作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

在工業網絡中，在云連接和通過可編程邏輯控制器 (PLC) 進行本地控制這兩種需求之間進行平衡變得越來越容易。工業 4.0 網絡非常復雜，包括從工廠車間的 IO-Link 到連接機器和 PLC 的 EtherNet/IP 和 PROFINET 等現場總線，以及直至云的開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 4.0 網絡中，傳感器、執行器和其他設備通過 IO-Link 主機與現場總線網絡連接，現場總線網絡上的設備通過 OPC UA 和其他協議與云連接。

機器和工廠網絡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 和其他現場總線連接與 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，提高向網絡最高層級傳輸關鍵數據的速度。

本文首先回顧傳統網絡架構中使用本地控制和云連接的情況。然后介紹通過 [Pepperl+Fuchs] 最新推出的 IO-Link 主機實現的扁平化架構，其中包括現場總線和 OPC UA 連接并可支持多個并行連接。本文還考慮了新的以太網高級物理層 (APL) 技術如何融入其中。

最后，詳細介紹具有 OPC UA 連接功能的新型 IO-Link 主機、用于網絡擴展的兼容型 IO-Link 集線器，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 4.0 工廠需要不同組合的本地控制和云連接。各有各的優勢。最佳解決方案通常是將 PLC 和邊緣計算機相結合，實現反應迅速的本地控制，同時利用云進行復雜的數據分析。

PLC 堅固耐用，專為工業環境而設計。PLC 通常采用模塊化設計，可滿足工業 4.0 工廠不斷變化的需求。PLC 比其經常取代的繼電器系統更緊湊、更可靠。也許最重要的是，PLC 能夠支持關鍵應用中的實時控制，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限的存儲和計算能力。云連接可以連接由單個 PLC 控制的各種應用系統的數據，并支持經過協調和優化的整體工廠運行。云連接可以卸載 PLC 的管理任務，而云計算服務可以快速、經濟地進行擴展。

傳統 IO-Link

IO-Link 是點對點協議，不是現場總線。在傳統的工業 4.0 網絡中，IO-Link 主機是工廠車間 IO-Link 設備與現場總線網絡之間的連接橋梁。IO-Link 主機的每個端口都連接一個 IO-Link 設備。IO-Link 主機可整合、轉換所連接 IO-Link 設備的通信，并將其發送到現場總線網絡。

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與現場總線網絡連接，其環境防護等級為 IP20，也可提供 IP65/67 防護等級版本，在工廠車間使用（圖 1）。傳統 IO-Link 主機與云之間無直接連接；與云的所有通信都通過現場總線上的設備進行傳輸并由其控制。

圖 1：與現場總線連接的 IO-Link 的傳統網絡應用。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

增強型 IO-Link 和并行網絡

在 IO-Link 主機中添加 OPC UA 連接功能，極大地改變了工業網絡架構的可能性。通信不再需要通過現場總線就能連接云端。

用于實時控制的時效型數據仍可輸入現場總線。時效性較低的數據可以在匯總后直接發送到云端，從而消除現場總線設備的通信開銷負擔。

Pepperl+Fuchs 將這種新結構稱為“并行”結構，因為這種結構可以與標準的工業機器控制系統并行使用。關鍵是該公司的 MultiLink? 技術，可支持并行使用工業以太網現場總線，通過 EtherNet/IP 和消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 等協議連接 PLC。該開源消息傳遞協議使用 OPC UA，可連接工業物聯網 (IIoT) 上的設備，如工業計算機、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 主機還包括一個集成網絡服務器和 IO-Link 設備描述 (IODD) 解析器，可支持通過網絡瀏覽器配置現場總線連接和所連接的 IO-Link 設備（圖 2）。

圖 2：使用 OPC UA 實現直接云連接和扁平化網絡結構的新型 IO-Link 網絡架構。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

更多的網絡選擇

除了實現上述新的并行網絡架構外，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，以使現有網絡增加并行通信的優勢。

無傳統 PLC 的應用 - 如企業資源規劃 (ERP) 或制造執行系統 (MES) 等有些應用從工廠車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送到云端，并對其進行匯總、分析和處理，從而最大限度地提高生產率。

采用多 PLC 的應用 - 復雜的焊接單元就是采用多個 PLC 和多種協議的應用，可以從增加 OPC UA 中受益。例如，主 PLC 可通過 PROFINET 通信控制整個過程，工業 PC 可通過 EtherNet/IP 通信控制光學品質監控，而各種不同的機器人和其他設備可能使用專有的控制協議。采用 Pepperl+Fuchs MultiLink 技術的 OPC UA 可在不同的現場總線協議下實現系統間的通信和數據交換，并可將整個焊接單元與云端連接。

基于以太網 APL 的基礎進行構建

MultiLink 技術建立在以太網高級物理層（即以太網 -APL）的基礎之上，允許使用以太網與過程儀表進行遠距離通信和供電。這種高級物理層基于 10BASE-T1L 以太網物理層標準。

以太網 APL 的速度為 10 Mbps，傳輸距離為 1000 米，專為實時過程監控而設計，因此可實現并行訪問。它支持 EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA、PROFINET 和其他更高級別的協議。它無需網關或其他協議轉換。它使用開放系統互連 (OSI) 模型第 1 層中的特殊以太網物理連接 (PHY) 來實施 10BASE-T1L（圖 3）。

圖 3：Ethernet-APL 是一種基于 10BASE-T1L 的新型 PHY。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

新型工業網絡工具

通過具有 OPC UA MultiLink 并行連接功能的 IO-Link 主機可實現各種新可能性。對于希望利用這些可能性的工業網絡設計人員來說，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 主機都提供八個輸入和輸出，并具有網絡配置功能，可設置所有模塊參數和所有連接的 IO-Link 設備（網絡 IODD 操作）。這些主機包括可存儲 100 多個 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絡配置、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 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，與現場總線的連接采用 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 IO-Link A 類端口，可為所連接的設備提供高達 200 mA 的電流，還配有四個 IO-Link B 類端口，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 IO-Link A 類端口和 4 個 IO-Link B 類端口。
• [ICE3-8IOL-K45S-RJ45] ，是一款 DIN 導軌式 PROFINET IO IO-Link 主機，配有八個輸入/輸出和螺紋端子。

用于網絡擴展的集線器和轉換器

IO-Link 集線器支持傳感器、致動器和其他設備網絡的擴展。IO-Link 集線器允許使用標準傳感器電纜將多個數字傳感器和致動器與 IO-Link 主機連接。例如，[ICA-16DI-G60A-IO] IO-Link 集線器可處理多達 16 個 PNP 數字輸入，且每個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 網絡連接時，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 設備生態系統可滿足幾乎所有工業流程的檢測和控制需求。Pepperl+Fuchs 的 IO-Link 產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 (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/寫設備經過了優化，適用于距離不超過 1 m 的工業應用。該設備根據 ISO/IEC 18000-63 標準讀寫無源標簽。

圖 5：各種各樣的的 IO-Link 設備示例。（圖片來源：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，網絡技術人員可以使用 [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、配置和服務活動。可對所連接設備進行配置和參數化。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，以加快網絡部署。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

結語

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 4.0 網絡設計人員的選項。現在可以扁平化網絡架構，在工廠車間的 IO-Link 設備和云之間提供直接連接。這項新技術可用于各種用途，以提高運行效率。

審核編輯 黃宇