一種新型的現場連接技術IO-Link

　　1. IO‐Link 系統概述

　　一個IO‐Link系統由IO‐Link設備、傳感器、執行器或者它們的組合構成，其中有一根標準的3線傳感器/執行器電纜和一個IO‐Link主站。主站可以是一個具有不同功能和不同保護等級的設備。系統的體系結構如下圖所示：

　　圖1：系統體系結構示例

　　一個IO‐Link主站可以有一個或者多個端口。每個端口只能連接一個IO‐Link設備。因此IO‐Link是一種點到點的連接，而不是一種現場總線。

　　圖2：IO‐Link點到點的連接

　　1.1 上電之后的狀態

　　在一開始，設備總是處于SIO模式(標準I/O模式)。主站的端口可以使用不同的配置。如果一個端口設置成為SIO模式，主站這個端口的行為就像一個通用的數字量輸入。如果端口設置成通信模式，主站試圖尋找連接的IO‐Link設備。這個過程被稱為喚醒。

　　圖3：IO‐Link SIO 和COM 模式

　　在喚醒期間，主站發出一個定義的信號，然后等待設備的回應。主站使用最高的波特率發送這個定義信號。如果主站這次嘗試沒有成功，那么下次使用較低的波特率再試。主站用相同的波特率，對連接的設備進行三次嘗試。如果主站收到了回答(比如，設備被喚醒)，兩者就開始通信。最初，它們先交換通信參數;然后，周期地交換過程數據。

　　如果設備在工作期間被刪除，主站會檢測到通信中斷，馬上發出報告。這很像現場總線，通知控制系統，然后再周期地進行喚醒設備的過程。在成功地進行了另一次喚醒后，再次交換通信參數;如果需要，可以對參數進行驗證，然后重新開始周期性的數據交換。

　　如果主站終止兩者的通信，主站和設備將回到原始的模式，也就是SIO模式。這被稱為復原。

　　2. IO‐Link 協議

　　基本上講，進行的交換有三種數據類型：

　　1.周期型數據(也稱為過程數據);

　　2.非周期數據或者服務型數據;

　　3.事件型數據。

　　僅在收到IO‐Link主站請求后，IO‐Link設備才發送數據。主站發出非周期數據和事件顯式請求后，設備應答;主站發出IDLE報文后，設備發送周期型數據。

　　2.1 過程數據(PD)

　　設備的過程數據是按一個數據幀的格式，周期性發送，過程數據的長度不超過2個字節。如果過程數據超過這個長度，就要對過程數據進行拆分，用幾個周期發送。當過程數據為無效時，會有一個診斷信息。

　　2.2 服務數據(SD)

　　服務數據總是非周期地交換，并且總是按照IO‐Link主站的要求進行。首先，IO‐Link主站向設備發出一個請求，然后設備回答這個請求。如對一個設備寫數據，或者從一個設備中讀數據，都是這樣進行的。服務數據可以用于讀參數，或者讀設備狀態。它也能夠用于寫參數或者發送命令。

　　SD和PD可以用一個報文或者分開的報文傳送。一個典型的數據交換參見有下面的結構。

　　圖4：IO-Link報文結構

　　2.3 事件

　　當發生一個事件時，設備對“事件標記”置位，它被發送到過程數據報文的CHECK/STAT字節的第7位。主站檢測這個置位位，得知事件的報告。在得知一個事件發生時，不進行服務數據的交換。這意味著事件出現或者設備發生過熱、短路等情況，能夠通過IO‐Link傳送到主站，再到PLC或者監控軟件。

　　IO‐Link主站能夠生成自己的事件和狀態，并通過各種現場總線把它們發送出去。這樣的事件可以是：開路、通信中斷或者過載等。

　　2.4 通信質量，重發，服務質量(QoS)

　　IO‐Link是一種非常牢固的通信系統。它工作在24V的電壓下。如果一個幀失效，主站的請求會再重復一次。當第二次嘗試發送數據再次失敗時，主站會檢測通信是否中斷，然后報告給更高一級的控制系統。主站用重發報文的數量來測量通信的質量(QoS = 服務質量)。

　　2.5 通信速率和同步

　　IO‐Link規范定義的傳輸率(波特率)是4.8和38.4 kbps。通常，一個IO‐Link設備會支持其中一個波特率。IO‐Link主站必須支持這兩種波特率。

　　周期時間由報文長度和主站與設備間的延時所組成。當波特率為38.4 kbps時，典型的周期時間為2 ms。

　　整個時間由設備指定的最小周期時間和由主站指定的同意或者參數化后的實際周期時間共同算出。

　　主站對每個端口可以設定不同的響應時間。設備應用可以和主站周期進行同步。相同主站的不同端口也可以實現與設備應用的同步。

　　2.6 報文類型和它們的結構

　　IO‐Link規范定義了不同的報文類型，過程輸入數據和過程輸出數據在大小上是不同的。

　　為了建立通信，主站必須決定設備的通信參數。一個相關信息是過程數據長度。基于這個信息，IO‐Link主站決定使用什么報文類型用于周期數據交換。在通信建立階段，主站使用報文類型0。定義下面的報文類型：

　　表1：報文類型

　　當過程設備輸入和輸出數據的和超過2個字節時，總是使用報文類型1。 那么報文結構需要多個IO‐Link 周期來構成。

　　在“服務數據”節所表示的報文是2.1類型的報文。設備發送一個字節的過程數據。在上面的圖示，設備首先發出一個字節的服務數據，然后加上過程數據的字節。在下面的圖示，主站對設備發送一個服務數據。

