Що таке IO-Link
IO-Link – це протокол цифрового зв’язку для промислової автоматизації, спочатку запропонований Siemens, а тепер став міжнародним стандартом. Він спрямований на забезпечення підключення та зв’язку між промисловим обладнанням і системами керування. Це полегшує двонаправлений зв’язок між датчиками, виконавчими механізмами та іншими промисловими пристроями з контролерами (такими як ПЛК), забезпечуючи передачу-даних і керуючих сигналів у реальному часі.
IO-Link – це послідовний протокол зв’язку (подібний до шини I2C), який служить стандартом зв’язку між контролерами промислової автоматизації та промисловими приводами чи датчиками. Він представляє технологічний стандарт «останніх кількох футів» для з’єднання мереж зв’язку з полем.
Навіщо потрібне IO-Link?
Технологія IO-Link є важливою завдяки таким технічним перевагам:
Передача й контроль-даних у реальному часі:У промисловій автоматизації передача-даних у реальному часі має вирішальне значення для точного керування та моніторингу обладнання. IO-Link забезпечує високо-швидкісний надійний цифровий канал зв’язку, що дозволяє датчикам і виконавчим механізмам швидко передавати дані системам керування для-контролю та моніторингу в реальному часі.
IO-Link забезпечує двонаправлений зв’язок:Він не тільки отримує команди та конфігураційні дані від системи керування, але й передає параметри та інформацію про стан назад до системи керування. Цей інтелект дозволяє пристроям адаптуватися до різноманітних виробничих вимог і умов експлуатації, підвищуючи гнучкість виробничої лінії;
Спрощений монтаж і обслуговування:Пристрої IO-Link можна параметризувати та конфігурувати за допомогою цифрового зв’язку, що зменшує кількість помилок ручного налаштування та спрощує процеси встановлення та обслуговування. Крім того, IO-Link передає діагностичну інформацію, допомагаючи інженерам швидко виявляти та вирішувати проблеми, щоб мінімізувати час простою.
Діагностика несправностей і прогнозне технічне обслуговування:Діагностичні дані, що передаються через IO-Link, допомагають підприємствам у діагностиці несправностей, забезпечуючи своєчасне виявлення та вирішення проблем, щоб зменшити перерви у виробництві та втрати. Крім того, відстежуючи стан пристрою та дані про продуктивність, стає можливим прогнозне технічне обслуговування, що дає змогу проактивно запобігати збоям обладнання та додатково підвищувати ефективність виробництва. Стандартизація та сумісність: IO-Link — це міжнародно стандартизований протокол зв’язку. Пристрої різних виробників відповідають однаковим стандартам зв’язку, забезпечуючи взаємодію між різноманітним обладнанням. Це дозволяє підприємствам гнучко вибирати та інтегрувати пристрої від різних постачальників без проблем із сумісністю.
Розробка IO-Link
Кількість вузлів I0-Link зросла в геометричній прогресії за останні роки, досягнувши 6 мільйонів вузлів ще в 2017 році.
Режим датчика
Традиційні датчики збору даних діляться на дві категорії:
1. Аналогові датчики:Значення аналогового датчика перетворюються на цифрові за допомогою аналого-цифрового перетворення. Мікропроцесор (uP) зчитує ці цифрові значення, які потім перетворюються назад в аналогові сигнали за допомогою цифро-аналогового перетворення для передачі на ПЛК. ПЛК перетворює ці аналогові сигнали в цифрові за допомогою аналого-цифрового перетворювача. Мікропроцесор ПЛК зчитує цифрові значення для отримання інформації датчика.
2. Двійкові цифрові датчики:Передача двійкових цифрових сигналів рівня між датчиком і ПЛК через порти цифрового виходу (DO) і цифрового входу (DI).
Однопортовий бінарний цифровий драйвер датчика-
По-перше, що таке драйвер датчика? Що це робить?
