使用 IO-Link 提高工業 4.0 工廠的靈活性、可用性和效率

要支援工業 4.0 指標要件的數據採集和分析，通常要改變產線和製程，包括添加、移除或重新編程數位感測器、致動器、指示器和其他裝置。要在特性各有不同的傳統自動化網路協定中有效實作此支援並不容易。工業 4.0 的設置必須在已安裝的網路與不斷增長的本地感測器、致動器和指示器組合之間，添加另一層連接性和靈活性。

為了因應這些挑戰，IO-Link 以開放式標準的方式進行開發，可以將來自感測器、致動器和指示器等裝置的訊號連接到更高階的網路，如乙太網路 IP、Modbus TCP/IP 和 PROFINET，再進一步連接到可編程邏輯控制器 (PLC)、人機介面 (HMI) 裝置、監控和數據採集 (SCADA) 系統以及雲端。IO-Link 序列連接採用 IEC 61131-9 標準規格，搭配 IEC 60974-5-2 規定的簡易非屏蔽三線或五線標準電纜。自動化系統設計人員會發現 IO-Link 特別適合針對工業 4.0 工廠，支援連線裝置所需的快速部署和遠端配置、監測與診斷。

本文將回顧 IO-Link 的功能和優勢，並探討 IO-Link 網路的結構和運作，包括使用各種類型的 IO-Link 裝置來構建感測器、致動器和指示器的本地網路，以支援工業4.0。也會介紹來自 Banner Engineering 的實際產品範例，包括 IO-Link 主機、中樞和數據轉換器裝置。設計人員可以使用這些裝置有效部署大量的工業 4.0 邊緣裝置。

IO-Link 適合哪些地方？

IO-Link 可提供一個較低階層的網路，以擷取來自分散式感測器、致動器和指示器的數據，再連接到轉換器，將數據轉換成 IO-Link 格式，接著再發送到必要的 IO-Link 中樞或主機裝置，以便連接到更高階層的工廠網路，如乙太網路、Modbus 和 PROFINET (圖 1)。

圖 1：IO-Link 提供完整的解決方案，可將傳統和其他的感測器、致動器和裝置 (左) 連接到工業 4.0 網路中現有的 SCADA、HMI 和雲端 (右)。(圖片來源：Banner Engineering)

IO-Link 的關鍵屬性包括：

• 開放標準
• 支援本地裝置的快速整合、配置和試運轉，以加快切換速度並提高靈活性，且可將技術人員的人工支援作業需求降至最低。
• 與現有自動化網路的相容性
• 強大的雙向通訊，無論是同步或非同步，都可將通訊效率發揮至最大
• 達到裝置等級的遠端診斷支援
• 能動態更改感測器或致動器的參數，以加速製程最佳化
• 整合式的裝置識別和自動化參數重新分配，以發揮最大的可用性

如何連接 IO-Link 裝置

IO-Link 網路中的裝置可使用最長達 20 公尺的三芯或五芯非屏蔽電纜進行連接。IEC 60947-5-2 針對主機與裝置的引腳分配有所規定。公連接器分配給裝置，母連接器則用於主機。連接器可以採用 M5、M8 或 M12，最多用五個引腳。在主機端，引腳 1 和 3 之間提供高達 200 mA 的 24 VDC，可當作裝置的選用電源。引腳 4 依據 IEC 61131-2 指定為數位輸入 (DI) 或數位輸出 (DO)，且依據 IEC60947-5-2，可支援對傳統裝置的向下相容性。

主機連接埠分為兩類：A 和 B；在 A 類連接埠中，引腳 2 和 5 並未連接 (NC)，在 B 類連接埠中，這兩個引腳則可配置為 DI、DO、未連接 (NC)，或者可以提供額外的電源。在大多數工業裝設中，會使用 M12 快速斷開連接器。圖 2 可概覽 IEC 60974-5 規定的引腳分配：

• 引腳 1：+24 VDC，最大 200 mA (L+)
• 引腳 2：數位 I/O (僅限 PNP)
• 引腳 3：0 V (L-)
• 引腳 4：數位 I/O (NPN、PNP 或推挽式) 和 IO-Link 通訊
• 引腳 5：中心引腳 NC (選用)

圖 2：IO-Link 是一種簡單的解決方案，可針對邊緣端的裝置，如感測器和致動器等，提供電源和數據連接。(圖片來源：Banner Engineering)

為何選擇 IO-Link？

IO-Link 可透過標準化、可靠且低成本的佈線進行簡單的裝置安裝或更換，有助於大幅增進工業 4.0 網路的效能。此外，在設計上還可簡化隔離式感測器與現有網路的整合。IO-Link 的優勢包括：

使用 IO-Link 將隔離式裝置與自動化群體連接到統一的網路中，即可促成資料可用性。感測器層級的資料並非永遠可用，也不容易取得。透過 IO-Link，就可輕鬆擷取資料，並可即時取用，讓流程最佳化，並支援主動式的機器和感測器維護。IO-Link 支援三種主要資料類型，並可進一步歸類為會定期自動傳送的週期性資料，或在請求或有需要時才會傳送的非週期性資料：

• 製程資料：這是指裝置傳送到主機的感測器讀數等資訊，以及來自主機，用於控制裝置操作的資訊，例如點亮塔式照明燈具上的特定區段。製程資料可以是週期性或非週期性。
• 服務資料：這包括裝置的相關資訊，有時稱為裝置資料。服務資料包括裝置的參數值、裝置描述以及型號和序號。這屬於非週期性資料，可以依據需求在裝置上來回讀寫。
• 事件資料：這包括錯誤處理資料，如超出參數設定的錯誤訊息，以及影像感測器上的鏡頭髒汙等維護警告資訊。每當觸發事件發生時才會以非週期的方式發送。

