IO-Link 1.1 是什麼、該如何使用

本文將探討 IO-Link 並瞭解 IO-Link 1.1 與前代的差異何在。接著會概述 IO-Link 在自動化設備中的適用之處。

圖 1：IO-Link 的運用在近幾年蓬勃發展，特別是在機器人末端效應及其他器動應用。(圖片來源： SICK Inc.)

IEC 61131-9 標準的背景說明

IEC 61131-9 標準 (列示於 IO-Link 商標名稱 下方) 屬於開放式標準，制訂一個系統，將連接能力賦予機器自動化領域常用的致動器與感測器。根據一些預測資料顯示，搭載 IO-Link 能力的裝置，其銷售表現在未來數年內，每年都會加倍成長 (在 2023 年前將超過 120 億美元)。除此之外，更有越來越多的 OEM 廠商與工廠工程師逐漸在新採購及現有的硬體上探索及運用 IO-Link 的功能，因此在過去幾年內 IO-Link 的運用甚至呈現爆發式成長。

歷史概述

國際電工委員會 (IEC) 在 1982 年針對可編程控制器及其軟體制訂了初版規範。此份標準在 1993 年進行更新並重新更名為 IEC 1311，之後更在 1997 年進行後續更新，並再次更名為國際標準 IEC 61131。

IEC 61131 第 9 篇 (此為 IO-Link 的標準) 是由 IEC 兩個小組委員會合作，共同針對「小型感測器與致動器用的單取數位通訊介面」制訂標準，一個小組委員會負責量測與控制裝置，另一個則負責工業網路。單取通訊介面 (簡稱 SDCI) 代表 IO-Link 採用單條纜線 (長達 20 m) 將系統中的各個感測器或致動器連接在一起，而此纜線是工業 I/O 應用數十年來廣泛使用的一般非屏蔽三線纜線 (有時是五線纜線)。

圖 2：此感測器搭載 IO-Link 連接。(圖片來源：SICK Inc.)

許多人都有一個誤解，以為 IO-Link 似乎跟 DeviceNet、PROFINET、CC-Link、EtherNet/IP 及 EtherCAT 互相競爭。在此澄清：IO-Link 是標準化的 I/O 技術，其目標其實是為了讓現有的通訊網路、背板匯流排及現場匯流排通訊協定更加完備。在許多情況下，IO-Link 可提供選定網路單靠自身所無法提供的回饋與自動化功能。

圖 3：IO-Link 可簡化現場裝置整合到其他常見現場匯流排與工業網路的作業，以擴大工業物聯網 (IIoT) 的功能。(圖片來源：SICK Inc.)

透過 IO-Link 的 SDCI 點對點通訊，可從一個現場裝置的一點連接到 IO-Link 中樞或主要控制器的另一個點。有些製造商將主控器稱為 IO-Link 機盒或模組。端點之間的通訊跟網路與匯流排的跨裝置通訊有所不同，通常涉及封包或「電報」的全域廣播，再由接收端裝置或其他從屬裝置進行讀取。

致力於持續改善並推廣 IO-Link 的組織 - IO-Link 聯盟，會在 io-link.com 網站上發佈規則、標準及更新資訊。

IO-Link 配置軟體

所有 IO-Link 裝置都需要先行設定才可使用。試運轉通常是透過裝置製造商免費提供的 IO-Link 就緒軟體進行，或是由 PLC 或其他高階控制器製造商提供的軟體，以指揮自動化安裝作業。社技工程師通常對此控制系統軟體相當熟悉，可在此軟體環境中簡化 IO-Link 裝置參數的設定作業。此連接能力也會提供給已安裝的感測器和其他裝置，因此可在過程中立即調整其參數。

圖 4：SICK Inc. 的光幕可在桌上配置 IO-Link 功能。(圖片來源：SICK Inc.)