Драйвер датчика — це програмний або апаратний компонент, який керує сенсорними пристроями та керує ними, забезпечуючи їм належне функціонування та обмін даними з іншими системами. Роль драйвера датчика полягає в тому, щоб перетворювати фізичні величини, створені датчиками, у цифрові сигнали,
а потім передавати ці сигнали до програм або систем-вищого рівня для обробки, аналізу та-прийняття рішень.
Я розумію, що драйвер датчика служить проміжним рівнем між датчиками-нижчого рівня та програмами-вищого рівня. Без цього посередника цифрові або аналогові сигнали, зібрані датчиками, просто безцільно поширювалися б по схемі. Коли встановлено драйвер датчика, дані, зібрані базовими датчиками, отримують назву, напрямок і різні атрибути. Це дозволяє програмам верхнього{5}}рівня розпізнавати походження даних, розуміти, які фізичні величини вони представляють, і видавати відповідні команди дій.
Функції бінарних цифрових датчиків і драйверів:
Адаптація сигналу:Двійкові цифрові датчики можуть генерувати специфічні цифрові сигнали, що представляють різні стани або події, такі як стан перемикача або натискання кнопок. Драйвери датчиків адаптують ці сигнали в електричні сигнали, які можна зчитувати та інтерпретувати іншими системами, наприклад сигнали напруги.
Посилення або ослаблення сигналу:Іноді вихідні сигнали датчика вимагають підсилення або ослаблення, щоб відповідати наступним вимогам схеми. Драйвери датчиків можуть підсилювати або послаблювати сигнали для забезпечення точної передачі сигналу;
Електрична ізоляція:Для ізоляції шумів або перешкод між датчиками та іншими схемами драйвери датчиків забезпечують електричну ізоляцію, забезпечуючи точність і стабільність сигналів датчиків;
Фільтрація сигналу:На датчики може впливати шум навколишнього середовища. Драйвери датчиків можуть забезпечувати функції фільтрації для усунення цього шуму та надання більш надійних сигналів;
Логічне перетворення:Для вихідних сигналів деяких цифрових датчиків може знадобитися логічне перетворення, наприклад інверсія сигналу або об’єднання кількох сигналів. Драйвери датчиків можуть виконувати ці операції логічного перетворення;
Джерело живлення датчика:Для належної роботи деяких цифрових датчиків може знадобитися зовнішнє живлення. Драйвери датчика можуть забезпечити відповідну напругу живлення для датчика;
Сумісність інтерфейсу:Драйвери датчиків пропонують різні варіанти інтерфейсу для підключення датчиків до різних систем або пристроїв, таких як аналогові сигнали, цифрові сигнали, послідовний зв’язок тощо.
Недоліки однопортових бінарних цифрових драйверів датчиків-:
1. Передача даних є односпрямованою лише для-читання. А якщо потрібні контрольні операції?
2. Дані мають лише два стани: 0/1. Як можна передати більше інформації?
Система пристроїв вводу-виводу
IO-Датчики Link не показують відхилення вимірювань
Традиційні аналогові сигнали (температура, тиск тощо) потребують перетворення між аналоговим і цифровим форматами під час передачі. Цей процес перетворення створює розбіжності в даних, які впливають на точність кінцевих результатів.
При підключенні через IO-Link виміряні значення передаються в цифровому вигляді від датчика безпосередньо до контролера, гарантуючи, що передані значення даних завжди точно відповідають виміряним значенням.
IO-Link підключення також усуває чутливість до навколишніх електромагнітних перешкод, притаманних традиційній передачі аналогового сигналу.Склад мережі IO-Link
I0-Link можна використовувати з різними кінцевими пристроями:
Датчики:Датчики температури, тиску, фотоелектрики, потоку... Датчики I0-Link забезпечують оцифровані дані датчиків і підтримують дистанційне налаштування та моніторинг.
Актуатори:Електромагнітні клапани, драйвери двигунів, сервоприводи... Ці приводи забезпечують дистанційне керування, моніторинг і діагностику через I0-Link.
Аналого-{0}}в-цифрові перетворювачі (АЦП/ЦАП):Під’єднавши цифрово--аналогові перетворювачі, можна виводити аналогові сигнали з мережі IO-Link.