遠端配置能讓網路業者和技術人員透過軟體控制功能讀取和更改裝置參數，而無需實體接觸個別裝置。感測器的參數可依據需求進行動態更改，以便改進現有製程、加快產品和製程的變更、支持大規模客製化，並可將機器和生產線的停機時間降至最低。

透過遠端配置裝置的能力，即可簡化裝置更換作業。IO-Link 的自動裝置更換 (ADR) 功能可以針對更換的裝置提供自動參數調整和重新分配。透過 ADR，網路業者就可將現有的參數值匯入到替換裝置，或根據需求更新參數，以確保快速準確進行網路修改和維護。

延伸診斷功能可運用 IO-Link 的週期性與非週期性通訊能力，為網路業者提供與工廠中各裝置運作狀態有關的眾多資訊。遠端診斷裝置運作的能力可以加速判斷裝置是否劣化或超出運作規格。如此一來，就可有效進行維護或裝置更換的排程。

標準化且簡易的佈線是 IO-Link 的關鍵特點之一。與其他網路協定不同的是，IO-Link 裝置、轉換器、中樞和主機都使用簡易且低成本的非屏蔽電纜和快速斷開連接器進行連接。IO-Link 的主從架構可進一步簡化佈線需求，也沒有網路配置的疑慮。

開始使用：IO-Link 主機／控制器

自動化系統設計人員若想要添加或擴充 IO-Link 的使用，首先可先挑選 IO-Link 主機 (或控制器)，例如 Banner Engineering 的 DXMR90-4K 就可匯集多個來源的資料，提供本地資料處理能力，並可促成與更高層級網路的連接 (圖 3)。

圖 3：DXMR90-4K IO-Link 主機裝置可將來自四個本地來源的資料合併，再連接到更高層級的網路。(圖片來源：Banner Engineering)

DXMR90-4K 的四個連接埠可支援與多達四個 IO-Link 裝置同時通訊。此外也支援數據採集、邊緣處理和通訊協定的轉換，以便連接工業乙太網路或Modbus/TCP，並且可以將資料傳輸到Web 伺服器。DXMR90-4K 的其他特點包括：

• 緊湊輕巧的外殼，可節省空間並簡化部署
• IP67 防護等級，因此不需要另外的控制機櫃，可進一步降低安裝成本
• 有利於彙整電纜佈線，將佈線的複雜性與重量降至最低，這對機器人等應用來說尤其重要
• 可擴充的內部邏輯控制器，可運用動作規則和 ScriptBasic 程式設計，可支援高度靈活性

為了簡化安裝，設計人員可以轉用 R45C-2K-MQ 雙埠 IO-Link Master 等裝置進行 Modbus 連接。

IO-Link 中樞

若要將多個感測器或致動器連接到單一個 IO 主機，設計人員可使用 IO-Link 中樞來匯集感測器和致動器的訊號，再透過單一條電纜輸到 IO-Link 主機。舉例而言，R90C-4B21-KQ 具有四個輸入埠，並使用標準 M12 連接器連接到主機 (圖 4)。這是一個緊湊的雙模 (PNP 或 NPN) 對 IO-Link 裝置轉換器，可連接離散輸入，並將數值發送到 IO-Link 主機。特點包括：

• 延遲模式，包括開／關延遲、開／關／可重新觸發的單擊、開／關、脈衝延伸器和累加器
• 測量指標包括計數、每分鐘事件數和持續時間
• 離散鏡像能讓訊號 (輸入和輸出) 鏡像到四個連接埠中的任何一個
• 離散 I/O 可獨立配置成 NPN 或 PNP
• 堅固的包覆成型 IP68 防護等級設計

圖 4：R90C-4B21-KQ 中樞可以彙整來自四個裝置的通訊，然後與 IO-Link 主機裝置連接。(圖片來源：Banner Engineering)

IO-Link 訊號轉換器

IO-Link 網路可以使用多種類型的轉換器來連接感測器和其他裝置，就可利用多種訊號類型，例如離散 PNP 或 NPN 訊號、類比 0 至 10 VDC 訊號以及電流感測器。IO-Link 訊號轉換器的範例包括：

• R45C-K-IIQ IO-Link 對類比電流的輸入或輸出轉換器 (圖 5)
• R45C-K-UUQ 轉換器，可用於類比電壓輸入或輸出
• R45C-K-IQ 轉換器，可用於類比電流輸出
• R45C-K-UQ 轉換器，用於類比電壓輸出

圖 5：R45C-K-IIQ IO-Link 轉換器可以使用類比輸入和輸出將主機裝置與本地裝置連接。(圖片來源：Banner Engineering)

還提供 IO-Link 直列轉換器，大小與一個 AA 電池差不多。這些轉換器可以處理多種訊號類型，並轉換成 IO-Link、Modbus 或其他協定。例如，S15C-I-KQ 屬於類比電流對 IO-Link 轉換器，可連接到 4 至 20 mA 電流源，再將值輸出到 IO-Link 主機。這些轉換器體積小，可簡化傳統感測器添加到網路中的作業，並具有標準傳輸協定，以便監測製程或環境。具有 IP68 防護等級，因此可廣泛應用在工業環境中。

結論

IO-Link 具備必要的連接性，可將傳統與其他邊緣裝置與主要的乙太網路 IP、Modbus TCP/IP 或 PROFINET 網路連結在一起，藉此採集必要的資料，讓工業 4.0 工廠發揮最佳化效能。採用 IEC 61131-9 制訂的標準化連接，搭配 IEC 60974-5-2 規定的簡易非屏蔽 3 線或 5 線標準電纜，可支援高程度的資料可用性、延伸診斷、遠端配置，並可簡化裝置更換、加快製程和線路更換。

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