新型 IO-Link Master 如何在工业 4.0 工厂中平衡云连接和本地控制的优势

来源：DigiKey
作者：Jeff Shepard

在工业网络中，在云连接和通过可编程逻辑控制器 (PLC) 进行本地控制这两种需求之间进行平衡变得越来越容易。工业 4.0 网络非常复杂，包括从工厂车间的 IO-Link 到连接机器和 PLC 的 EtherNet/IP 和 PROFINET 等现场总线，以及直至云的开放式平台通信统一架构 (OPC UA) 接口等多层级连接。

在传统工业 4.0 网络中，传感器、执行器和其他设备通过 IO-Link 主机与现场总线网络连接，现场总线网络上的设备通过 OPC UA 和其他协议与云连接。

机器和工厂网络设计人员现在有了一种新工具——IO-Link 主机。这种工具将常用的 EtherNet/IP、PROFINET 和其他现场总线连接与 OPC UA 接口组合在一起，可直接与云端连接。这种工具可用于扁平化连接，提高向网络最高层级传输关键数据的速度。

本文首先回顾传统网络架构中使用本地控制和云连接的情况。然后介绍通过 Pepperl+Fuchs 最新推出的 IO-Link 主机实现的扁平化架构，其中包括现场总线和 OPC UA 连接并可支持多个并行连接。本文还考虑了新的以太网高级物理层 (APL) 技术如何融入其中。

最后，详细介绍具有 OPC UA 连接功能的新型 IO-Link 主机、用于网络扩展的兼容型 IO-Link 集线器，以及一些具有代表性的 IO-Link 设备和用于 IO-Link 设备的配置、调试和故障排除的 IO-Link USB 主机。

工业 4.0 工厂需要不同组合的本地控制和云连接。各有各的优势。最佳解决方案通常是将 PLC 和边缘计算机相结合，实现反应迅速的本地控制，同时利用云进行复杂的数据分析。

PLC 坚固耐用，专为工业环境而设计。PLC 通常采用模块化设计，可满足工业 4.0 工厂不断变化的需求。PLC 比其经常取代的继电器系统更紧凑、更可靠。也许最重要的是，PLC 能够支持关键应用中的实时控制，并直接从所连接的机器和传感器获得反馈。

云连接提供了基本上是无限的存储和计算能力。云连接可以连接由单个 PLC 控制的各种应用系统的数据，并支持经过协调和优化的整体工厂运行。云连接可以卸载 PLC 的管理任务，而云计算服务可以快速、经济地进行扩展。

传统 IO-Link

IO-Link 是点对点协议，不是现场总线。在传统的工业 4.0 网络中，IO-Link 主机是工厂车间 IO-Link 设备与现场总线网络之间的连接桥梁。IO-Link 主机的每个端口都连接一个 IO-Link 设备。IO-Link 主机可整合、转换所连接 IO-Link 设备的通信，并将其发送到现场总线网络。

IO-Link 主机可安装在控制柜内。这些主机可以作为远程连接点与现场总线网络连接，其环境防护等级为 IP20，也可提供 IP65/67 防护等级版本，在工厂车间使用（图 1）。传统 IO-Link 主机与云之间无直接连接；与云的所有通信都通过现场总线上的设备进行传输并由其控制。


图 1：与现场总线连接的 IO-Link 的传统网络应用。（图片来源：Pepperl+Fuchs）

增强型 IO-Link 和并行网络

在 IO-Link 主机中添加 OPC UA 连接功能，极大地改变了工业网络架构的可能性。通信不再需要通过现场总线就能连接云端。

用于实时控制的时效型数据仍可输入现场总线。时效性较低的数据可以在汇总后直接发送到云端，从而消除现场总线设备的通信开销负担。

Pepperl+Fuchs 将这种新结构称为“并行”结构，因为这种结构可以与标准的工业机器控制系统并行使用。关键是该公司的 MultiLink™ 技术，可支持并行使用工业以太网现场总线，通过 EtherNet/IP 和消息队列遥测传输 (MQTT) 等协议连接 PLC。该开源消息传递协议使用 OPC UA，可连接工业物联网 (IIoT) 上的设备，如工业计算机、监控和数据采集 (SCADA) 系统以及云。

