IO-Link和工業(yè)以太網(wǎng)技術之間的差異

　　繼早年的蒸汽革命、流水線革命和早期自動化革命之后，隨著工廠內(nèi)的互聯(lián)控制愈發(fā)普遍和深入，“第四次工業(yè)革命”正悄然到來。

　　在這場變革中，數(shù)據(jù)、帶寬和網(wǎng)絡呈現(xiàn)出指數(shù)級增長的態(tài)勢，推動了機器對機器的通信，創(chuàng)造了所謂的智能工廠，在各個層面上實現(xiàn)了更靈敏的自動化。

　　提起自動化，人們更可能想到的是諸如機器人以及協(xié)調(diào)一致的流水線這樣的大型系統(tǒng)，但如果沒有各種傳感器與執(zhí)行器時刻不停地與運行生產(chǎn)線的可編程邏輯控制器 （PLC） 進行通信的話，它們就不可能實現(xiàn)我們所熟知的自動化。本地和遠程運作的傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量往往遠超它們支持的復雜系統(tǒng)數(shù)量。為滿足各種規(guī)模系統(tǒng)的各類要求，就需要在整體上優(yōu)化工廠中的通信。

　　在實際應用中，工廠車間現(xiàn)場總線普遍采用的方案是通過專門的通信協(xié)議讓以太網(wǎng)適應工業(yè)用途。這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（如EtherCAT和Profinet）具有自動化制造所需的各種特性，包括高帶寬、長物理連接、低延遲以及確定性數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋⑶医⒃谶@些標準基礎之上的現(xiàn)場網(wǎng)絡可以輕松連接到更大的工廠數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)。不過，對于傳感器和執(zhí)行器而言，采用如此堅固強大的工業(yè)以太網(wǎng)就有些殺雞焉用牛刀了，因為這些設備通常需要的是點對點通信，而不是現(xiàn)場總線，它們的帶寬需求往往也不高，而IO-Link就是針對這種需求的創(chuàng)新解決方案。這是一種基于標準布線和物理互聯(lián)的雙向通信協(xié)議，不僅能有效地將數(shù)據(jù)從工廠車間帶到PLC，還能改善安裝、診斷和維護工作，并與現(xiàn)有的現(xiàn)場總線布線形成互補。

　　IO-Link和工業(yè)以太網(wǎng)是相輔相成的。如果網(wǎng)絡化的工廠系統(tǒng)的設計者能夠掌握這兩種標準共同工作的方式，便可從中受益。本白皮書解釋了這些技術之間的差異，并討論了Texas Instruments （TI） 提供的一系列有助于工業(yè)通信設計的解決方案。這些產(chǎn)品和解決方案可滿足常規(guī)應用和整體工業(yè)應用中的通信需求，其中有不少是專門針對工業(yè)自動化中的通信而設計的，它們的背后離不開TI 與客戶在長期合作中獲得的專業(yè)知識。憑借在制造技術方面的優(yōu)勢和深入的設計支持，TI可以幫助工業(yè)系統(tǒng)開發(fā)人員滿足當今智能工廠的需求。

　　圖1：各種工業(yè)通信用例

　　低帶寬IO-Link

　　傳感器和執(zhí)行器是自動化單元的基石，它們向網(wǎng)絡系統(tǒng)提供信息，并根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)的指令采取行動。在傳統(tǒng)設計中，它們都通過各種接口來連接到控制單元，而這些接口幾乎不存在任何智能功能，也就鮮少會交換配置和診斷信息。于是，每當要安裝新設備時，就需要在使用點手動進行配置，而且由于缺乏診斷功能，也就無法及時進行預防性維護。

　　IO-Link（國際電工組織 ［IEC］ 61131-9）是一個開放的標準協(xié)議，它可以滿足對傳感器、執(zhí)行器等小型設備進行智能控制的需求。該標準可在設備與主控之間實現(xiàn)低速點對點串行通信，而主控通常會作為通往現(xiàn)場總線和PLC的網(wǎng)關。IO-Link建立的智能鏈路可以輕松地交換數(shù)據(jù)、配置和診斷信息。

　　IO-Link連接通過一根長度不超過20米的非屏蔽三芯電纜建立，通常采用M12連接器，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為230kbps，非同步最小循環(huán)時間為400μs， +10%，四種工作模式支持雙向輸入/輸出 （I/O）、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和禁用，未指定安全機制和確定性數(shù)據(jù)傳輸。該協(xié)議使用名為“IO設備描述”（IODD） 的配置文件，其中包含有通信屬性，設備參數(shù)，標識、過程和診斷數(shù)據(jù)，以及有關設備和制造商的具體信息。

