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案例頻道 作者簡介
谷雨（1982-），男，河北曲陽人，中級工程師，學士學位，現就職于圖爾克（天津）傳感器有限公司，專注于圖爾克總線產品在新行業的應用。
1 IO-Link簡介
IO-Link 是第一種全球通用的標準化I / O 技術（ I E C61131-9），可實現從控制系統到自動化最低層級的通信。通用的接口采用不依賴現場總線的點對點連接方式，借助非屏蔽式工業電纜工作。IO-Link能將所有的傳感器信號傳輸至控制系統，并反過來將控制數據轉遞至傳感器/執行器層級，具有劃時代意義。
IO-Link系統由IO-Link主站、標準的3線傳感器/執行器電纜以及IO-Link設備構成，IO-Link設備通常包括傳感器、執行器或其組合。IO-Link主站能夠具有不同設計，并具有不同的防護等級。
IO-Link已經迅速成為一種越來越受關注的技術選擇，為用戶創造控制器與傳感器間過程更大的透明度。IO-Link的核心優勢是通訊能力。信息的單向傳遞被升級為雙向通訊。它允許訪問以前控制器不可訪問，或者只能通過專用系統訪問，或者直接在傳感器讀取的參數和數據。這一優勢為客戶帶來了更低的設備成本，更高效的生產過程，更高系統的可用性。
1.1 降低設備成本
由于許多傳感器已經基于微處理器運行，IO-Link只需要為這些傳感器的通訊創建接口。制造商和客戶可省去傳感器自己的顯示器和按鈕成本，因為傳感器可通過IO-Link進行配置。用于數字和模擬輸入/輸出或者其他類型信號的多個不同的現場總線模塊可用一個標準IO-Link模塊替代。這會降低倉儲成本，并且相比傳統模擬I/O模塊解決方案是一種成本顯著降低的解決方案。IO-Link還可降低用戶連接技術的成本。標準三芯電纜可替代更昂貴的多芯電纜或者用于模擬輸出的特殊屏蔽電纜。用于數字輸入和輸出的IO-Link信號分配器（也被稱為I/O分線盒），即使對于少量I/O模塊也值得實施。這些信號分配器最多可通過一個IO-Link信號打包向控制器發送16個開關信號。該能力允許快速方便地將現有數字現場設備連接到一個IO-Link主站。
1.2 更簡單的設計
IO-Link還可節省制造商在設計和安裝上投入的時間和金錢。當使用傳統多芯電纜和被動分配器連接多個傳感器和執行器時，用戶必須仔細規劃并且監控傳感器與電纜的連接關系。這是一個不僅耗時，而且容易出錯的工作步驟。由于IO-Link通過三芯電纜連接每個傳感器或者執行器（模擬和數字），從而使文檔和電子設計工作都會被顯著簡化。
1.3 主動維護
IO-Link可以提供的更全面的信息進一步允許主動維護和資產管理。用戶可額外訪問以前的內部傳感器數據，例如線性或者超聲波傳感器的溫度數據，作為傳感器故障和電纜破損的早期預警系統。可提前計劃部件更換，防止設備本身或者系統由于不可預見的設備故障下線。或者，系統操作人員可以等待一個裝置在使用期限工作一段時間并失效后，利用該系統停機時間進行更換，控制器便會自動為新傳感器分配正確的參數設置。并且當由于在某些點的缺陷，必須更換一個傳感器或者其他裝置時，該程序可顯著降低工作強度，尤其是對于參數化設備。PLC會存儲所有的參數數據，并且可方便地將數據上傳給新傳感器。該功能在生產更換時也非常有用，這種情況下傳感器都必須接收用于新生產過程的新參數。開關閾值、傳感器改進、靈敏度和其他參數都可以集中進行調整，并且同時調整全部傳感器，而不是在本地分別調整各個傳感器。同時這些過程都會被記錄在PLC中。 IO-Link網絡圖如圖1所示。
圖1 IO-Link網絡圖
2 IO-Link應用案例——汽車差速器自動組裝線
2.1 行業背景
汽車配件加工是構成汽車配件加工整體的各單元及服務于汽車配件加工的產品。隨著汽車配件加工市場競爭的日趨激烈，環保理念的深入人心，以及技術的不斷升級和應用，國際汽車配件加工零部件行業近年來呈現出如下發展特征：
