IO-Link作为简单、串行、双向、点对点数字化通信协议,是工业物联网和工业4.0的支柱,是实现工厂/设备数字化转型的必要手段。本书介绍了IO-Link的物理特性和通信程序,以及标准参数和IO-Link诊断方式。IO-Link的规划、调试和服务以及与PLC控制的集成为实现自动化实践架起了桥梁。本书还将讨论IO-Link无线和IO-Link安全问题。在回顾了已经取得的成就的同时，展望了IO-Link技术未来可能的进一步发展。
本书信息量大，全面、详细介绍了IO-Link的多种前沿内容，包括从通信和数据传输的技术细节和关于物联网集成的理念等。专业读者通过阅读本书，可以在深入了解IO-Link的基础之上，全面了解从物理连接层到整套网络系统的不同主题是如何关联的。
给读者朋友的一封信
亲爱的读者朋友：
非常感谢您对本书和IO-Link技术给予厚爱。本书的德语版是关于IO-Link技术一书的第二次出版版本，其内容包含一些技术更新和IO-Link主题以外的更多细节信息。
您购买本书，或许是因为您之前没有听说过“IO-Link”，想要了解一下这项技术的概念及其功能；或许是因为您已经知道IO-Link技术是什么，但想要更深入了解其技术细节；又或许是因为您想获取有关IO-Link技术的最新进展和其应用前景的信息。
您可能会问，或者可能会被问到：“什么是IO-Link？为什么我们需要一个新的通信标准？”将通信技术深入现场层的想法早已有之，可以追溯到20世纪。而实现这一想法的方法有很多，本书中有提及。
有时候，一项技术取得成功需要时间，或者说需要正确的时间点。就IO-Link技术而言，它的成功一定是因为找到了这个正确的时间点。不赘述，现在就由我带您来了解一下促使IO-Link成为国际标准的前提条件。
随着20世纪90年代后期微控制器技术发展和小型化趋势，人们获得了实现现场层通信的重要基础。有了这些新的技术，即使是对最小的现场设备，也可以为其配置更多功能。既然其具备了更多功能，就需要进行第二步，即让用户可以访问这些功能。在工业环境中，让每台设备都具备用户接口或显示器显然并非实现这一需求的理想方案。一方面其成本高，另一方面用户难以操作。最好的方法是让用户通过单个通信接口即可访问这些新功能和新信息。有了这一基本构想，一些公司（特别是传感器解决方案的供应商）便开始了自己的开发工作。显然，利用专有解决方案很难为客户建立广泛的应用。
2000年以后，人们逐渐达成一种共识，即“只有采用通用标准的通信才能取得成功”。于是，以下三大因素促成了IO-Link的诞生：
已有的技术基础；
控制系统需要更多的功能和访问权限；
采用统一通信接口的共同意愿。
多家公司对此很感兴趣。在初步讨论后，其发现了实现这一技术的一些要求：
开放性和现场总线中立性；
向后兼容性；
易于安装性。
一小部分公司（包含系统供应商、传感器和执行器供应商，以及服务供应商）最初的目标是，实现控制系统（PLC）与现场设备之间的精益化通信，以处理配置、参数化的问题以及实现典型自动化系统中的诊断功能。IO-Link只是一种新的总线系统吗？人们在最初的阶段就对这一问题展开了讨论。为了降低复杂性，特别是相对于小型设备的复杂性，同时为了实现与现有设备的兼容性，点对点通信架构被认为是一个可行的方案。基于这些内容，在2008年前后，第一代版本的IO-Link规范正式确定并被发布。根据第一批客户的反馈和要求，在不久之后的2013年，IO-Link规范添加了一些与系统相关的扩展信息，这一更新版本被确定为IO-Link 1.1和国际标准IEC 61131-9（SDCI），并于同年发布。
这就是IO-Link的发展简史的部分内容。本书描述了通信的基本技术细节。
成功通信的一个重要方面，不仅是定义如何通过介质传输位和字节，还有明确如何构建内容，以及如何处理数据和解释数据。同样，相关问题在开始部分讲述IO-Link定义时已经被回答。
设备识别和诊断的一些基本功能被定义为标准参数。此外，对IO-Link主站的端口配置进行了标准化。IO-Link确切实现的一项重要功能是，针对设备的相应数据结构和功能参数，定义了通用且标准的IO设备描述（IODD）文件，通过任何能够解释IODD的工具，都可以访问设备功能。
