1. IO‐Link 系統(tǒng)概述
一個IO‐Link系統(tǒng)由IO‐Link設備、傳感器、執(zhí)行器或者它們的組合構(gòu)成，其中有一根標準的3線傳感器/執(zhí)行器電纜和一個IO‐Link主站。主站可以是一個具有不同功能和不同保護等級的設備。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖1：系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示例
一個IO‐Link主站可以有一個或者多個端口。每個端口只能連接一個IO‐Link設備。因此IO‐Link是一種點到點的連接，而不是一種現(xiàn)場總線。
圖2：IO‐Link點到點的連接
1.1 上電之后的狀態(tài)
在一開始，設備總是處于SIO模式（標準I/O模式）。主站的端口可以使用不同的配置。如果一個端口設置成為SIO模式，主站這個端口的行為就像一個通用的數(shù)字量輸入。如果端口設置成通信模式，主站試圖尋找連接的IO‐Link設備。這個過程被稱為喚醒。
圖3：IO‐Link SIO 和COM 模式
在喚醒期間，主站發(fā)出一個定義的信號，然后等待設備的回應。主站使用最高的波特率發(fā)送這個定義信號。如果主站這次嘗試沒有成功，那么下次使用較低的波特率再試。主站用相同的波特率，對連接的設備進行三次嘗試。如果主站收到了回答（比如，設備被喚醒），兩者就開始通信。最初，它們先交換通信參數(shù)；然后，周期地交換過程數(shù)據(jù)。
如果設備在工作期間被刪除，主站會檢測到通信中斷，馬上發(fā)出報告。這很像現(xiàn)場總線，通知控制系統(tǒng)，然后再周期地進行喚醒設備的過程。在成功地進行了另一次喚醒后，再次交換通信參數(shù)；如果需要，可以對參數(shù)進行驗證，然后重新開始周期性的數(shù)據(jù)交換。
如果主站終止兩者的通信，主站和設備將回到原始的模式，也就是SIO模式。這被稱為復原。
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2. IO‐Link 協(xié)議
基本上講，進行的交換有三種數(shù)據(jù)類型：
1．周期型數(shù)據(jù)（也稱為過程數(shù)據(jù)）；
2．非周期數(shù)據(jù)或者服務型數(shù)據(jù)；
3．事件型數(shù)據(jù)。
僅在收到IO‐Link主站請求后，IO‐Link設備才發(fā)送數(shù)據(jù)。主站發(fā)出非周期數(shù)據(jù)和事件顯式請求后，設備應答；主站發(fā)出IDLE報文后，設備發(fā)送周期型數(shù)據(jù)。
2.1 過程數(shù)據(jù)（PD）
設備的過程數(shù)據(jù)是按一個數(shù)據(jù)幀的格式，周期性發(fā)送，過程數(shù)據(jù)的長度不超過2個字節(jié)。如果過程數(shù)據(jù)超過這個長度，就要對過程數(shù)據(jù)進行拆分，用幾個周期發(fā)送。當過程數(shù)據(jù)為無效時，會有一個診斷信息。
2.2 服務數(shù)據(jù)（SD）
服務數(shù)據(jù)總是非周期地交換，并且總是按照IO‐Link主站的要求進行。首先，IO‐Link主站向設備發(fā)出一個請求，然后設備回答這個請求。如對一個設備寫數(shù)據(jù)，或者從一個設備中讀數(shù)據(jù)，都是這樣進行的。服務數(shù)據(jù)可以用于讀參數(shù)，或者讀設備狀態(tài)。它也能夠用于寫參數(shù)或者發(fā)送命令。
SD和PD可以用一個報文或者分開的報文傳送。一個典型的數(shù)據(jù)交換參見有下面的結(jié)構(gòu)。
圖4：IO-Link報文結(jié)構(gòu)
2.3 事件
當發(fā)生一個事件時，設備對“事件標記”置位，它被發(fā)送到過程數(shù)據(jù)報文的CHECK/STAT字節(jié)的第7位。主站檢測這個置位位，得知事件的報告。在得知一個事件發(fā)生時，不進行服務數(shù)據(jù)的交換。這意味著事件出現(xiàn)或者設備發(fā)生過熱、短路等情況，能夠通過IO‐Link傳送到主站，再到PLC或者監(jiān)控軟件。
IO‐Link主站能夠生成自己的事件和狀態(tài)，并通過各種現(xiàn)場總線把它們發(fā)送出去。這樣的事件可以是：開路、通信中斷或者過載等。