汽車配件加工系統配套、模塊化供應趨勢方興未艾；
汽車配件加工采購全球化；
汽車配件加工產業轉移速度加快。
2.2 汽車差速器概念
汽車差速器能夠使左、右（或前、后）驅動輪實現以不同轉速轉動的機構。主要由左右半軸齒輪、兩個行星齒輪及齒輪架組成。功用是當汽車轉彎行駛或在不平路面上行駛時，使左右車輪以不同轉速滾動，即保證兩側驅動車輪作純滾動運動。差速器是為了調整左右輪的轉速差而裝置的。在四輪驅動時，為了驅動四個車輪，必須將所有的車輪連接起來，如果將四個車輪機械連接在一起，汽車在曲線行駛的時候就不能以相同的速度旋轉，為了能讓汽車曲線行駛旋轉速度基本一致性，這時需要加入中間差速器用以調整前后輪的轉速差。
2.3 客戶需求
在差速器組裝線上不僅有大量的接近開關檢測氣缸、夾具、差速器組件的到位信號，而且還有氣閥、電磁閥等執行機構來完成控制系統的命令。由于這些接近開關和電磁閥分布在工作臺的各個位置，同時工作臺空間有限，如果采用集中式的控制方式，就會有大量的線纜穿插在工作臺中進入控制柜，不利于調試和后期設備維護。因此客戶需要一個節省空間，布線方便同時成本也要經濟合理的方案。同時需要此系統在傳感器層具有診斷功能。
客戶在設計初期打算采用傳統的總線控制方式，即耦合器+I/O模塊組成多個從站來采集設備信號和發送控制命令到執行機構，所有信號電纜都進入到控制柜內連接端子排進入系統從站，這一設計思路在功能性上雖說可以完全實現，也可滿足系統要求，但是客戶在計算電纜用量以及接線的工作量和后期調試維護方面出現了疑問，如果采用以上設計思路，會有大量的信號電纜纏繞在一起進入控制柜，這樣在布線和調試初期的查線工作會遇到很多麻煩，由于設備上的傳感器、接近開關種類以及型號都類似，所以對連接傳感器的電纜名稱的命名也相近，這樣在施工過程中不可避免的會有布線錯誤和信號接錯的情況發生，這樣的話，在多股電纜中尋找一根錯線的工作量是無法想象的，會浪費很多時間，因此客戶推翻了先前的方案進而尋求一個更合理的解決辦法：信號采集、執行模塊就近安裝，模塊再通過總線進入控制系統，這樣就避免了上述存在的問題，會大大地減少布線，網絡結構清晰，調試方便。因此圖爾克針對性地推出以下的方案。
2.4 圖爾克IO-Link解決方案
為了方便現場信號采集，減少布線，降低成本，滿足客戶對系統功能的需求，同時客戶采用Siemens的PLC作為控制器，通訊協議為Profibus -DP，因此我們為客戶提供的解決方案是：系統從站BL20-GW-DPV1（網關，IP20）+BL20-E-4IOL（IO-Link主站模塊，IP20）+TBIL-M1-16DXP(IO-Link分線盒，IP67)這種IP20和IP67產品相結合的總線系統解決方案。其中IP20產品安裝在控制柜內，進一步節約客戶成本。IP67產品具有很高的防護等級，安裝在設備上信號采集點附近。
其中網關和IO-Link模塊在控制柜內組合安裝作為DP網絡的從站（如圖2所示），而IO-Link分線盒TBIL （IP67模塊）通過普通三芯電纜與主站模塊（BL20-E-4IOL）進行連接，這樣的信號采集方式，避免了上述中的存在的布線問題，因為從IOLink主站模塊到分線盒只有幾根三線制電纜，而分線盒則安裝在控制柜外靠近檢測元件位置，檢測元件和執行器的I/O信號則通過預鑄型電纜就近連接到分線盒（如圖3所示）。這樣，傳感器I/O信號進入TBIL模塊再通過IO-Link通訊協議傳送到從站直至PLC，采用這種網絡結構就不再需要大量的布線，避免了在控制柜內安裝大量的端子排，節省空間，結構清晰，故障率低，方便調試，利于檢修維護。