有关通信和集成选项的定义均已具备，加上作为一项关键要求的系统标准，无疑促使IO-Link技术取得当前成功。本书通过一些示例介绍了IO-Link设备和主站集成的重要方面，并展示了一些工具。
通过在现场应用中“实际”使用IO-Link技术（设备和主站），人们发现了一些需要改进的内容。随着现场设备功能的增加，进一步标准化成为一个值得考虑的内容。为什么不能针对特定的设备类别来协调数据表达和参数呢？例如，从用户的角度看，其希望能够在不阅读用户手册的情况下就能使用基本的传感器功能和参数。通过定义配置文件，IO-Link满足了这些新需求，并以此建立了应用层面的新标准。其中有一类行规，是大家较熟悉的智能传感器配置文件。需要指出的重要一点是，对于IO-Link而言，这种标准化只是一个演变（逐渐发展的）过程，不需要对通信规范进行任何更改。
使IO-Link技术可随即用于安全应用，是该技术的方向之一。而今，第一批IO-Link安全设备和主站已准备完毕。在这里，IO-Link标准通信和作用仍然保持不变。安全性只是IO-Link性能的一个延伸方面。
您可能会问：“IO-Link是否仅限于有线介质传输？”基于IO-Link标准定义，IO-Link无线标准也可以满足自动化行业要求，进行确定性数据传输。
几年前，当“工业4.0”和“智慧工厂”成为讨论焦点之时，IO-Link委员会展开了全面分析，探索这两者对于IO-Link技术的影响。这两者将会对IO-Link技术提出哪些新要求？需要解决哪些问题？后来，通过分析，大家很快发现IO-Link早已为“工业4.0”做好了准备。通过此前的定义，尤其是标准的设备系统描述文件（IODD）的集成以及定义设备配置文件的活动，工业4.0应用所需的数据已经存在。基于这些事实，达成了“IO-Link是工业4.0的赋能技术”这一共识。
您可能还会问：“IO-Link技术支持物联网吗？”当然！对于物联网支持协议而言，重要的是数据可用、设备功能可以轻松寻址并映射到任何合适的物联网协议。同时其具备了将IO-Link集成到开放性生产控制和统一架构（OPC UA），以及将IO-Link映射到JSON在REST API或MQTT中使用的规范，这些都突显了IO-Link支持物联网的能力。在本书中，您将会找到有关在物联网和自动化应用中结合使用IO-Link架构的信息。
如今的IO-Link已涵盖IO-Link技术创始人曾经想到的方方面面。特别是无缝集成到物联网世界的可能性，为未来的技术强化和扩展提供了广泛的机会。IO-Link的成功是以开放性、系统中性、国际标准、易于集成和可扩展性为基础的。目前已经出现的2万多个不同的IO-Link设备（小到传感器，大到拥有数百个参数的大型复杂设备）以及种类繁多的主站解决方案，均展示了对该项技术的接受程度。
这本书主题广泛，涵盖了从通信和数据传输的技术细节到关于物联网集成的理念。本书的作者一直是IO-Link委员会的活跃成员。因此，书中的信息建立在对该技术深入了解的前提之上。编制本书的初衷不是取代一项规范，而是让您全面了解从物理连接层到整套网络系统之间的不同主题是如何关联的。
在未来，IO-Link技术还会不断发展。因此，我想这本书还会更新迭代，新的改进内容和扩展内容将会在适当的时间呈现给大家。
希望您能喜欢本书，也希望它能满足您的期望。
Hartmut Lindenthal
Pepperl+Fuchs SE，IO-Link指导委员会成员
2022年1月6日于柏林
约阿希姆•乌费尔曼，曾在乌尔姆大学攻读电气工程学位，主修系统工程。自 2005年起在位于康斯坦茨湖畔克莱斯布隆的ifm ecomatic移动机械子公司工作，该公司隶属于ifm集团，该公司开发和生产用于自动化技术的控制和评估电子设备以及工业通信系统。约阿希姆•乌费尔曼担任技术管理总监，负责分散信号处理和改进的产品组。他是IO-Link 委员会主席，也是 CANopen SIG（特别兴趣小组）IO-Link 的主席，并且是 PNO（Profibus 用户组织）工业4.0通信技术工作组的成员。他的学识详见Handbuch der Prozessautomatisierung（《过程自动化手册》）等出版物以及众多有关 IO-Link 培训的课程。