Пристрої ідентифікації:Такі як зчитувачі/записувачі RFID, сканери штрих-кодів тощо, щоб увімкнути функції ідентифікації та відстеження об’єктів.
IO-Link Interconnection Bus (Unified Wiring Standard)
З’єднання IO-Link використовують такі три різні типи з’єднувачів:
1. Сигнальний кабель:Підключає головний пристрій до концентратора або термінального пристрою IO-Link. Сигнали фізичного рівня IO-Link передаються через сигнальний кабель (стандартний три-жильний кабель).
2. Кабель даних:Підключає головний пристрій до пристроїв керування-вищого рівня, як-от обладнання Ethernet.
3. Кабель живлення:Подає великий струм на майстер
IO-Link Unified Wiring Standard:
• IO-Link Master потребує лише стандартного 3-жильного кабелю для підключення всіх пристроїв IO-Link
• Цифрові та аналогові сигнали комутатора можуть передавати дані з контролером верхнього{0}}рівня через цей 3-жильний кабель
• Прогноз: у майбутньому всі аналогові сигнали, RS232 і RS485 буде замінено на IO-Link
Специфікація датчика IO-Link
IO-Link Sensor=IO-Link sensor (з інтерфейсом IO-Link і логотипом) + файл опису пристрою IODD + декларація виробника
Позиція IO-Link у промисловому ІнтернетіКінцевий 1 метр до мережі
IO-Link Communication
Комунікаційні інтерфейси та типи даних
Яка різниця між типом A і типом B?
IO-Головний і підпорядкований пристрої зв’язуються через фізичну проводку. Головний і підлеглий пристрої фізично з’єднані за допомогою кабелів, включаючи лінії електропередачі, лінії передачі даних і сигнальні лінії. Традиційні сигнали датчика/приводу вводу/виводу періодично збираються головним пристроєм у стандартному режимі 10 (SI0). Як показано на малюнку вище, контакти 1-4 є фізичними контактами проводки між пристроями 10-Link.
Функції кожного штифта такі:
Дані передаються через контакт Pin4 за допомогою імпульсно-модульованого послідовного UART-протоколу 24 В-. Типи переданих даних включають дані процесу, параметри, діагностику та інші службові дані.
Насправді ці типи даних подібні до тих, що передаються в CANopen. Тут дані процесу та сервісні дані відповідають PDO та SDO у CANopen.
Швидкість зв’язку між пристроями IO-Link залежить від підключених пристроїв IO-Link і працює в трьох режимах:
- 4.8 кБод (COM1)
- 38.4 кБод (COM2)
- 230.4 кБод (COM3)
Типи даних для IO-Link наведено в таблиці нижче:
Дані процесу: найпоширеніший тип даних, який використовується для передачі фактичних фізичних величин, виміряних датчиками, таких як температура, тиск, швидкість потоку та інші вимірювання. Дані процесу зазвичай використовуються в програмах моніторингу та керування;
Сервісні дані:
Пакети конфігураційних даних:Використовується для встановлення та налаштування параметрів для пристроїв 10-Link, таких як частота дискретизації, режим роботи, порогові значення тощо. Пристрої можуть надсилати пакети конфігурації, щоб змінити свою поведінку та функціональність.
Пакети діагностичних даних:Використовується для передачі діагностичної інформації про пристрої, включаючи коди помилок, попереджувальні повідомлення, стани несправностей тощо. Ці пакети допомагають системам у діагностиці несправностей та обслуговуванні.
Пакети ідентифікації:Передавати унікальні ідентифікатори пристроїв, інформацію про виробництво тощо (для запобігання обігу контрафактних товарів). Ці дані допомагають ідентифікувати систему та керувати окремими пристроями.
Пакети стану:Передайте робочий стан пристрою, час роботи (для реєстрації часу технічної підтримки), інформацію про тривогу, зміни стану та пов’язані деталі.
Пакети можливостей пристрою:Передача функціональної та характерної інформації пристрою, такої як підтримувані режими роботи, формати даних тощо.
