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來(lái)源：DigiKey 作者：Jeff Shepard 在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中，在云連接和通過(guò)可編程邏輯控制器 (PLC) 進(jìn)行本地控制這兩種需求之間進(jìn)行平衡變得越來(lái)越容易。工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò )非常復雜，包括從工廠(chǎng)車(chē)間的 IO-Link 到連接機器和 PLC 的 EtherNet/IP 和 PROFINET 等現場(chǎng)總線(xiàn)，以及直至云的開(kāi)放式平臺通信統一架構 (OPC UA) 接口等多層級連接。 在傳統工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò )中，傳感器、執行器和其他設備通過(guò) IO-Link 主機與現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接，現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的設備通過(guò) OPC UA 和其他協(xié)議與云連接。 機器和工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )設計人員現在有了一種新工具——IO-Link 主機。這種工具將常用的 EtherNet/IP、PROFINET 和其他現場(chǎng)總線(xiàn)連接與 OPC UA 接口組合在一起，可直接與云端連接。這種工具可用于扁平化連接，提高向網(wǎng)絡(luò )最高層級傳輸關(guān)鍵數據的速度。 本文首先回顧傳統網(wǎng)絡(luò )架構中使用本地控制和云連接的情況。然后介紹通過(guò) Pepperl+Fuchs 最新推出的 IO-Link 主機實(shí)現的扁平化架構，其中包括現場(chǎng)總線(xiàn)和 OPC UA 連接并可支持多個(gè)并行連接。本文還考慮了新的以太網(wǎng)高級物理層 (APL) 技術(shù)如何融入其中。 最后，詳細介紹具有 OPC UA 連接功能的新型 IO-Link 主機、用于網(wǎng)絡(luò )擴展的兼容型 IO-Link 集線(xiàn)器，以及一些具有代表性的 IO-Link 設備和用于 IO-Link 設備的配置、調試和故障排除的 IO-Link USB 主機。 工業(yè) 4.0 工廠(chǎng)需要不同組合的本地控制和云連接。各有各的優(yōu)勢。最佳解決方案通常是將 PLC 和邊緣計算機相結合，實(shí)現反應迅速的本地控制，同時(shí)利用云進(jìn)行復雜的數據分析。 PLC 堅固耐用，專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境而設計。PLC 通常采用模塊化設計，可滿(mǎn)足工業(yè) 4.0 工廠(chǎng)不斷變化的需求。PLC 比其經(jīng)常取代的繼電器系統更緊湊、更可靠。也許最重要的是，PLC 能夠支持關(guān)鍵應用中的實(shí)時(shí)控制，并直接從所連接的機器和傳感器獲得反饋。 云連接提供了基本上是無(wú)限的存儲和計算能力。云連接可以連接由單個(gè) PLC 控制的各種應用系統的數據，并支持經(jīng)過(guò)協(xié)調和優(yōu)化的整體工廠(chǎng)運行。云連接可以卸載 PLC 的管理任務(wù)，而云計算服務(wù)可以快速、經(jīng)濟地進(jìn)行擴展。 傳統 IO-Link IO-Link 是點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議，不是現場(chǎng)總線(xiàn)。在傳統的工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò )中，IO-Link 主機是工廠(chǎng)車(chē)間 IO-Link 設備與現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的連接橋梁。IO-Link 主機的每個(gè)端口都連接一個(gè) IO-Link 設備。IO-Link 主機可整合、轉換所連接 IO-Link 設備的通信，并將其發(fā)送到現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。 IO-Link 主機可安裝在控制柜內。這些主機可以作為遠程連接點(diǎn)與現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接，其環(huán)境防護等級為 IP20，也可提供 IP65/67 防護等級版本，在工廠(chǎng)車(chē)間使用（圖 1）。傳統 IO-Link 主機與云之間無(wú)直接連接；與云的所有通信都通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)上的設備進(jìn)行傳輸并由其控制。 