彼得•温泽克，曾就读于科隆大学电气工程和工商管理专业，后来在柏林自由大学学习商业营销。毕业后，曾在 ABB 从事项目管理工作，随后成为机械工程师从事电气设计工作。他于 1989 年加入 ifm 电子公司，并担任 AS-i 的产品经理。在担任其他多个职位后，自 2013 年起成为 ifm 集团北欧和亚太地区解决方案销售主管。他的工作重点是为工业4.0领域的客户开发硬件、软件和服务解决方案。自1992年以来，他一直是工业通信领域的专家，参与了关于 AS-i 技术的第一本书的出版，并且参与了 IO-Link 委员会的各个工作组。他不定期在纸质杂志和互联网上发表文章，并在全球范围内就工业4.0 / 物联网主题进行讲座。
米里亚姆•雅恩博士，在德国亚琛工业大学学习计算机科学，在德国奥托贝森商学院、美国得克萨斯农工大学和天主教鲁汶大学学习工商管理，并且在德国杜伊斯堡-埃森大学获得“战略网络中的生产计划与控制”博士学位。她拥有德国达姆施塔特应用技术大学的电气工程硕士学位，并自2017年5月起担任SUSS MicroTec AG监事会成员，自 2018 年 10 月起担任 QSC AG 旗下物联网公司 Q-Loud GmbH 首席执行官。她将多年的战略、销售和自动化技术经验与工业4.0和物联网领域全面、专业的知识相结合。在其众多著作中，Industrie 4.0 konkret（《工业 4.0 的具体内容》）是一本工业物联网的实用指南。
1 IO-Link背后的理念 1
2智能传感器和执行器 3
2.1电子传感器——工业3.0 4
2.2 20世纪90年代的“现场总线战争”和自动化金字塔 6
2.3智能传感器 10
2.4 IO-Link作为智能传感器和执行器的全球标准 18
2.5自动化工程中的IO-Link——总结34
3 IO-Link和工业4.0 38
3.1工业4.0——有意义和无意义38
3.2信息金字塔的发展39
3.3信息物理生产系统（CPPS）42
3.4 IO-Link与工业4.0的对接45
4从用户的视角看IO-Link59
4.1 IO-Link对传感器或执行器制造商的意义59
4.2 IO-Link对机器制造商的意义61
4.3 IO-Link对制造型公司的意义64
4.4 IO-Link对高级管理层的意义——优势总结67
5工业4.0和IO-Link的使用现状——应用案例68
5.1电子制造业的应用68
5.2在机械工程中的应用74
5.3制造企业的应用90
5.4 IO-Link和工业4.0作为改造解决方案105
5.5设计开发：IO-Link无线主站115
5.6客户/应用优势的总结116
6回顾与展望121
6.1哪些预言成真了121
6.2 IO-Link和工业4.0的未来125
6.3 IO-Link无线129
7 IO-Link详解135
7.1性能特点与系统概述135
7.2 IO-Link物理层（传输介质）138
7.3传输速率142
7.4通信架构/初始阶段143
7.5数据通道147
7.6数据传输时间155
7.7数据访问（ISDU）158
7.8兼容性159
7.9规范1.0与规范1.1之间的差异160
8标准参数163
8.1 IO-Link设备应用类163
8.2参数页面的结构和内容163
8.3扩展IO-Link参数171
8.4 IO-Link设备参数化187
8.5 IO-Link设备兼容性190
9 IO-Link诊断192
9.1来自IO-Link设备应用程序的诊断消息192
9.2来自IO-Link通信的诊断消息196
9.3 IO-Link主站的基本IO-Link诊断200
9.4系统相关的IO-Link诊断202
9.5兼容的诊断消息203
9.6简化的诊断消息206
10 IO-Link主站端口配置208
10.1 IO-Link端口的主要操作条件208
10.2 IO-Link设备的识别213
10.3从属的附加操作模式（端口周期）215
10.4过程数据分配217
10.5检查配置220
10.6偏移时间221
10.7调试（项目规划和配置）222
10.8 IO-Link数据存储223
10.9标准化的IO-Link主站接口234
11 IO-Link行业规范253
11.1在IO-Link之前的普通传感器标准254