在一般設定流程中，工程師會使用軟體以虛擬方式將 IO-Link 主控及其裝置整合到自動化設計的其餘部分中。透過配置功能表，工程師就可設定裝置與主控參數，以符合更大型系統架構的需求。

IO-Link 裝置設定軟體採用標準化 IO 裝置敘述 (IODD) 檔。在某些案例中，補足 IODD 檔的是自行研發的裝置型管理工具或 DTM 檔案，亦可以是裝置製造商在功能區塊之外提供的附加指令，可透過其專屬圖形化使用者介面 (GUI) 進一步簡化裝置編程性。

IODD 檔含有裝置名稱、型號、佈設 GUI 用的影像、典型工作範圍、預期用於 IO-Link 系統介面的訊號。IO-Link 聯盟收錄裝置製造商所整理的眾多的 IODD 檔，可在 ioddfinder.io-link.com 下載。最終，這些檔案要載入到 IO-Link 主控中 (若用於系統內也要載入到中樞)，以便進行基本操作以及診斷功能。

IO-Link 的流程、事件與裝置資料

每個 IO-Link 裝置都可透過其主控自動處理資料。資料會定期 (以週期性資料方式由控制器處理)，或是在請求或必要時 (以非週期性資料方式由控制器處理)，從現場裝置傳輸。此外，控制器會分類並處理以下所有類型的資料：

事件資料 - 一種非週期性資料。包括錯誤與維護警報，以及故障排除資訊，可能是由軸向移動，或是由感測器與開關的訊號有異常或遭破壞而產生。

流程資料 - 一種週期性資料。這是基本的操作資訊，例如位置、水平、距離以及現場裝置持續收集的其他資訊，會上傳到 IO-Link 主控。有些情況下，這些流程資料訊號會在前往主控的過程中伴隨值狀態資料。透過 IO-Link 通訊的雙向本質，流程資料亦可逆向傳輸 (從主控到現場裝置)，藉此觸發裝置以改變行為，或顯示預設碼以吸引機器操作人員的注意。

裝置資料 - 一種非週期性資料。此資訊是關於現場裝置及其型號、參數設定、狀態、位置及其他讀數值。透過 IO-Link 通訊的雙向本質，裝置資料亦可逆向傳輸，從主控傳輸到裝置，以設定新的參數等。

IO-Link 1.0 到 1.1 — 有何改變？

在 2013 年時，IO-Link 聯盟將 IO-Link 1.0 更新到 1.1 版。IO-Link 1.1 的更新項目可透過 COM3 通道支援第三方 (以及標準、最快速度) 資料傳輸率，因此能增進之前透過 COM1 及 COM2 連接所達到的能力。

COM1 — SDCI 通訊模式的傳輸率高達 4.8 kb/s • 週期時間縮短至 18.0 ms

COM2 — SDCI 通訊模式的傳輸率高達 38.4 kb/s • 週期時間縮短至 2.3 ms

COM3 — SDCI 通訊模式的傳輸率高達 230.4 kb/s • 週期時間縮短至 0.4 ms

所有 IO-Link 主控必須支援此新制數據傳輸率，以及採用此速率的現場裝置。除此之外，1.1 主控也支援 1.0 和 1.1 裝置。

1.1 版的另一個新特點在於，要求具有類似規格的 IO-Link 裝置 (即便不同製造商) 必須可互換。此外，再加上 1.1 版主控可儲存參數的特性，因此可對熱抽換 IO-Link 裝置進行自動配置，藉此簡化受損或故障感測器的替換作業。

IO-Link 的傳統替代方案

IO-Link 可在幾個情況下改善自動化安裝的作業。

在眾多自動化設施中，仍然相當依賴以操作人員為主的監測作業，需以人工追蹤機器狀態與潛在問題。在此情況下，IO-Link 能提供可行的替代方案 (歸功於其簡易性)，讓機器監測更加有效率且可靠。這是因為 IO-Link 與傳統 I/O 有所不同，其含有雙向通訊，可快速設定並診斷致動器與感測器的情況。

IO-Link 亦可讓工廠省去現場裝置參數的人工設定作業，不然這依然是產業中相當常見的做法。在人工作業下，工廠工程師被迫要實體接取遠端設備 (或埋入式機械) 的現場裝置，以便進行讀取、故障排除或重新設定。反之，IO-Link 能讓操作人員從線上或本機函式庫下載參數，在維修或操作人員換班時，對於縮短停機時間特別有用。通常會透過一般控制軟體進行配置。

集中型機櫃式控制在傳統設定中也相當常見。與 IO-Link 相關的硬體 (為了讓 IO-Link 功能的現場裝置更加完備) 都經過縮小化，因此可裝入甚至超狹窄的機器覆蓋區中，並可支援分散式控制。

IO-Link 可簡化類比資料的使用，因此無需特殊轉換器 (傳統設備有使用) 即可理解類比 4 至 20 mA 訊號。IO-Link 亦可擴充類比以及離散式與二進位訊號 (關-開) 可傳輸的資訊量。