Стандартний вхід/вихід:Передає сигнали,-спричинені подіями, наприклад події, що спрацьовують, коли пристрій досягає певного стану чи умови.
Наведена вище схема ілюструє процес передачі даних між головним пристроєм IO-Link і підлеглими пристроями IO-Link. Це демонструє переваги IO-Link перед традиційними датчиками в передачі даних. Поява технології IO-Link дозволяє датчикам не лише збирати дані та завантажувати їх у системи-вищого рівня, але й дозволяє системам-вищого{7}}рівня надсилати дані до датчиків або виконавчих механізмів. Крім того, процес передачі даних надзвичайно швидкий, зазвичай займає лише 2-3 мілісекунди.
IO-Розробка та тестування пристроїв Link
IO-Link Device Development
Визначення програми:
1. Функціональність приводу або датчика
2. Визначити циклічні дані (дані процесу)
3. IO-Функції пристрою зв’язку (параметри, події, системні команди, зберігання даних)
Вибір MCU:
- COM2: рекомендований 8-розрядний процесор
- COM3: рекомендовано 16-біт, наприклад, Cortex-M0 або вище
Типові параметри продуктивності:
- 6-15 МГц
- Flash: ±16 кбайт
- Оперативна пам’ять: ±0,5 Кбайт
- Поточне споживання:<10 mA
Вибір мікросхеми PHY:.
Два типових мікросхеми PHY.
Основні функції.
Виявлення автоматичного-запиту на пробудження (WURQ).
RX, TX CIQ.
TX увімкнути.
Усі швидкості зв’язку, Hi-side, Low-side, Push-Pull output.
Інтегрована обробка кадрів.
SPI, I2C
.UART
.Додаткові функції
.LDO, DC/DC перетворювач
.Температурний датчик
.Захист від зворотної полярності
Генератор .RC / PLL як заміна кристала
.Режими перемикання: NPN, PNP, Push-Pull...
.Гаряча заміна, захист лінії...
PS: Що таке чіп PHY?
Мікросхема PHY, скорочення від Physical Layer chip, відноситься до інтегральної схеми, яка використовується в комп’ютерних мережах для обробки зв’язку фізичного рівня. Фізичний рівень — це рівень в архітектурі комп’ютерної мережі, який відповідає за керування фізичною передачею даних і перетворенням електричного сигналу. Він перетворює логічні дані у формат сигналу, придатний для передачі по мережі. Мікросхеми PHY зазвичай використовуються для з’єднання комп’ютерів, серверів, маршрутизаторів, комутаторів та інших мережевих пристроїв, що забезпечує фізичну передачу даних між з’єднаннями.
Мікросхеми PHY застосовуються в різних мережевих протоколах, із поширеними прикладами, зокрема:
• Чіпи Ethernet PHY:Використовується для зв’язку Ethernet, перетворюючи кадри даних у відповідні електричні сигнали для передачі через Ethernet.
• Чіпи USB PHY:Використовується в інтерфейсах USB (універсальна послідовна шина), обробляючи передачу даних і перетворення електричних сигналів для пристроїв USB.
• Чіпи PCIe PHY:Використовується для інтерфейсів PCI Express, що забезпечують високу-передачу даних між пристроями PCIe.
• Чіпи бездротового зв'язку PHY:У бездротових комунікаціях, таких як WiFi, Bluetooth і мобільні мережі, мікросхеми PHY перетворюють дані в бездротові сигнали і навпаки.
• Волоконно-оптичні комунікаційні мікросхеми PHY:Використовується для оптоволоконного зв’язку, перетворюючи дані в оптичні сигнали для передачі через оптоволокно.
Перевірка узгодженості:
Навіщо проводити тестування на відповідність?
Тестування на відповідність перевіряє, чи пристрої, системи або програми правильно реалізовано та працюють відповідно до стандарту IO-Link.
Перевірка відповідності повинна бути проведена до публікації MD.
Робоча група IO-Link Quality Working Group відповідає за складання та підтримку документації.
У документі детально описано технічні специфікації для тестування основного пристрою та пристрою.
Він містить специфікації інформації про випробувальне обладнання.