圖 1：與現場(chǎng)總線(xiàn)連接的 IO-Link 的傳統網(wǎng)絡(luò )應用。（圖片來(lái)源：Pepperl+Fuchs） 增強型 IO-Link 和并行網(wǎng)絡(luò ) 在 IO-Link 主機中添加 OPC UA 連接功能，極大地改變了工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構的可能性。通信不再需要通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)就能連接云端。 用于實(shí)時(shí)控制的時(shí)效型數據仍可輸入現場(chǎng)總線(xiàn)。時(shí)效性較低的數據可以在匯總后直接發(fā)送到云端，從而消除現場(chǎng)總線(xiàn)設備的通信開(kāi)銷(xiāo)負擔。 Pepperl+Fuchs 將這種新結構稱(chēng)為“并行”結構，因為這種結構可以與標準的工業(yè)機器控制系統并行使用。關(guān)鍵是該公司的 MultiLink™ 技術(shù)，可支持并行使用工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)，通過(guò) EtherNet/IP 和消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 等協(xié)議連接 PLC。該開(kāi)源消息傳遞協(xié)議使用 OPC UA，可連接工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 上的設備，如工業(yè)計算機、監控和數據采集 (SCADA) 系統以及云。 為了使軟件包更加完善，帶 MultiLink 的 IO-Link 主機還包括一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器和 IO-Link 設備描述 (IODD) 解析器，可支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò )瀏覽器配置現場(chǎng)總線(xiàn)連接和所連接的 IO-Link 設備（圖 2）。
圖 2：使用 OPC UA 實(shí)現直接云連接和扁平化網(wǎng)絡(luò )結構的新型 IO-Link 網(wǎng)絡(luò )架構。（圖片來(lái)源：Pepperl+Fuchs） 更多的網(wǎng)絡(luò )選擇 除了實(shí)現上述新的并行網(wǎng)絡(luò )架構外，采用 OPC UA 和 MultiLink 的 IO-Link 主機還可用于其他用例，如： 改造 - 這種傳統的 IO-Link 主機可由具有 OPC UA 和 MultiLink 連接功能的主機取代，以使現有網(wǎng)絡(luò )增加并行通信的優(yōu)勢。 無(wú)傳統 PLC 的應用 - 如企業(yè)資源規劃 (ERP) 或制造執行系統 (MES) 等有些應用從工廠(chǎng)車(chē)間的傳感器收集數據，不需要 PLC。采用 OPC UA 的 IO-Link 主機可將數據直接發(fā)送到云端，并對其進(jìn)行匯總、分析和處理，從而最大限度地提高生產(chǎn)率。 采用多 PLC 的應用 - 復雜的焊接單元就是采用多個(gè) PLC 和多種協(xié)議的應用，可以從增加 OPC UA 中受益。例如，主 PLC 可通過(guò) PROFINET 通信控制整個(gè)過(guò)程，工業(yè) PC 可通過(guò) EtherNet/IP 通信控制光學(xué)品質(zhì)監控，而各種不同的機器人和其他設備可能使用專(zhuān)有的控制協(xié)議。采用 Pepperl+Fuchs MultiLink 技術(shù)的 OPC UA 可在不同的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議下實(shí)現系統間的通信和數據交換，并可將整個(gè)焊接單元與云端連接。 基于以太網(wǎng) APL 的基礎進(jìn)行構建 MultiLink 技術(shù)建立在以太網(wǎng)高級物理層（即以太網(wǎng) -APL）的基礎之上，允許使用以太網(wǎng)與過(guò)程儀表進(jìn)行遠距離通信和供電。這種高級物理層基于 10BASE-T1L 以太網(wǎng)物理層標準。 以太網(wǎng) APL 的速度為 10 Mbps，傳輸距離為 1000 米，專(zhuān)為實(shí)時(shí)過(guò)程監控而設計，因此可實(shí)現并行訪(fǎng)問(wèn)。它支持 EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA、PROFINET 和其他更高級別的協(xié)議。它無(wú)需網(wǎng)關(guān)或其他協(xié)議轉換。它使用開(kāi)放系統互連 (OSI) 模型第 1 層中的特殊以太網(wǎng)物理連接 (PHY) 來(lái)實(shí)施 10BASE-T1L（圖 3）。