　　IO-Link系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，包括采用標準化布線、提高數(shù)據(jù)可用性、實現(xiàn)遠程監(jiān)控和配置、簡化設備更換工作以及開展高級診斷。工廠管理者可以通過IO-Link接收不斷更新的傳感器數(shù)據(jù)，這些信息可為制定日后的維護和更換計劃提供重要依據(jù)。通過IO-Link主控，可以在無需手動設置的情況下，從PLC上更換傳感或執(zhí)行單元以及配置新設備，從而縮短停機時間。此外，借助IO-Link還可以遠程切換生產(chǎn)中所采用的配置，無需派人親自下車間，因而能夠簡化定制產(chǎn)品的生產(chǎn)。工廠可以輕松地將生產(chǎn)線升級為IO-Link，因為它可以向后兼容現(xiàn)有的標準I/O裝置和布線。總而言之，IO-Link的各種功能可以降低總體成本，提高生產(chǎn)工藝效率，增加機器利用率。

　　圖2：現(xiàn)場級通信

　　工業(yè)以太網(wǎng)：智能工廠的支柱

　　近年來，工業(yè)以太網(wǎng)在高度自動化的工廠中展現(xiàn)出了它的價值，成為了大型現(xiàn)場網(wǎng)絡（包括復雜系統(tǒng)）、PLC和網(wǎng)關所優(yōu)選的外部網(wǎng)絡互聯(lián)互通標準。以太網(wǎng)的優(yōu)勢包括傳輸速度快、接口通用以及連接距離長，這些特性造就了它在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中無處不在的地位。此外，工業(yè)以太網(wǎng)使用的是一種經(jīng)過修改的媒體接入控制 （MAC） 層，可實現(xiàn)確定性數(shù)據(jù)傳輸與低延遲，并且支持時間觸發(fā)事件。工業(yè)以太網(wǎng)支持環(huán)形和星形拓撲結(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)的線性連接，可在電纜斷開的情況下確保安全性和可靠性。

　　工業(yè)以太網(wǎng)并不是單一的規(guī)范，而是由多家工業(yè)設備制造商推動的一系列用于現(xiàn)場級應用的協(xié)議實現(xiàn)，其中常見的協(xié)議有EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP、Sercos III、CC-Link IE Field等。對于它們的區(qū)別，An inside look at industrial Ethernet communication protocols（深入剖析工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議）白皮書進行了比較，并且該白皮書還討論了較早期的非以太網(wǎng)串行現(xiàn)場總線協(xié)議，如控制器局域網(wǎng) （CAN）、Modbus和Profibus。

　　在各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，使用最廣泛的兩種是Profinet和EtherCAT，它們都展現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)不同類型之間以及工業(yè)以太網(wǎng)和IO-Link之間的區(qū)別。這兩種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的規(guī)定傳輸速度均為100Mbps，傳輸距離可達100米。Profinet的電源傳輸必須獨立于數(shù)據(jù)電纜，而EtherCAT提供的EtherCAT_P版本則通過同一條電纜傳輸電源和數(shù)據(jù)。Profinet支持全雙工通信，能夠向網(wǎng)絡上的每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且還提供了三個不同等級，供用戶根據(jù)網(wǎng)絡所需的性能水平進行匹配；而EtherCAT則在網(wǎng)絡上往一個方向發(fā)送共享幀，所有的從設備都將數(shù)據(jù)放入其中，因而能夠?qū)崿F(xiàn)非?？焖俚霓D(zhuǎn)發(fā)。

　　Profinet和EtherCAT的循環(huán)時間都短于IO-Link，但容錯度要小得多。兩者的計時都基于網(wǎng)絡同步，而不是像IO-Link那樣從通信開始時計時。此外，還有其他附加協(xié)議用于功能安全。通常情況下，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議會提供多種服務，以便在自動化環(huán)境中簡化集成。

　　雖然大多數(shù)傳感器都用不到工業(yè)以太網(wǎng)連接提供的強大功能，但視覺傳感是一個重要的例外，因為它的攝像頭會產(chǎn)生非常大量的數(shù)據(jù)，而僅憑這一點就足以認定它需要比IO-Link更快的數(shù)據(jù)連接。視覺傳感（有時還需要其他類型的傳感）可以為實時過程控制提供重要的輸入數(shù)據(jù)，因此需要工業(yè)以太網(wǎng)的確定性傳輸能力。