为了使软件包更加完善，带 MultiLink 的 IO-Link 主机还包括一个集成网络服务器和 IO-Link 设备描述 (IODD) 解析器，可支持通过网络浏览器配置现场总线连接和所连接的 IO-Link 设备（图 2）。


图 2：使用 OPC UA 实现直接云连接和扁平化网络结构的新型 IO-Link 网络架构。（图片来源：Pepperl+Fuchs）

更多的网络选择

除了实现上述新的并行网络架构外，采用 OPC UA 和 MultiLink 的 IO-Link 主机还可用于其他用例，如：

改造 - 这种传统的 IO-Link 主机可由具有 OPC UA 和 MultiLink 连接功能的主机取代，以使现有网络增加并行通信的优势。

无传统 PLC 的应用 - 如企业资源规划 (ERP) 或制造执行系统 (MES) 等有些应用从工厂车间的传感器收集数据，不需要 PLC。采用 OPC UA 的 IO-Link 主机可将数据直接发送到云端，并对其进行汇总、分析和处理，从而最大限度地提高生产率。

采用多 PLC 的应用 - 复杂的焊接单元就是采用多个 PLC 和多种协议的应用，可以从增加 OPC UA 中受益。例如，主 PLC 可通过 PROFINET 通信控制整个过程，工业 PC 可通过 EtherNet/IP 通信控制光学品质监控，而各种不同的机器人和其他设备可能使用专有的控制协议。采用 Pepperl+Fuchs MultiLink 技术的 OPC UA 可在不同的现场总线协议下实现系统间的通信和数据交换，并可将整个焊接单元与云端连接。

基于以太网 APL 的基础进行构建

MultiLink 技术建立在以太网高级物理层（即以太网 -APL）的基础之上，允许使用以太网与过程仪表进行远距离通信和供电。这种高级物理层基于 10BASE-T1L 以太网物理层标准。

以太网 APL 的速度为 10 Mbps，传输距离为 1000 米，专为实时过程监控而设计，因此可实现并行访问。它支持 EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA、PROFINET 和其他更高级别的协议。它无需网关或其他协议转换。它使用开放系统互连 (OSI) 模型第 1 层中的特殊以太网物理连接 (PHY) 来实施 10BASE-T1L（图 3）。


图 3：Ethernet-APL 是一种基于 10BASE-T1L 的新型 PHY。（图片来源：Pepperl+Fuchs）

新型工业网络工具

通过具有 OPC UA MultiLink 并行连接功能的 IO-Link 主机可实现各种新可能性。对于希望利用这些可能性的工业网络设计人员来说，Pepperl+Fuchs 提供了 ICE2（具有 EtherNet/IP 功能）和 ICE3（具有 PROFINET 功能）IO-Link 主机系列。这两种 IO-Link 主机都提供八个输入和输出，并具有网络配置功能，可设置所有模块参数和所有连接的 IO-Link 设备（网络 IODD 操作）。这些主机包括可存储 100 多个 IODD 的集成 IODD 存储器。其他特性包括：

· PortVision® DX 软件在单应用中支持网络配置、设备管理和设置克隆/备份。
· 所有模块设置均可保存为单独文件，并使用克隆功能转移到新设备，以加快部署速度。
· 插板型号有两个 L 编码 M12 电源连接器插头，额定电流为 16 A。输入和输出采用 A 编码 M12 连接器插头，与现场总线的连接采用 D 编码 M12 连接器插头。
· DIN 导轨型号提供螺纹端子或可插拔推入式连接器。
· 防护等级：插板型的防护等级为 IP67，DIN 导轨型号的防护等级为 IP20（图 4）。


