IO链路:传感器到自动化系统通信

栏: IO Link接口关键技术数据 世界上第一个采用IO Link技术的工厂

传感器(如接近开关)的创新令人印象深刻。包装更小，但有更长的范围。微控制器驱动的精确传感器设置的“输入”过程已经取代了笨重和不准确的电位器同步。诊断技术已经扩展到包括对污垢污染的早期预警。

然而，为了能够充分利用这些诊断和参数信息方面的新发展，必须将它们提供给自动化系统。除了基本的开/关开关信号，I/O模块和传感器之间的接口应该提供交换诊断和参数数据的可能性。只有这样，传感器的性能才能得到最优的利用。

到目前为止，与“智能”接近传感器通信的唯一方式是通过一台单独的PC直接连接到它们，因为这种新发现的智能止于接口。它不能再往前走了，因为它没有路可走。现代自动化系统不具备传感器和控制层之间标准化的双向通信的优点。

因此，传感器的参数必须直接手工配置，无论是在交付之前，还是在新机器安装时的调试阶段。

这正是这些传感器参数的备份所在:在用来调试它们的PC上。由此产生的问题是显而易见的。如果传感器(或执行器)需要更换，如果技术人员找不到参数文件的副本，那就麻烦了。他得在新设备上重新输入一遍。

那么传感器诊断呢?很少有技术人员愿意在操作过程中将笔记本电脑连接到传感器上，因此通常无法进行连续诊断。虽然有些传感器确实提供诊断输出信号，但这需要单独的I/O线。可以理解的是，大多数终端用户不希望他们的机器上的I/O布线数量增加一倍，如果没有这一点，就无法对传感器进行有意义的预防性维护。

Dunni的包装生产线是IO Link技术的第一个实现。见第40页方框。来源:Dunni

双向的沟通

为了将智能传感器引入自动化系统，Profibus组织发起了一项名为IO Link的新技术。出于必要性，IO Link通信被定义为已经存在多年的标准二进制传感器接口的“附加组件”。通过IO Link，标准传感器接口实际上接收了一个额外的双向通信功能，允许用户向传感器发送参数和“教”信号，并从传感器接收诊断信息。

这是传感器处理方式的一个巨大变化。在过去，用户必须将他们的pc(或一些专用工具)直接连接到传感器来交换这些值。现在他们可以把电脑放在一边，通过自动化系统直接与传感器通信。

IO Link允许用户利用工厂范围内的自动化解决方案，集成通信到单个传感器或执行器。然而，传感器或执行器和I/O模块之间的布线仍然保持着以前的方式:作为点对点连接。它不涉及一个新的公交系统。传感器电源还是通过线缆供电。叠加在电源电压上的简单电报允许传感器和控制系统之间的双向数据传输。

IO Link传感器既可以直接连接到具有IO Link卡的PLC系统，也可以通过IO Link现场总线模块连接到现场总线系统。

IO Link是一种低成本的通信机制。开发人员特别注意了传感器和执行器以及I/O模块中接口的经济实现。第一个组件在2006年的汉诺威博览会上展示，今天许多欧洲制造商已经在市场上推出了第一个IO Link传感器和连接模块。

安装

在安装阶段，工程师的工作变得更加容易，因为在控制电平和传感器或执行器之间只需要铺设一根标准的非屏蔽3线电缆。这样就可以将“旧”传感器和“新”IO Link传感器连接到同一根标准的3线电缆上。因此，在同一根电缆上可以有一个简单的二进制开关设备和多级信号灯。与现有传感器接口的兼容性仍然存在，这允许IO Link传感器与传统传感器混合使用。然后，它们可以在具有完整IO Link功能范围的IO Link主机上操作，或作为标准数字I/O设备在标准组件上操作。

模拟信号的布线也变得更容易，因为它们不再使用屏蔽电缆连接，而是使用相同类型的3线电缆。这节省了不同电缆类型的仓储成本，并降低了布线费用。它还显著降低了安装过程中出错的风险。由于IO Link接口源自于接近开关的标准化接口(IEC 60947-5-2)，因此安装时不需要额外的工具。

工程、调试

在过去，智能传感器和执行器必须通过PC机的制造商软件在本地进行配置和参数化。这现在可以从PC工作站或控制室使用中央工程工具(如西门子的STEP 7软件)为IO Link设备完成。这确保了传感器和执行器参数的可重复性，因为它们以相同的数据格式集中存储在项目中。