11.2 IO-Link通用行规（CommonProfile）254
11.3智能传感器第二版261
11.4固件更新/BLOB273
11.5最新定义的行规ID、参数和系统命令的概述281
12输入输出设备描述（IODD）285
12.1 IO-Link IODD285
12.2 IODD详解287
12.3为IO-Link设备获取IODD文件288
12.4 IODD检查器289
12.5解释工具289
12.6 IODD现状290
13 IO-Link标准的品质293
13.1测试规范293
13.2规范集合和修订293
13.3互操作性294
13.4制造商声明294
13.5制造商声明的结构294
13.6测试、分析和诊断工具296
13.7测试工具296
13.8诊断工具297
13.9参数集分析298
13.10电磁干扰298
14实际使用中的规划、调试和服务299
14.1规划、开发和建设的实用技巧299
14.2关于工厂工程的要点318
14.3 IO-Link网关的实际调试324
14.4 IO-Link传感器的调试327
14.5 IO-Link执行器的调试330
14.6 IO-Link模块的调试331
14.7维护、维修、故障排除332
14.8 Y路径334
15进阶知识338
15.1 IO-Link接口的结构338
15.2 IO-Link设备接口结构339
15.3 IO-Link主站中的接口结构341
15.4 IO-Link通信346
15.5 M序列及其用法350
15.6 ISDU的详细信息356
16 IO-Link安全363
16.1自动化中的安全364
16.2为什么IO-Link安全364
16.3 IO-Link作为“黑色通道”367
16.4 IO-Link安全通信369
16.5配置和验证374
16.6技术参数375
16.7 OSSDe操作376
16.8到FSCP的网关376
16.9设备开发379
16.10评估和认证380
16.11部署381
16.12客户的利益382
16.13设备尺寸的优势383
16.14 IO-Link安全使用386
16.15 IO-Link安全系统详细信息387
16.16小结398
参考文献400
鸣谢404
IO-Link背后的理念
传感器产生需要分析、监测和存档的生产数据，它们要求提供信息和参数，从而可以对机器进行配置和控制。要做到这一点，必须将连续的生产数据从机器传输到生产数据库，并且在机器提出要求时，这些数据能够从生产数据库转发到机器。随着工业4.0的发展，现在基本的传感器只监测物理量或状态，如位置、距离、压力或温度等信息是不够的。
随着数字化的发展，新的强制性功能一方面是对传感器功能的内部监控，另一方面是对机器功能和生产进度的外部监控。IO-Link作为一种标准，回答了如何在不增加单个传感器和执行器成本的情况下额外编译和传输这些信息的问题。就解释传感器和执行器信息的共同标准达成一致是迟早的事情。
关于数字化和工业4.0，人们往往会抱怨自动化技术的标准缺失和标准的过度多样化。然而，IT界对此并没有任何理由抱怨。传感器就像机器和植物的感觉器官，是车间所有输入内容的来源，并且有一个全球标准：IO-Link。
就像在IT领域一样，测量结果通过IO-Link以数字方式传输，出现在模拟传输中的伪造值实际上是不现实的。其最大的优势在于额外信息的双向传输：IO-Link传感器可自我识别和诊断，传输过程参数和测量值。因此，如果温度和压力的测量单位是℃和K，办公桌上的显示器可以向用户显示哪个传感器集成在哪个机器上。人们可以直观地找到并理解相应的软件。它还能自动识别机器中的所有IO-Link传感器和执行器。
因此，整个工厂完全自动生成的虚拟映射成为“数字孪生”，这是一种创新，只有通过IO-Link才能实现。用于SAP等IT系统的传感器数据可与IO-Link一起使用，也适用于工业4.0，因为传感器的数据是不言自明的。现在，利用IO-Link（与通用IT接口相结合）可以实现透明度和过程优化，而其价格只是以前接口价格的一小部分。
IO-Link是成功实施工业4.0和技术数字化的基础。
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