工业自动化通信技术：IO-Link与OPCUA深度解析

### 工业自动化通信技术：IO-Link与OPC UA深度解析 #### 1. IO-Link技术详解 IO-Link是一种现场总线中立的统一点对点连接，在工业自动化领域有着广泛的应用。 ##### 1.1 IO-Link的数据特性 - **设备数据**：包含参数、ID和诊断信息，这是IO-Link的特色。 - **错误与警告信息**：如短路、断线等错误信息，以及过热等警告，这些数据是非周期性传输的。 这些数据对于现场级网络很有吸引力，因为它们有助于预测性维护。 ##### 1.2 IO-Link设备类型 IO-Link设备可以是I/O、智能传感器、执行器、集线器、电源、转换器、安全继电器、电机启动器或设备断路器等。具有识别数据（如类型名称、序列号或参数数据）的设备被认为是智能设备，这些数据可通过IO-Link协议读取，并且设备还能提供用于预防性维护和服务的详细诊断数据，部分参数可由PLC在运行中更改。 ##### 1.3 IO-Link的波特率 根据V1.1版本，IO-Link的波特率有三种速度： | 传输速率编号 | 波特率 | | ---- | ---- | | 传输速率1 | 4.8 kBaud | | 传输速率2 | 38.4 kBaud | | 传输速率3 | 230.4 kBaud | IO-Link传感器和执行器仅支持一种波特率，而主站支持多种波特率，并能根据V1.1规范自动适应每个设备的波特率。 ##### 1.4 IO-Link连接技术 IO-Link的连接技术依赖于标准的M12、M8、M5连接器和三芯电缆，连接器设计为IP65或IP67，能满足工业环境的高要求。 M12连接器的引脚分配如下： - 引脚1 = 24 V - 引脚3 = 0 V - 引脚4 = 开关和通信线（C/Q） 四针Port - A连接器的引脚2可作为额外的数字通道；五针Port - B连接器的引脚2和5用于为电流需求较大的设备提供电压。上述三个引脚还可为设备提供至少200 mA的电流。 ##### 1.5 IO-Link via Single Pair Ethernet (SPE) IO-Link消息被封装在以太网帧中，通过SPE驱动器和双绞线电缆在不使用TCP/IP的情况下传输。对于自动化行业，自2020年初以来，符合IEEE 802.3cg标准的10Base - T1标准（10 Mbit/s TP）备受关注。该标准可实现高达10 Mbit/s的数据速率，传输距离可达1000 m，并提供多点功能。不过，IO-Link不能用于潜在爆炸环境，主要应用于工厂自动化。 ##### 1.6 IO-Link设备描述 IO-Link以IODD（IO设备描述）的形式为每个设备提供参数信息，使用可扩展标记语言（XML）进行描述。IO-Link社区提供“IODD Finder”接口，工程或主站工具可通过该接口为设备呈现合适的IODD。 ##### 1.7 IO-Link安全 与其他总线系统一样，安全在IO-Link中也很重要。因此开发了IO-Link Safety，它在现有的主站和设备层上提供了额外的安全通信层，实施时需遵守IEC 61508和/或EN ISO 13849的安全规则。需要注意的是，IO-Link不具备防爆能力，应用范围受限。 ##### 1.8 IO-Link Wireless IO-Link Wireless是IO-Link在物理层的扩展。IO-Link无线主站（“W - Master”）对上层系统表现为主站，通过蓝牙无线链路与IO-Link无线设备（“W - Devices”）进行通信。由于蓝牙特性，IO-Link在一定程度上受到限制，并且它和蓝牙、WLAN一样，使用跳频技术来保障传输安全。 ##### 1.9 IO-Link总结 IO-Link于2014年在SPS - IPC Drive上取得市场突破，采用简单的主从结构，一个主站可连接8个从站，每个电报可发送4字节数据。如今，它已成为现场标准，可通过网关与所有知名的现场总线和总线系统（如以太网（SPE）、PROFINET、PROFIBUS、EtherNet/IP、EtherCAT、ASI、SERCOS和POWERLINK）进行联网。 以下是部分参与IO-Link联盟的公司列表： | 公司名称 | 公司名称 | | ---- | ---- | | afag | elobau | | KUNBUS | OPTEX FA | | WANDFLUH | Mada | | EUCHNER | LANBAO | | OTT | Weidmüller | | ARGO HYTOS | FAS | | LARSYS | Parker | | wnglor | ASA - RT | | FESTO | Lenze | | PENTRONIC | WIKA | #### 2. OPC UA技术解析 OPC UA（OPC统一架构）是自动化技术中最现代的协议栈之一，在工业4.0中扮演着重要角色。 ##### 2.1 OPC UA的历史 OPC UA基于互联网协议架构，要具备“工业4.0能力”，就必须具备OPC UA能力。2006年秋季，开放平台基金会（OPF）将OPC UA作为独立于平台和面向服务的架构的开放标准采用，此前已对该主题进行了多年开发并已有原型。2009年2月对标准进行了修订，其主题是“从现场设备到云端”，201