图 4：DIN 导轨式（左）和插板型（右）IO-Link 主机示例。（图片来源：Pepperl+Fuchs）

配备 OPC UA MultiLink 的 IO-Link 主机包括：

· ICE2-8IOL1-G65L-V1D，是一款插板型 EtherNet/IP 和 Modbus IO-Link 主机，配有四个 IO-Link A 类端口，可为所连接的设备提供高达 200 mA 的电流，还配有四个 IO-Link B 类端口，用于采用独立电源的功率较高的设备。
· ICE2-8IOL-K45P-RJ45，是一款 DIN 导轨式 EtherNet/IP IO-Link 主机，配有八个输入/输出和推入式连接器。
· ICE3-8IOL1-G65L-V1D，是一款插板型 PROFINET 和 Modbus IO-Link 主机，配有 4 个 IO-Link A 类端口和 4 个 IO-Link B 类端口。
· ICE3-8IOL-K45S-RJ45，是一款 DIN 导轨式 PROFINET IO IO-Link 主机，配有八个输入/输出和螺纹端子。

用于网络扩展的集线器和转换器

IO-Link 集线器支持传感器、致动器和其他设备网络的扩展。IO-Link 集线器允许使用标准传感器电缆将多个数字传感器和致动器与 IO-Link 主机连接。例如，ICA-16DI-G60A-IO IO-Link 集线器可处理多达 16 个 PNP 数字输入，且每个端口的逻辑电平可单独配置。根据所连接的 IO-Link 主机的能力，该集线器可为所连接的设备提供高达 500 mA 的电流。该器件的防护等级为 IP65、IP67 和 IP69K。

当需要将具有模拟输出的传感器与 IO-Link 网络连接时，设计人员可使用 ICA-AI-I/U-IO-V1 IO-Link 转换器，该转换器具有电流或电压模拟输入和 IO-Link 输出。该器件的防护等级为 IP67，输入设置如下：

· 电流输入可设置为 0 mA 至 20 mA 或 4 mA 至 20 mA。
· 电压输入可设置为 -10 V 至 10 V 或 0 V 至 10 V。

提供 IO-Link 设备

全面的 IO-Link 设备生态系统可满足几乎所有工业流程的检测和控制需求。Pepperl+Fuchs 的 IO-Link 产品组合包括电感式接近传感器、电感式定位系统、光电传感器、超声波传感器、振动传感器、旋转编码器和识别系统（图 5）。具体包括：

· VDM28 测距仪采用脉冲测距技术 (PRT)，重复精度为 5 mm，工作范围为 0.2 m 至 15 m，绝对精度为 25 mm。
· IUT-F191-IO-V1-FR2-02 RFID 读/写设备经过了优化，适用于距离不超过 1 m 的工业应用。该设备根据 ISO/IEC 18000-63 标准读写无源标签。


图 5：各种各样的的 IO-Link 设备示例。（图片来源：Pepperl+Fuchs）

用于调试 IO-Link 设备的 USB 主机

当需要安装和调试 IO-Link 设备时，网络技术人员可以使用 IO-LINK-MASTER02-USB（图 6）。该 USB 主机可将 IO-Link 设备与 PC 的 USB 端口连接。该主机旨在支持测试、配置和服务活动。可对所连接设备进行配置和参数化。还支持设备诊断。电流消耗低的设备可直接由 USB 主机供电。需要更高功率的设备可选择连接外部电源。


图 6：这款 IO-Link USB 主机与 PC 连接，以加快网络部署。（图片来源：Pepperl+Fuchs）

结语

将 OPC UA 并行连接功能添加到 IO-Link 主机设备中，极大地改变了工业 4.0 网络设计人员的选项。现在可以扁平化网络架构，在工厂车间的 IO-Link 设备和云之间提供直接连接。这项新技术可用于各种用途，以提高运行效率。