是變頻器的耐受性，也可改善濕度與灰塵的耐受性 (圖 9)。

圖 9：Carlo Gavazzi 的 CA18CAN12BPA2IO 電容式接近感測器是新一代 CA18CA 系列的 IO 感測器，可提供改良的 EMI 耐受性 (特別是變頻器的耐受性)，同時還可以改善濕度與灰塵的耐受性。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

此感測器通過 DIN 40050-9 標準針對高壓、高溫沖洗應用所規定的 IP69K 測試。隨附纜線長度為 2 m，感測範圍介於 2 至 10 mm (平面安裝) 或 3 至 15 mm (非平面安裝)。

可透過 IO-Link 介面調整的參數如下：

• 感測距離與磁滯
• 感測模式：單點、兩點或視窗模式
• 計時器功能如：啟動延遲、關閉延遲、單次前緣或單次後緣
• 邏輯功能如：AND、OR、X-OR 和 SR-FF
• 外部輸入
• 記錄功能：最大溫度、最小溫度、運作時數、運作週期數、通電週期數、超出最大溫度分鐘數、低於最小溫度分鐘數及其他等等

值得注意的是，這些感測器就跟所有的 IO-Link 感測器一樣，若未介接支援 IO-Link 的控制系統，則會當作標準感測器使用。因此，使用者可針對標準的 I/O 應用和 IO-Link 應用，採購相同的感測器，如此便能簡化選購流程並減少庫存成本。

若沒有 PC 或筆記型電腦，Carlo Gavazzi 提供 SCTL55 IO-Link 智慧型配置工具，此可攜式自供電裝置不僅能對感測器參數進行修改和最佳化，還能使用可用資料來改善流程並協助進行預測性維護 (圖 10)。

圖 10：適用於 IO-Link 感測器的 Carlo Gavazzi 智慧型配置工具可存取感測器資料並管理其參數。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

此智慧配置工具的使用者可透過 5.5" 高解析度觸控螢幕和專用的應用程式，存取進階診斷結果並排除故障，還能查看運作時數、偵測次數、運作週期和警報。

透過 IO-Link 升級舊款的自動化生產系統

IO-Link 標準聲明：只要 IO-Link 的系統對應已針對目標匯流排系統進行實作，便能以現有的現場匯流排結構來升級舊款系統。對現有匯流排系統進行擴充是可行的。為了在 IO‐Link 裝置和 PLC 之間交換資料，IO‐Link 主控裝置會將 IO‐Link 資料對應至所用的現場匯流排。

對於不具備 IO-Link 能力的感測器，若擁有標準 PNP 輸出或推挽式輸出，則可連接到 IO-Link 主控裝置，不需要使用特別的 IO-Link 纜線或連接器。

結論

在 IIoT 快速獲得採用下，設計人員需要快速的標準化方法，來部署並連接智慧型感測器及致動器。IO-Link 具有容易使用的數位介面，能實現此標準化目標。

如本文所述，許多現成的解決方案都能協助設計人員快速理解、評估並有效部署 IO-Link 裝置。如此一來，便能履行 IIoT 應用的相關承諾：改善製程、提高生產效率、加強安全性以及縮短停機時間。

參考資料

1. Quad IO-Link master with higher current SIO channels ADI Power by Linear, Design Note 566, Eric Benedict - November 29, 2017