如果传感器数据不在中央工程工具中，则可以从每个制造商提供的GSD或IODD文件中导入它们。然后，用户可以选择使用中心工程工具执行参数化。以STEP 7为例，这将通过端口配置器或TCI(工具调用接口)在传感器制造商工具的帮助下完成。当通过TCI调用参数化时，数据可以以制造商的格式保存。

IO Link在调试阶段也取得了显著的改进。工程师只需要在启动阶段检查IO Link的连接，因为标准化的3线线路几乎可以排除布线故障。此外，还可以使用工程工具测试IO Link设备的可访问性。如果一台机器中的多个设备需要相同的配置，则可以复制该配置并将其发送到其他设备。

调试工程师在设备参数化方面具有很高的灵活性。他们可以直接在现场编辑和“教授”这些设备。之后，他们可以决定要将哪些设置数据读取到中央工程工具中，并将其保存在工具中。

诊断的透明度

为了继续提高机器的效率，现在可以在运行时执行IO Link传感器的配置。这允许调试工程师在系统运行时调整系统的优化，这是一个显著的改进。而且，由于通过现场总线直接访问数据，这也缩短了配置过程，因为不需要在设备上直接调整参数。在操作运行时，用户通过完全透明的系统接收到所有诊断信息，从控制级开始，一直到传感器和执行器级。

例如，如果一台机器出现故障，现在可以在控制级别上精确地识别是哪个传感器导致机器停止工作。这对维修工程师很有帮助，因为他们来修理机器时可以带正确的备件。新安装的传感器自动接收来自控制系统的参数数据。自动参数化和关于有缺陷传感器的提前信息显著减少了机器的停机时间。

作者信息

迈克尔·巴布是欧洲控制工程。本文由PI (Profibus和Profinet International)提供的信息以及Dipl的友好协助编译而成。荷兰国际集团(Ing)。(FH) Reinhard Schlagenhaufer，德国安贝格西门子Simatic传感器研发部门负责人，以及Dipl。荷兰国际集团(Ing)。Christian Gemke，凤凰接触在德国布隆伯格。

IO Link接口关键技术数据

串行点对点连接

3/2接线接口面向IEC 60947-5-2

最大电缆长度:20m，非屏蔽标准传感器电缆

每个传感器/执行器的电流消耗:200 mA

通信通过24 V DC脉冲调制作为串行UART协议进行

通信方式

流程数据(周期性):
典型:2字节输入数据和2字节输出数据
Max。: 32字节输入数据和32字节输出数据

确定性时间响应:
典型:2毫秒周期时间，16位分辨率(过程数据)

所需数据(诊断、参数)与开关信号不交互

完整性等级:2级

可选:切换模式

实时切换信号

只有通过通信才能实现参数化

世界上第一个采用IO Link技术的工厂

位于德国Bramsche的Dunni GmbH是世界上第一家采用IO Link技术的工厂。该公司是一家餐桌装饰生产商，将其安装在包装线上。该系统由包装系统集成商meurer Verpackungssysteme公司委托开发。

在新线路上，12个Sick光电接近开关在Profibus环境中与控制器通信。根据操作人员的说法，内部设计的触摸屏界面显示传感器信号，hmi与IO Link通信技术相结合，在很大程度上简化了机器操作，为最终用户提供了更大的灵活性、操作可靠性和可用性。

在操作过程中，传感器的扫描距离等参数可以从自动化系统调用，传输到传感器，必要时显示在面板上。

meurer工程师表示，在工厂运行期间，IO Link传感器通信在两个领域变得非常重要:首先，当系统在不同的包装订单之间转换时，必须进行动态调整;二是对使用故障进行预防性维护和纠正。

有了自动化系统，就不再需要每次改变顺序时都对传感器进行机械调整，而且它们的设置完全可以从一个订单到另一个订单。其次，如果出现问题，机器操作员可以通过触摸面板上的传感器图像，并查看诊断信息(以图形和柱状图的形式显示为传感器信号质量)，以及开关输出的状态、污染程度、任何短路的显示，以及其他传感器的任何不对中或干扰信息，立即进行诊断。

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