在此方案中，每個IO-Link主站模塊有4個IO-Link通道，每個通道可以連接一個TBIL分線盒。每個分線盒有16路數字量信號，也就是說每個IO-Link主站模塊最多可以連接64個數字量信號。同時一個網關能連接多個IO-Link主站模塊。這樣的連接方式能最大限度地擴充現場I/O點的數量，而不用再另外增加系統從站，從而能夠極大地優化整個生產過程并降低成本。統一、簡單的布線、連續診斷以及通過控制系統進行中央配置，可以實現全面的控制。
在安裝調試過程中，由于上述方案最大程度上避免了復雜的接線，使得客戶在最短的時間內完成了網絡的架構及布線，對期間出現的接線錯誤問題也都得到了快速的解決，為客戶的系統調試贏得了寶貴的時間，同時圖爾克也為客戶提供了全面的服務，從硬件方面的模塊的安裝，到軟件方面的硬件配置，再到程序I/O_Link中數據位的含義，都進行了針對性的指導。在最短的時間內協助客戶的調試人員掌握了I/O_Link技術的使用，并使整個系統調試運行順利。
圖2 網關和IO-Link模塊在控制柜內組合安裝
圖3 檢測元件和執行器的I/O信號就近連接到分線盒
2.5 IO-Link在此方案中的技術優勢
（1）降低用戶成本。
（2）統一、簡單的布線、連續診斷以及通過控制系統進行中央配置，可以實現全面的控制。
（3）方便的接插件和廉價的三芯導線提供電源和通訊，無需復雜布線的多針電纜，自動配置傳感器和執行器。
（4）另外，IO-Link模塊可以不受總線協議的限制與不同的網關進行組合與控制系統進行通訊。
2.6 客戶評價
IO-Link系統對客戶來說也是新技術，但是他們通過自己努力掌握了之后，逐漸適應了IO-Link的數據結構，接線方式，對調試人員的專業技能也是一種提升。在對IO-Link技術進行了更深入的了解之后，客戶表示：具有IO-Link接口的壓力、溫度傳感器可以直接接入IO-Link主站模塊而不再需要額外的模擬量檢測模塊，同時又可以在線對傳感器進行參數設置，這種方案能更大程度上節約成本，在他們之后的項目中，會考慮采取類似的方案。
客戶電氣技術主管說：“我們有理由相信，IO-Link通信接口將是新一代智能設備的首選。IO-Link接口的設備能進行數字化通信，與控制器交換過程數據、配置信息和診斷數據。通過IO-Link接口交流的信息也將一路透明，直到現場設備，僅僅使用標準的3芯非屏蔽電纜可實現數據傳輸，有效地節約了成本”。
3 總結
圖爾克提供世界上最廣泛的IO-Link產品組合之一，從眾多傳感器、電纜、電感式傳感器和I/O分線器，一直到可編程現場總線和以太網解決方案。圖爾克的客戶不僅可從IO-Link全面的產品組合以及公司在汽車生產線自動化領域的多年經驗中獲益，而且還可獲得多個專用傳感器和用于該領域的現場總線解決方案。通過圖爾克的多協議網關，公司已經開發出一款可在單個設備中結合三種全球以太網協議（Profinet 、Ethernet/IP和Modbus TCP）的技術，并且提供IP20和IP67的防護等級，作為模塊化系統以及緊湊型I/O模塊。由于大多數公司只關注自動化金字塔的橫向水平，即傳感器側與主機側。而圖爾克IOLink產品組合的特點在于其垂直范圍。圖爾克是能夠提供從主機到傳感器的完整IO-Link系統的少數幾個制造商之一，并且防護等級普遍達到IP67。在主機方面（如圖4），圖爾克提供模塊化現場總線和以太網IO系統BL20和BL67，配備用于IO-Link的主機模塊。
可完成被動分配器工作的I/O分線盒會在自動化金字塔中替代它們位于現場總線和連接技術之間的位置。圖爾克作為連接專家，還提供傳統的三芯電纜解決方案，以及用于模擬信號的電纜，或者現場總線和以太網連接。圖爾克傳感器組合包含多種帶有IO-Link接口的型號，例如計量傳感器（壓力、流量或者溫度）。
圖4 圖爾克IO-Link技術示意圖
摘自《自動化博覽》2015年11月增刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號