進一步瞭解傳統 4 至 20 mA 類比訊號搭配 IO-Link

在傳統設置下的類比感測器需要屏蔽纜線、特殊連接器及以下：

• 類比數位 (A/D) 輸出轉換器

• 數位類比 (D/A) 輸入轉換器 (以進行雙向通訊)

這些元件會增加設計成本與複雜度 (特別是需要校正的情況)，有些情況下更會導致傳輸數據衰退。

如上所述，IO-Link 採用非屏蔽三線纜線或同等的五線纜線搭配電源，而此纜線也可用於類比裝置，因此感測器與控制器之間的訊號傳輸會更加可靠，並可避免數據損耗。IO-Link 可當作單一通訊介面，無論裝置是感測器、致動器、握爪或閥門都可適用。這遠比需要不同介面進行二進位切換、類比輸入／類比輸出或 RS232 來的簡單。

IO-Link 的注意事項與限制

目前我們已經探討一些 IO-Link 對自動化設計有益處的方法。但在採用更簡易做法即足以因應的情況下 (或手邊的設計屬於獨立式機器)，若要採用 IO-Link，則需額外的努力與複雜性，這無法令所有人信服。

在採用 IO-Link 並不合理的情況下，有個潛在的限制因素是纜線長度不得超過 20 m (如上所述)。這與替代方案系統剛好相反，特別是採用類比訊號進行回饋的系統，其可接受更長的線材，而且在大規模自動化操作中也很常見。

但在近期，IO-Link 出現另一個限制，那就是週期時間。在 COM3 通訊模式推出後 (週期時間縮短到 0.4 ms)，IO-Link 1.1 對於要求相當高的自動化任務來說已可接受，包括與動作控制相關的任務。當然，IO-Link 1.0 裝置仍受到 COM1 及 COM2 的限制；但週期時間各異的眾多裝置要靠單一主控運作就非得如此，因此漸進式的系統升級是可行的。

每個裝置的 IODD 檔皆含有時間間隔 (週期時間) 資訊，可讓主控在此時間間隔應對該特定裝置。此時間間隔再加上主控本身處理所需的時間，都會影響整體的反應時間。IO-Link 對於輸入與輸出處理資料的限制維持在 32 byte，對於特定讀取器或追蹤器應用來說，這會造成 IO-Link 的採用遇到阻礙或複雜化。即便是本文中的範例，板載處理能力的裝置也正在因應此項限制。

最後一個潛在限制是，具有 IO-Link 功能的型號並未享有所有的特殊感測器類型。

實體子元件與安裝

圖 5：此處顯示 IO-Link 中樞 (左)、單裝置 IO-Link 主控模組 (中) 及 IO-Link 主控。(圖片來源：SICK Inc.)

IO-Link 主控

IO-Link 主控 (如上所述，有些製造商亦稱為模組或機盒) 是一種可執行以下三項任務的硬體：

1.當作已連接 IO-Link 現場裝置的通訊點。所有裝置採用三種標準通訊傳輸率中的一個；主控的任務在於判定裝置所採用的傳輸率為何。

2.儲存已連接 IO-Link 現場裝置的所有 IODD 檔與參數。也就是說，在啟動後，主控可能會接受裝置的參數然後切換到正常操作模式，即接受處理資料與值的週期性交換。

3.連接頂層機器與自動化控制，如 PLC 和 PAC，以便將資料傳遞到現場匯流排、網路或背板。此傳遞可讓資料更容易存取，以便透過 IIoT 程式在設施中迅速發揮機器功能以及企業層級的分析。受惠於 IO-Link 主控對 PLC、HMI 及 PAC 的連接性，這些元件的製造商在近幾年已經開始推出其自家 IO-Link 主控，且在許多情況下，是以端子和模組 (如上所述) 的形式呈現。SICK Inc. 的 IOLA2US-01101 是單埠主控的範例之一。

IO-Link 主控的所有連接埠在操作期間不是停用、設定為接受數位輸入和／或輸出，不然就是執行 IO-Link 模式，且會使用半雙工模式的通用非同步接受器發射器 (UART) 達到此模式。典型 IO-Link 主控可能含有八個連接埠，以執行以下其中一項任務：

• 直接耦合多個現場裝置
• 耦合 IO-Link 中樞，其當作主控的延伸 (因此可連接眾多現場裝置)