　　例如，飛行時間 （ToF） 應用需要跟蹤并預測物體的三維運動，其典型的響應是移動機械臂以攔截該物體。IO-Link可以為這些應用中有限的存在性感知提供足夠的傳輸速率和分辨率，但工業(yè)以太網(wǎng)還可以提供足夠大的帶寬和足夠低的延遲，以確定物體及其周圍空間的某些特征。如果通過千兆以太網(wǎng)來傳輸攝像機數(shù)據(jù)的話，或許能實現(xiàn)更高的識別水平，但本文所討論的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議尚未指定這樣的傳輸速率。

　　圖3：特定舉例：飛行時間 （ToF）

　　適用于智能工廠通信的TI 技術

　　在相互競爭的各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，存在著許多服務于攝像機、電機、機器人、PLC和其他復雜系統(tǒng)的可能性；甚至簡單的傳感器和執(zhí)行器在更大的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境中也能更高效地運行。自動化設備間通信的選擇何其多，而工業(yè)系統(tǒng)設計人員需要的是靈活又易于使用的解決方案。采用TI 技術的工業(yè)通信集成解決方案基于多種通信標準（包括IO-Link和常見的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議），可滿足這些要求。

　　TI 的TIOL111x收發(fā)器系列為自動化系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器提供了完整的IO-Link功能以及靜電放電 （ESD） 保護、電氣快速瞬變 （EFT） 保護和浪涌保護。通過評估模塊 （EVM），您可以檢查運行中的器件，而參考設計則有助于加快變送器、接近開關、電磁驅(qū)動器、超聲波等應用的開發(fā)速度。

　　需要更大帶寬和確定性計時的應用設計人員必須確定需要支持多少種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，才能使其系統(tǒng)與多種現(xiàn)場總線環(huán)境兼容。傳統(tǒng)上，增加協(xié)議需要創(chuàng)建額外的接口或插入主板的可替換模塊。無論采用哪種方式，都涉及到額外的硬件設計、更多的物料以及更長的測試和認證周期。

　　TI Sitara系列ARM處理器則無需增加硬件。它提供了一個支持多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)的集成可編程實時單元和工業(yè)通信子系統(tǒng) （PRU-ICSS）。

　　PRU可在設備運行時加載工業(yè)協(xié)議固件，可選擇的協(xié)議有EtherCAT、Profinet、Sercos III、Ethernet/IP和Ethernet PowerLink。PRU-ICSS可處理實時的關鍵任務，這些任務以往都必須構(gòu)建到專用集成電路 （ASIC） 或現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 中。如果需要添加新的功能或協(xié)議，PRU-ICSS即可提供基于軟件的可升級解決方案。Sitara處理器基于可擴展ARM內(nèi)核（Cortex-A8、A9或A15，具體取決于處理器），可實現(xiàn)使用多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的工廠自動化單芯片解決方案。

　　TI 為工業(yè)以太網(wǎng)和其他標準（如CAN）提供了廣泛的接口系列，既可作為獨立的解決方案，也可作為其他集成解決方案中的技術模塊。許多TI 網(wǎng)絡產(chǎn)品都具有加強絕緣特性，以保護電路和人員，其他器件也提供加強絕緣特性來實現(xiàn)更好的設計。TI 還提供深入的開發(fā)支持，包括軟件、工具、EVM，以及自動化工業(yè)設備中各種應用的參考設計。

　　面向未來智能工廠的技術

　　智能工廠的發(fā)展依賴于多功能網(wǎng)絡，它能將單個設備單元的要求與工廠的整體通信需求相匹配。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為現(xiàn)場總線連接到PLC、攝像頭、機器人和其他復雜自動化系統(tǒng)提供了高帶寬和快速、有保證的計時。IO-Link為現(xiàn)場總線主控與傳感器或執(zhí)行器之間的點對點連接提供了直觀的選擇，有助于配置和維護。TI 可提供多樣化的解決方案和靈活的技術組合，幫助設計人員在“第四次工業(yè)革命”的自動化領域進行創(chuàng)新時，利用這些互補的標準。

　　圖4：基于Sitara的系統(tǒng)與IO-Link主控直接通信

　　表1：IO-Link與工業(yè)以太網(wǎng)在制造現(xiàn)場通信中的比較

　　編輯：黃飛