2.4 通信質(zhì)量，重發(fā)，服務質(zhì)量（QoS）
IO‐Link是一種非常牢固的通信系統(tǒng)。它工作在24V的電壓下。如果一個幀失效，主站的請求會再重復一次。當?shù)诙螄L試發(fā)送數(shù)據(jù)再次失敗時，主站會檢測通信是否中斷，然后報告給更高一級的控制系統(tǒng)。主站用重發(fā)報文的數(shù)量來測量通信的質(zhì)量（QoS = 服務質(zhì)量）。
2.5 通信速率和同步
IO‐Link規(guī)范定義的傳輸率（波特率）是4.8和38.4 kbps。通常，一個IO‐Link設備會支持其中一個波特率。IO‐Link主站必須支持這兩種波特率。
周期時間由報文長度和主站與設備間的延時所組成。當波特率為38.4 kbps時，典型的周期時間為2 ms。
整個時間由設備指定的最小周期時間和由主站指定的同意或者參數(shù)化后的實際周期時間共同算出。
主站對每個端口可以設定不同的響應時間。設備應用可以和主站周期進行同步。相同主站的不同端口也可以實現(xiàn)與設備應用的同步。
2.6 報文類型和它們的結(jié)構(gòu)
IO‐Link規(guī)范定義了不同的報文類型，過程輸入數(shù)據(jù)和過程輸出數(shù)據(jù)在大小上是不同的。
為了建立通信，主站必須決定設備的通信參數(shù)。一個相關(guān)信息是過程數(shù)據(jù)長度。基于這個信息，IO‐Link主站決定使用什么報文類型用于周期數(shù)據(jù)交換。在通信建立階段，主站使用報文類型0。定義下面的報文類型：
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表1：報文類型
當過程設備輸入和輸出數(shù)據(jù)的和超過2個字節(jié)時，總是使用報文類型1。 那么報文結(jié)構(gòu)需要多個IO‐Link 周期來構(gòu)成。
在“服務數(shù)據(jù)”節(jié)所表示的報文是2.1類型的報文。設備發(fā)送一個字節(jié)的過程數(shù)據(jù)。在上面的圖示，設備首先發(fā)出一個字節(jié)的服務數(shù)據(jù)，然后加上過程數(shù)據(jù)的字節(jié)。在下面的圖示，主站對設備發(fā)送一個服務數(shù)據(jù)。
圖5：2.1幀類型
報文中不同位的含意如下表所示。
表2：讀/寫（R/W）值
表3：數(shù)據(jù)通道值
表4：幀類型值
圖7：設備的檢查/狀態(tài)序列
表5：事件位值
為了通過IO‐Link的物理層傳輸數(shù)據(jù)，每個字節(jié)打包在一個通用異步收發(fā)（UART）幀中，然后通過半雙工模式在主站和設備之間傳送。
圖8：IO-Link UART幀
3. 參數(shù)交換
為了在一個IO‐Link設備和一臺PLC之間交換數(shù)據(jù), IO‐Link主站把IO‐Link數(shù)據(jù)映射到所使用的現(xiàn)場總線上。這就是所謂的IO‐Link映射至現(xiàn)場總線。如果IO‐Link主站直接通過專有總線（見圖1）連接在一臺PLC上，IO‐Link數(shù)據(jù)映射到這個總線，并且把數(shù)據(jù)傳送到這臺PLC；或者數(shù)據(jù)從PLC通過現(xiàn)場總線傳送到IO‐Link主站，再到IO‐Link設備。IO‐Link映射到的現(xiàn)場總線已經(jīng)有PROFIBUS，Profinet, INTERBUS, AS‐i ，DeviceNet，EtherNet/IP和 EtherCAT等。
來自或者到達IO‐Link設備的過程數(shù)據(jù)，是通過現(xiàn)場總線或者背板總線周期地進行傳輸。服務數(shù)據(jù)必須由PLC顯式地請求，這非常容易識別。這就是為什么IO‐Link 要定義服務協(xié)議數(shù)據(jù)單元（SPDU）規(guī)范。
在功能塊（FB）幫助下－每個PLC制造商提供多種定制的功能塊（FB）用于這個系統(tǒng)－IO‐Link主站程序非循環(huán)地與IO‐Link設備在程序控制下進行通信。功能塊定義哪個IO‐Link主站（也就是哪個現(xiàn)場總線設備）和哪個端口進行數(shù)據(jù)交換。同時，還要向這個IO‐Link設備發(fā)送請求。
