在工業應用中運用 IO-Link

隨著第四次工業革命和工業 4.0 的到來，進階控制、監測和診斷界定了完善且智慧的自動化作業。這種能力僅可透過工業連接才能達成，因此才能讓控制能力與機械裝置在特定平台 (如 IO-Link) 上聯合操作，以達到持續的資料交換。

圖 1：IO-Link 能透過 IO-Link 主控裝置，將既有的網路協定輕鬆整合到現場匯流排或乙太網路中，因此能讓既有網路協定更加完備。IO-Link 主控裝置與 IO-Link 裝置之間的連接可透過非屏蔽且無濾波的三線或五線電纜連接，且可供電給 IO-Link 裝置。在此例中，來自主控裝置的電力為 24 VDC。(圖片來源：Pepperl+Fuchs)

工業連接背後的關鍵促成技術是具有板載通訊功能的標準化網路和裝置。可促成這些功能的協定比比皆是。然而，並非所有工業協定都可滿足當今自動化所需的資料交換和智慧要求。IO-Link 就是為了滿足各式各樣現代應用而建立。

如 Digikey.com 之前的一篇文章所述，IO-Link 是一種有線的點對點通訊協定，可促進裝置之間的智慧雙向數據通訊。通常，IO-Link 主控裝置 (本機控制器) 具有多個 IO-Link 連接埠 (通道)，可讓不同的 IO-Link 裝置獨立插入。這些節點對節點的端點連接，讓 IO-Link 成為點對點通訊協定。

IO-Link 於 2009 年由 41 名成員組成的聯盟發起，如今成員已多達數百名。IO-Link 已成為廣泛採納的通訊協定，可用於傳輸以下層面的關鍵數據：

• 營運最佳化
• 減少停機時間並簡化維護
• 削減原物料成本並制定策略性營運決策。

IO-Link 介面由 IEC 61131-9 標準定義並調諧，支援的廠商包括 Simens、Omron Corp.、ifm Efector、Balluff、Cinch Connectivity、Banner Engineering、Rockwell Automation、SICK、Pepperl + Fuchs，以及其他數十家零組件和系統製造商。難怪 IO-Link 連接廣泛運用在涉及組裝自動化、機床和內部物流的作業中。除了這三大用途之外，也適合其他工業情境，包括狀態通訊、機器控制和協助裝置智慧化。

IO-Link 控制器模式與用途相關

圖 2：搭配連接纜線使用的連接器類型取決於連接埠的類型。IO-Link Class-A 主控裝置的連接埠可接受最多四個引腳的 M8 或 M12 連接器(如此處所示的 ifm efector 的 AL1120)，而 Class-B 連接埠則可連接具有五引腳 M12 連接器的裝置 (以進行雙向數據通訊)。在任何指定時間下分配給主控裝置連接埠的模式，是由其連接之裝置與當下的操作所決定。(圖片來源：ifm Efector)

回想一下 Digikey.com 之前的文章，IO-Link 通訊協定能讓 IO-Link 高階主控裝置 (控制器) 上的各個連接埠都具有四種通訊模式。包括完全停用模式、IO-Link、數位輸入 (DI) 和數位輸出 (DQ) 工作模式。這些模式與上述三個主要的 IO-Link 用途大致相關。

IO-Link 操作模式支援與現場裝置的雙向數據通訊，通常在資料收集期間用於監測、測試和診斷。主控裝置連接埠在 DI 模式可接受數位輸入，並在連接埠接至感測器時運作，且在此時當作輸入裝置使用。相反地，DQ 模式下的連接埠會當作數位輸出，通常是在連接埠接至致動器 (在此情況下，可當作有效的輸出裝置)，或在系統 PLC 設定成直接傳送指令給另一個 IO-Link 裝置時。

儘管超出本文探討範圍，但值得注意的是，IO-Link 主控裝置上的連接埠可以隨時切換模式。例如，若主控裝置埠接至感測器，可運行 DI 模式，然後在主控裝置向感測器索取診斷和監測數據時，就可切換到 IO-Link 通訊模式。

IO-Link 三大應用之一：可行動因應的狀態通訊

圖 3：IO-Link 有利於打造高度進階的控制和自動化系統。機床產業大量使用 IO-Link 感測器來確認工件是否確實夾緊，以及銑削末端刀具的壓力和位置。(圖片來源：Getty Images)

IO-Link 裝置若設定成回報狀態，就可達到機器的監測，如此一來，就可向系統通知必要的調整和修正。試想在機床產業中的一種用途：讓 IO-Link 壓力感測器確認工件是否以適當的壓力夾緊，此壓力不僅不會造成破壞，還可在材料取出作業期間牢牢固定。在此，IO-Link 感測器基本可支援機器任務的最佳化，以減少不合格工件。

IO-Link 裝置還可以讓狀態通訊付諸行動，藉此支援增強的維護例行作業，進而將停機時間縮至最短。舉例而言，組裝機上的 IO-Link 位置感測器可能會不斷回報末端效應器的位置，以確保效應器皆在範圍內且對齊。