　　圖5：2.1幀類型

　　報文中不同位的含意如下表所示。

　　為了通過IO‐Link的物理層傳輸數據，每個字節打包在一個通用異步收發(UART)幀中，然后通過半雙工模式在主站和設備之間傳送。

　　圖8：IO-Link UART幀

　　3. 參數交換

　　為了在一個IO‐Link設備和一臺PLC之間交換數據， IO‐Link主站把IO‐Link數據映射到所使用的現場總線上。這就是所謂的IO‐Link映射至現場總線。如果IO‐Link主站直接通過專有總線(見圖1)連接在一臺PLC上，IO‐Link數據映射到這個總線，并且把數據傳送到這臺PLC;或者數據從PLC通過現場總線傳送到IO‐Link主站，再到IO‐Link設備。IO‐Link映射到的現場總線已經有PROFIBUS，Profinet， INTERBUS， AS‐i ，DeviceNet，EtherNet/IP和 EtherCAT等。

　　來自或者到達IO‐Link設備的過程數據，是通過現場總線或者背板總線周期地進行傳輸。服務數據必須由PLC顯式地請求，這非常容易識別。這就是為什么IO‐Link 要定義服務協議數據單元(SPDU)規范。

　　在功能塊(FB)幫助下-每個PLC制造商提供多種定制的功能塊(FB)用于這個系統-IO‐Link主站程序非循環地與IO‐Link設備在程序控制下進行通信。功能塊定義哪個IO‐Link主站(也就是哪個現場總線設備)和哪個端口進行數據交換。同時，還要向這個IO‐Link設備發送請求。

　　可以對一個帶索引和子索引的IO‐Link設備請求數據和狀態。在IO‐Link主站中，請求(讀寫服務)指令用一個IO‐Link特定的服務協議數據單元(SPDU)，通過IO‐Link接口傳送到設備。

　　SPDU 指定了是讀數據還是寫數據。要讀寫的值通過索引來指定。SPDU有下面的結構：

　　圖9：一個SPDU的結構

　　最多至32768索引，最多有232字節，用于指定IO‐Link的地址。

　　IO‐Link規范指定多種服務，例如：

　　D10 為制造商名稱;

　　D12 為產品名稱;

　　使用這些服務，IO‐Link設備能夠得到獨一無二的識別。

　　在現場總線上，IO‐Link主站呈現為一個通用的現場總線設備，通過相應的設備描述(比如：GSD，FDCML，GSDML，等)，連接到各自的網絡適配器上。這些文件描述了通信連接和IO‐Link主站的詳細屬性，

　　諸如：端口號。可是，連接的IO‐Link設備不能在這里讀到。IO‐Link設備描述(IODD)文件透明地顯示了系統的體系結構和完整地表出了IO‐Link設備。在IODD和ODD解釋工具的幫助下，用戶能夠清晰地分辯出哪個IO‐Link

　　主站端口連接了哪個IO‐Link設備。

　　4. IO‐Link 系統結構

　　4.1 IO‐Link設備

　　使用IO‐Link協議，IO‐Link設備提供了對過程數據和設備狀態變量的訪問。某些變量已經定義，比如，用于識別目的的變量。制造商必須在定義的索引區創建設備變量。所有這些信息都在IODD中描述。

　　圖10：IO-Link設備結構

4.2 IODD和解釋工具

　　IODD包含通信屬性、設備參數、識別碼、過程和診斷數據等信息。它還包含設備的外形圖和制造商的標識。所有制造商的所有設備的IODD結構是相同的，所以用IODD解釋器工具展示的內容具有相同的形式。因此，用戶可以使用第三廠家的解釋器工具，處理所有的IO‐Link設備。

　　IODD是做為一個打包文件提供給用戶的，它包括一個或者多個使用擴展標記語言（xml）描述的設備文件，和用可移植網絡圖象（png）格式的圖形文件。

　　“IODD‐StandardDefinitions1.0.xml”

　　文件描述了所有設備的通用和強制屬性。這個文件必須在IODD目錄下，在每種支持的語言中存儲一次。

　　解釋器工具可以讀出一個IODD文件，以圖形的形式顯示描述的設備（僅以有限的范圍）。它可以用于所有制造商IO‐Link設備的參數化和診斷。同時，解釋器工具可以從系統到現場的體系結構進行圖形顯示。

　　IODD檢查器用于驗證IODD。所有的IODD必須通過IODD檢查器進行測試。檢查器在IODD中輸入一個校驗和。解釋器工具讀出IODD中的這個值，然后與自己計算的值進行比較，結果必須相等。

　　圖11：IODD結構

　　4.3 IO‐Link 主站

　　IO‐Link主站可以以不同形式連接到PLC（見圖1），可以有一個或者多個端口。IO‐Link規范區分了兩種類型的端口。端口類型A，針腳2的功能沒有詳細描述，可以由制造商自己定義，端口類型B用于設備需要特定電源的情況。

　　端口類型A

　　對于這種端口類型，針腳4可以配置成一個數字量輸入（DI）或者一個IO‐Link。制造商也可以把針腳4

　　設計成一個帶有電流限制的數字量輸出（DO）。針腳2也可以實現其他的功能。制造商可以設計針腳，比如，做為一個DI或者DO。

　　圖12：IO-Link主站，端口類型A

　　端口類型B

　　端口類型B是設計好的，比如，用于傳感器或者執行器有電氣絕緣的電源。這里，由針腳2和5提供外加電源。

　　圖13：IO-Link主站，端口類型B