圖 3：Ethernet-APL 是一種基于 10BASE-T1L 的新型 PHY。（圖片來(lái)源：Pepperl+Fuchs） 新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò )工具 通過(guò)具有 OPC UA MultiLink 并行連接功能的 IO-Link 主機可實(shí)現各種新可能性。對于希望利用這些可能性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設計人員來(lái)說(shuō)，Pepperl+Fuchs 提供了 ICE2（具有 EtherNet/IP 功能）和 ICE3（具有 PROFINET 功能）IO-Link 主機系列。這兩種 IO-Link 主機都提供八個(gè)輸入和輸出，并具有網(wǎng)絡(luò )配置功能，可設置所有模塊參數和所有連接的 IO-Link 設備（網(wǎng)絡(luò ) IODD 操作）。這些主機包括可存儲 100 多個(gè) IODD 的集成 IODD 存儲器。其他特性包括： · PortVision® DX 軟件在單應用中支持網(wǎng)絡(luò )配置、設備管理和設置克隆/備份。 · 所有模塊設置均可保存為單獨文件，并使用克隆功能轉移到新設備，以加快部署速度。 · 插板型號有兩個(gè) L 編碼 M12 電源連接器插頭，額定電流為 16 A。輸入和輸出采用 A 編碼 M12 連接器插頭，與現場(chǎng)總線(xiàn)的連接采用 D 編碼 M12 連接器插頭。 · DIN 導軌型號提供螺紋端子或可插拔推入式連接器。 · 防護等級：插板型的防護等級為 IP67，DIN 導軌型號的防護等級為 IP20（圖 4）。
圖 4：DIN 導軌式（左）和插板型（右）IO-Link 主機示例。（圖片來(lái)源：Pepperl+Fuchs） 配備 OPC UA MultiLink 的 IO-Link 主機包括： · ICE2-8IOL1-G65L-V1D，是一款插板型 EtherNet/IP 和 Modbus IO-Link 主機，配有四個(gè) IO-Link A 類(lèi)端口，可為所連接的設備提供高達 200 mA 的電流，還配有四個(gè) IO-Link B 類(lèi)端口，用于采用獨立電源的功率較高的設備。 · ICE2-8IOL-K45P-RJ45，是一款 DIN 導軌式 EtherNet/IP IO-Link 主機，配有八個(gè)輸入/輸出和推入式連接器。 · ICE3-8IOL1-G65L-V1D，是一款插板型 PROFINET 和 Modbus IO-Link 主機，配有 4 個(gè) IO-Link A 類(lèi)端口和 4 個(gè) IO-Link B 類(lèi)端口。 · ICE3-8IOL-K45S-RJ45，是一款 DIN 導軌式 PROFINET IO IO-Link 主機，配有八個(gè)輸入/輸出和螺紋端子。 用于網(wǎng)絡(luò )擴展的集線(xiàn)器和轉換器 IO-Link 集線(xiàn)器支持傳感器、致動(dòng)器和其他設備網(wǎng)絡(luò )的擴展。IO-Link 集線(xiàn)器允許使用標準傳感器電纜將多個(gè)數字傳感器和致動(dòng)器與 IO-Link 主機連接。例如，ICA-16DI-G60A-IO IO-Link 集線(xiàn)器可處理多達 16 個(gè) PNP 數字輸入，且每個(gè)端口的邏輯電平可單獨配置。根據所連接的 IO-Link 主機的能力，該集線(xiàn)器可為所連接的設備提供高達 500 mA 的電流。該器件的防護等級為 IP65、IP67 和 IP69K。 當需要將具有模擬輸出的傳感器與 IO-Link 網(wǎng)絡(luò )連接時(shí)，設計人員可使用 ICA-AI-I/U-IO-V1 IO-Link 轉換器，該轉換器具有電流或電壓模擬輸入和 IO-Link 輸出。該器件的防護等級為 IP67，輸入設置如下： · 電流輸入可設置為 0 mA 至 20 mA 或 4 mA 至 20 mA。 · 電壓輸入可設置為 -10 V 至 10 V 或 0 V 至 10 V。 提供 IO-Link 設備 全面的 IO-Link 設備生態(tài)系統可滿(mǎn)足幾乎所有工業(yè)流程的檢測和控制需求。Pepperl+Fuchs 的 IO-Link 產(chǎn)品組合包括電感式接近傳感器、電感式定位系統、光電傳感器、超聲波傳感器、振動(dòng)傳感器、旋轉編碼器和識別系統（圖 5）。具體包括： · VDM28 測距儀采用脈沖測距技術(shù) (PRT)，重復精度為 5 mm，工作范圍為 0.2 m 至 15 m，絕對精度為 25 mm。 · IUT-F191-IO-V1-FR2-02 RFID 讀/寫(xiě)設備經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，適用于距離不超過(guò) 1 m 的工業(yè)應用。該設備根據 ISO/IEC 18000-63 標準讀寫(xiě)無(wú)源標簽。
圖 5：各種各樣的的 IO-Link 設備示例。（圖片來(lái)源：Pepperl+Fuchs） 用于調試 IO-Link 設備的 USB 主機 當需要安裝和調試 IO-Link 設備時(shí)，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)人員可以使用 IO-LINK-MASTER02-USB（圖 6）。該 USB 主機可將 IO-Link 設備與 PC 的 USB 端口連接。該主機旨在支持測試、配置和服務(wù)活動(dòng)�？蓪λB接設備進(jìn)行配置和參數化。還支持設備診斷。電流消耗低的設備可直接由 USB 主機供電。需要更高功率的設備可選擇連接外部電源。
圖 6：這款 IO-Link USB 主機與 PC 連接，以加快網(wǎng)絡(luò )部署。（圖片來(lái)源：Pepperl+Fuchs） 結語(yǔ) 將 OPC UA 并行連接功能添加到 IO-Link 主機設備中，極大地改變了工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò )設計人員的選項�，F在可以扁平化網(wǎng)絡(luò )架構，在工廠(chǎng)車(chē)間的 IO-Link 設備和云之間提供直接連接。這項新技術(shù)可用于各種用途，以提高運行效率。 |