可以對一個帶索引和子索引的IO‐Link設備請求數(shù)據(jù)和狀態(tài)。在IO‐Link主站中，請求（讀寫服務）指令用一個IO‐Link特定的服務協(xié)議數(shù)據(jù)單元（SPDU），通過IO‐Link接口傳送到設備。
SPDU 指定了是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)。要讀寫的值通過索引來指定。SPDU有下面的結(jié)構(gòu)：
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圖9：一個SPDU的結(jié)構(gòu)
最多至32768索引，最多有232字節(jié)，用于指定IO‐Link的地址。
IO‐Link規(guī)范指定多種服務，例如：
D10 為制造商名稱；
D12 為產(chǎn)品名稱；
使用這些服務，IO‐Link設備能夠得到獨一無二的識別。
在現(xiàn)場總線上，IO‐Link主站呈現(xiàn)為一個通用的現(xiàn)場總線設備，通過相應的設備描述（比如：GSD，F(xiàn)DCML，GSDML，等），連接到各自的網(wǎng)絡適配器上。這些文件描述了通信連接和IO‐Link主站的詳細屬性, 諸如：端口號?？墒?，連接的IO‐Link設備不能在這里讀到。IO‐Link設備描述（IODD）文件透明地顯示了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和完整地表出了IO‐Link設備。在IODD和ODD解釋工具的幫助下，用戶能夠清晰地分辯出哪個IO‐Link 主站端口連接了哪個IO‐Link設備。
4. IO‐Link 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.1 IO‐Link設備
使用IO‐Link協(xié)議，IO‐Link設備提供了對過程數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)變量的訪問。某些變量已經(jīng)定義，比如，用于識別目的的變量。制造商必須在定義的索引區(qū)創(chuàng)建設備變量。所有這些信息都在IODD中描述。
圖10：IO-Link設備結(jié)構(gòu)
4.2 IODD和解釋工具
IODD包含通信屬性、設備參數(shù)、識別碼、過程和診斷數(shù)據(jù)等信息。它還包含設備的外形圖和制造商的標識。所有制造商的所有設備的IODD結(jié)構(gòu)是相同的，所以用IODD解釋器工具展示的內(nèi)容具有相同的形式。因此，用戶可以使用第三廠家的解釋器工具，處理所有的IO‐Link設備。
IODD是做為一個打包文件提供給用戶的，它包括一個或者多個使用擴展標記語言（xml）描述的設備文件，和用可移植網(wǎng)絡圖象（png）格式的圖形文件。 “IODD‐” 文件描述了所有設備的通用和強制屬性。這個文件必須在IODD目錄下，在每種支持的語言中存儲一次。
解釋器工具可以讀出一個IODD文件，以圖形的形式顯示描述的設備（僅以有限的范圍）。它可以用于所有制造商IO‐Link設備的參數(shù)化和診斷。同時，解釋器工具可以從系統(tǒng)到現(xiàn)場的體系結(jié)構(gòu)進行圖形顯示。
IODD檢查器用于驗證IODD。所有的IODD必須通過IODD檢查器進行測試。檢查器在IODD中輸入一個校驗和。解釋器工具讀出IODD中的這個值，然后與自己計算的值進行比較，結(jié)果必須相等。
圖11：IODD結(jié)構(gòu)
4.3 IO‐Link 主站
IO‐Link主站可以以不同形式連接到PLC（見圖1），可以有一個或者多個端口。IO‐Link規(guī)范區(qū)分了兩種類型的端口。端口類型A，針腳2的功能沒有詳細描述，可以由制造商自己定義，端口類型B用于設備需要特定電源的情況。
端口類型A
對于這種端口類型，針腳4可以配置成一個數(shù)字量輸入（DI）或者一個IO‐Link。制造商也可以把針腳4 設計成一個帶有電流限制的數(shù)字量輸出（DO）。針腳2也可以實現(xiàn)其他的功能。制造商可以設計針腳，比如，做為一個DI或者DO。
圖12：IO-Link主站，端口類型A
端口類型B
端口類型B是設計好的，比如，用于傳感器或者執(zhí)行器有電氣絕緣的電源。這里，由針腳2和5提供外加電源。
圖13：IO-Link主站，端口類型B
（羅克韋爾自動化 華镕）