分析 IO-Link 裝置提供的診斷資料，工廠的機器技術人員就可在錯誤和潛在故障發生之前預測並進行修正。技術人員還可以找出機器或工廠中的弱點環節，以便提出企業級的營運更動、採購決策，以及在未來提出專屬的機器設計。

IO-Link 三大應用之二：進階控制和自動化

圖 4：進階控制牽涉的 IO-Link 系統含有一個 IO-Link 主控裝置 (控制器)，如此處所示的 Omron NX-ILM400，以及連接到該主控裝置的多個 IO-Link 功能感測器、電源供應器和機電裝置。此類應用的 IO-Link 系統通常會將 IO-Link 主控裝置和相關裝置接至 PLC 或其他自動化系統。(圖片來源：Omron)

控制和自動化是 IO-Link 支援的其他應用功能。如果 IO-Link 設備可支援無需人員干預的功能，IO-Link 主控裝置通常會連接到主機系統或更高層級的 PLC，再由其處理接收到的資料，接著再直接或間接地命令設計中的致動器做出適當的協調回應。這種自動化控制會要求 IO-Link 系統透過標準化的現場匯流排或乙太網協定以及纜線，連接到更高層級的控制器。實際上，大多數 IO-Link 主控裝置都有現場匯流排乙太網路連接埠可達到此連接。

進階控制應用中涉及 IO-Link 系統的裝置，可用以下三種方法之一進行整合：

• 直接連接到主機電腦或 PLC
• 連接到 IO-Link 主控裝置，並透過 IO-Link 協定進行通訊
• 使用與 IO-Link 相容的通訊，並透過 IO-Link 集線器連接到 IO-Link 主控裝置

後者實質上會當作中間媒介，將非 IO-Link 裝置連接到主控裝置。

具有現場匯流排和乙太網路通訊連接的 IO-Link 系統還有另一個好處，就是允許遠距離連接；如此一來，就可讓安裝人員將 IO-Link 主控裝置放置在控制櫃或機器工作範圍的最外圍 (若這是指定應用最合理的作法)。

試想一下，若 IO-Link 主控裝置當作可處理數位與類比訊號的低階控制器，對進階組裝應用來說會有哪些益處？在此情況下，主控裝置可以：

• 接受 IO-Link 線性編碼器在 XY 軸上產生的數據
• 當作閘道器進行資料處理
• 將處理過的 IO-Link 現場裝置資料送到 PLC 或其他系統控制器

IO-Link 三大應用之三：裝置智慧化

圖 5：IO-Link 連接介面非常小，可以裝在絕大多數緊湊型現場裝置上。此處顯示的是 Balluff 的 BUS004Z 接近感測器搭配 IO-Link 連接。(圖片來源： Balluff)

IO-Link 的第三大應用就是促進裝置智慧化。特別是在類似傳統感測器產品且無編程 (或少許編程) 的感測器設計中，這些 IO-Link 功能的裝置可以接收指令、監測和執行自我檢測例行作業，並且產生資料。由於 IO-Link 還可讓裝置提供比基本雙值 (是／否或通過／失敗) 更多的資料，因此也可回報精確的值。例如，流程自動化任務就可受益於 IO-Link 溫度感測器，不只單純回報高低溫狀態而已，更可不斷回報受監測區域或空間的確切溫度值。

IO-Link 用於智慧型現場裝置的另一個好處在於其實體連接相當緊湊。這與現場匯流排和乙太網路介面的實體連接正好相反，這兩者的連接有時太大而無法安裝在現場微型裝置上。

IO-Link 智慧元件也可精確控制。舉例而言，致動器不只可達到基本的開／關控制，更可命令其在情況符合設定的條件時立即關閉。

輸入裝置 (如 RAFI 的按鈕開關) 等就可運用 IO-Link 功能來支援智慧裝置功能，包括顏色編碼的指示燈。

將 IO-Link 運用在智慧裝置應用中也有些注意事項。即便目前有在開發無線型式的 IO-Link，但其仍屬有線的通訊協定，因此仍然受到硬接線的所有限制。為了維持資料完整性，IO-Link 主控裝置對裝置的佈線不得超過 20 公尺。此外，由於 IO-Link 協定每個週期只能傳輸多達 32 位元組的數據，因此不足搭配攝影機等現場裝置使用，因為這些裝置每分鐘可能會產生數 MB 的資料。

結論

IO-Link 系統的用途相當多樣化，能讓既有的通訊協定更加完備，促成幾乎無限的控制和資料收集系統。IO-Link 系統獲得廣泛採用的原因在於簡易性，僅由 IO-Link 主控裝置、相關裝置以及連接用的三線或五線纜線組成。IO-Link 更具有即插即用安裝和成本效益的優勢。

在 IO-Link 聯盟成員的努力下，已經確保眾多製造商的控制器、裝置與致動器之間彼此相容，因此設計工程師可針對其特定用途享有更多產品選擇。