IO-Link 中樞

目前最先進的 IO-Link 中樞 (通常稱為接線板) 可協助單一 IO-Link 主控連接超過 100 個 (有些情況下甚至超過 200 個) 現場裝置。標準的中樞對鏈路通訊協定會比自行研發系統更加優秀，這是因為系統配置經過簡化。裝置資訊會同時儲存在 IO-Link 主控及其中樞上，以維持系統的完整性，做法是檢查額外的或替換的現場裝置是否與設計相容。

IO-Link 標準的纜線與連接器特點

三線纜線結構：如之前所述，IO-Link 採用的纜線是非專有的非屏蔽三股結構，可承載 24 V 和 200 mA。現場裝置 (如致動器) 若需要電力，則會使用五線樣式。

M5、M8 及 M12 連接器：若 IO-Link 主控採用 DIN 軌道模塊或預計要置入控制機櫃內部的類似設計形式，則透過一般的推入式端子進行接線作業。IO-Link 連接若採用纜線連接器 (如 IO-Link 有必須加工安裝的結構一樣)，則要依照 IO-Link 標準採用 M5、M8、M12 幾何。五線連接器通常具有 IP65/67 等級。

IO-Link 元件強固性的量化

汽車產業引領 IO-Link 的用途，但製藥與食品飲料產業則開始採用更多的 IO-Link 元件，特別是具有沖洗等級的產品。這類強固元件可支援機器安裝 I/O 配置達到完整的分散式控制。在此類配置下的 IO-Link 元件等級包括：

• IP20 - 代表無防水能力，但可耐受一般灰塵與處理
• IP67 - 代表完整的防塵能力，並可在浸水時短暫抵抗侵入 (對於戶外用途相當實用)
• IP69K - 代表可在消毒程序期間對高溫高壓沖洗提供防護

除此之外，有些 IO-Link 元件更具備 ECOLAB 認證，代表有助於食品飲料產業的機器建構商符合規範，包括與《食品安全現代化法案》相關的法規，並可預防不安全的食物處理或包裝。

IO-Link 1.1 的使用情況

具有 IO-Link 能力的常見元件

IO-Link 支援的現場裝置可歸類為致動器與感測器。

IO-Link 系統中的致動器：致動器屬於機電元件，可接受電子輸入並產生一些機械輸出。IO-Link 相容的致動器選項眾多，包括氣動線性致動器、氣動歧管與閥門、其他螺線管甚至步進馬達。這些裝置的接線通常是五股款式，並採用雙通道即時通訊，因此沒有控制器週期時間的延遲。如此即可達到同步 IO-Link 通訊，藉此加速資料評估或其他二次反應。

IO-Link 系統中的感測器：具有 IO-Link 連接能力的常見感測器包括追蹤與回報位置、移位、溫度、壓力及顏色感測器。其他可輕易取得的選項包括 IO-Link 光電感測器及 (在 IO-Link 1.1 新增能力下可獲得更完整支援的) RFID 感測系統。 

光幕的特殊使用情況

雖然安全議題並非本文討論範圍，但值得注意的是，有些光幕具有 IO-Link 連接能力，可存取光幕相關的統計數據及即時資料。

以下列舉一些範例：

• Omron 的 F3SG-SR 安全光幕
• SICK Inc. 的光幕

採用 IO-Link 通訊的要點

IIoT 功能與雲端連線：IO-Link 可將資料儲存在主控上，然後再傳送資料進行備份。如此再加上 IO-Link 讓既有工業網路更加完備的優點，即可支援 IIoT 功能；發揮自動化參數化與資料收集的所有優勢。

數據傳輸到其他匯流排與網路：由於 IO-Link 整合到所有常見的工業網路與現場匯流排，可達到雙向的主控從屬通訊，因此處理、服務及事件資料可上行分享到頂層控制項目甚至是企業系統。

使用 IO-Link 升級傳統設備

向下相容性：如之前所述，IO-Link 1.1 可接受採用 COM1、COM2 及 COM3 通訊速度的感測器，能讓工廠工程師繼續使用傳統技術，運用其較低複雜度的電子設備及較慢的數據傳輸率。向下相容性仍在 1.1 新版主控中保留，這是因為 IEC 61131-9 標準要求必須支援 1.0 及 1.1 裝置。

最能受惠於 IO-Link 技術的產業及使用者

製造商、OEM、機器組裝廠、工廠技術人員以及最終使用者都可受惠於 IO-Link。如需進一步瞭解 IO-Link，請按此下載 Maxim Integrated 的 PDF 手冊。