Доступ до документа: IO-Посилання на офіційний веб-сайт
Тестові елементи
• Перевірка фізичного рівня: вимагає електронного обладнання та зазвичай виконується вручну
• Тест протоколу: має проводитися за допомогою системи тестування протоколу, затвердженої Технічним комітетом IO-Link
• Перевірка електромагнітної сумісності: перевірка електромагнітної сумісності вказана в специфікації інтерфейсу IO-Link і вимагає спеціального обладнання для перевірки електромагнітної сумісності
Процес тестування узгодженості
IO-Налаштування з’єднання на різних шинах
Взаємозв’язок між системами IO-Link і шини
Як показано на схемі вище, 10-Link не впливає на системну шину. Навпаки, 10-Link з’єднує «останню милю» між контролерами та датчиками/приводами. Він не конкурує з шиною, а покращує системну інтеграцію та стандартизацію.
. 10-Link не покладається на існуючі шинні технології та може бути в них інтегрований.
Використовує стандартні роз'єми M12 і M8 з 3-контактним і 5-контактним кабелями.
Уніфікований інтерфейс, здатний передавати D1, DO, аналогові сигнали тощо.
IO-Підсумок конфігурації посилання.
IO-Link сумісний із основними протоколами шини.
Компоненти системи IO-Link прості, легко монтуються та не потребують кабелю зв’язку.
Конфігурація однакова для різних автобусів; Зв'язок досягається на основі необхідного розміру даних процесу введення/виведення підлеглого пристрою.
IO-Діагностику зв’язку за посиланням легко реалізувати!.
Зв’язок IO-Link легко отримує різноманітні дані пристрою, полегшуючи обслуговування та моніторинг
IO-Link Device Software Protocol Stack
Стек протоколів програмного забезпечення пристроїв AsiaInfo IO-Link розроблено на основі плати оцінки пристроїв AsiaInfo Electronics AXM-IOLS IO-Link, яка містить мікроконтролер STMicroelectronics STM32F469AI і розроблена в середовищі розробки STM32Cube IDE. Цей набір стеків програмного забезпечення включає пробну бібліотеку для AsiaInfo IO{7}}Link Device Software Protocol Stack, IO-Link драйвери датчиків і демонстраційні програми. Архітектура програмного забезпечення AsiaInfo IO{10}}Link Software Protocol Stack побудована на основі комплекту розробки програмного забезпечення STEVAL-BFA001V2 від STMicroelectronics, який інтегрує незалежно розроблену AsiaInfo IO{14}}Link програмну бібліотеку стеку програмного забезпечення. Клієнти, які використовують AXM-IOLS IO-Link Device Evaluation Board, можуть провести повне-тестування та оцінку AXM IO-Link Device Software Protocol Stack Trial Library протягом 72-годинного пробного періоду після активації, за винятком функцій оновлення мікропрограми.
особливості
• Сумісність із інтерфейсом IO-Link і специфікацією системи V1.1.3
• Зворотна сумісність із основними модулями IO-Link V1.0
• Вихідний код відповідає стандарту ANSI-C 99
• Підтримує оновлення мікропрограми через інтерфейс IO-Link
• Режими роботи: режим IO-Link і стандартний режим I/O
• Підтримує зв'язок і зберігання даних ISDU
• Забезпечує послідовний обмін даними процесу (PDE) через чергування буферів
• Підтримує всі типи телеграм і швидкість передачі: 4,8 Кбіт/с (COM1), 38,4 Кбіт/с (COM2) і 230,4 Кбіт/с (COM3)
• Мінімальний розмір: RAM < 1 КБ, Flash < 10 КБ
• Розроблено на основі AXM-IOLS IO-Link Device Evaluation Board із ST L6362A IO-Link transc
Застосування продукту
IO-Link Sensors
Датчики температури/вологості/тиску/фотоелектричні/зору/ToF жестів тощо.
IO-Приводи зв’язку
Приводи клапанів/керування двигуном/розумні світлодіодні маяки тощо.
IO-Link Hubs
IO-Link Valve Islands
