【0. 前言】
盡管在各種智能設(shè)備的協(xié)同工作下，機器正在變得越來越聰明，但是僅有聰慧的頭腦恐怕還遠遠不夠。我們還需要靈敏而豐富的感知、敏捷而精準的執(zhí)行，也許才能真正將機器的所思所想，落實為對人類有益的實際生產(chǎn)成果。由此可見，在探索工業(yè)4.0 智能制造的自動化項目實踐中，我們將會遇到關(guān)于傳感器與執(zhí)行器在產(chǎn)品與技術(shù)應用方面越來越大的挑戰(zhàn)。
【1. 來自執(zhí)行器/傳感器層的挑戰(zhàn)】
經(jīng)典的企業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)模型，自上到下包含5個層級：計劃編制層（Planning Level）、控制層（Control Level）、單元層（Cell Level）、現(xiàn)場層（Field Level）、執(zhí)行器/傳感器層（Actuator/Sensor Level）。其中，執(zhí)行器/傳感器層需要與現(xiàn)場層的控制器連接，因此本質(zhì)上是屬于現(xiàn)場層的一部分。之前關(guān)于 PROFINET的一些思考，主要聚焦在現(xiàn)場層的控制器與 IO 設(shè)備上，考慮了一些提高通訊網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定與快速性能以及智能化的問題，而現(xiàn)在有必要來看看一些
PROFINET 在執(zhí)行器/傳感器層的應用問題。
挑戰(zhàn)1：安裝數(shù)量越來越多，安裝位置越來越分散。想要使機器具有豐富的感知，機器的每個部位上都有傳感器覆蓋的必要；類似的，想要實現(xiàn)豐富的機械動作輸出，執(zhí)行器也有必要如此覆蓋在機器的各個部位；由此產(chǎn)生了大量且分散的IO 信號需要處理。對于收集處理大量的 IO 信號，一個大容量的且功能集成較多的 IO 設(shè)備也許就可以解決問題。但是每個PROFINET 控制器帶動 PROFINET設(shè)備的能力（設(shè)備數(shù)量）都有各自的上限（就像一個班級中不可能有無限多的學生）。由此我們可能在處理過多分散的 IO信號時，發(fā)現(xiàn)僅靠一個控制器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備，還不足以覆蓋這么多的分散區(qū)域。
挑戰(zhàn)2：功能要求越來越高，接線要求越來越簡潔。為了實現(xiàn)機器感知的靈敏、動作的敏捷，執(zhí)行器/傳感器層對于自身發(fā)送接收 IO信號的更新時間要求是很高的，甚至會低于控制器的循環(huán)掃描周期。而目前執(zhí)行器/傳感器的產(chǎn)品種類與功能也越來越豐富，電氣控制接口形狀遵循各自不同的協(xié)議規(guī)范，電氣信號格式也多種多樣，例如電壓型電流型模擬量、數(shù)字開關(guān)量等等。這么多分散的不同規(guī)格的信號線纜接到IO 設(shè)備上，需要 IO 設(shè)備本身集成各種類型的 IO模塊，不僅增加了電氣調(diào)試編程的復雜度，而且增加了電氣接線施工與故障診斷的復雜度。終端用戶往往也希望對于各種各樣的執(zhí)行器/傳感器層 IO信號線，最好也能類似 PROFINET那樣一網(wǎng)到底，只需一種通訊線，就搞定所有類型的執(zhí)行器/傳感器產(chǎn)品方案的電氣接線與控制工作。
由此可見，如果有一種擅長于處理執(zhí)行器/傳感器層 IO 信號的總線網(wǎng)絡(luò)，作為 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)的延伸，與 PROFINET集成在一起，共同管理整個現(xiàn)場層的通訊網(wǎng)絡(luò)，就顯得越來越有意義且有必要了。
【2. 關(guān)于 PROFINET 與 I/O 總線集成應用的方案】
如下圖所示，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的普及與相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展，從傳統(tǒng)的手動工位到整個自動化工廠，我們都可以用 PROFINET通訊方案將它們連接在一起。而從應用復雜度的角度來看，對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單，數(shù)量眾多布局分散的執(zhí)行器/傳感器信號處理來說，更輕量級的I/O 總線協(xié)議有時候顯得性價比更高。
作為現(xiàn)場 I/O 總線的主流通訊協(xié)議，AS-Interface 與 IO-LINK總線系統(tǒng)都有各自的獨特優(yōu)勢。AS-Interface 具有非常靈活的樹型拓撲結(jié)構(gòu)，使得 AS-I設(shè)備在機器上靈活布局，盡可能接近末端執(zhí)行機構(gòu)，優(yōu)化循環(huán)周期提高生產(chǎn)效率；而 IO-LINK設(shè)備的數(shù)據(jù)量相對更大一些，可以控制參數(shù)比較復雜的執(zhí)行器/傳感器，例如多個閥位（24個閥位48個線圈，優(yōu)于多針接線方案）的閥島、比例閥、驅(qū)動器等等。如下圖所示，通過這些I/O 總線設(shè)備（例如 IO-LINK 設(shè)備）與協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)（IO-LINK 轉(zhuǎn)成 PROFINET，網(wǎng)關(guān)可以是單獨的PROFINET 設(shè)備，也可以是 PROFINET 設(shè)備中的一個組成模塊），可以將最低級設(shè)備連接到高層的 PROFINET控制器網(wǎng)絡(luò)中，從而構(gòu)成完整的企業(yè)現(xiàn)場層的工業(yè)通訊控制網(wǎng)絡(luò)。
這些 I/O總線取代了傳統(tǒng)自控系統(tǒng)中繁瑣的底層連線，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備信號的數(shù)字化和故障診斷的現(xiàn)場化，智能化，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性，并且節(jié)約了安裝，調(diào)試和維護成本。
【3. 關(guān)于 IO-LINK 設(shè)備的組態(tài)編程】
以下截圖顯示了 IO-LINK 設(shè)備在 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)中的集成組態(tài)，一般有兩種形態(tài)：一種情況是 PROFINET 轉(zhuǎn)IO-LINK 網(wǎng)關(guān)本身就是一整個 PROFINET 設(shè)備，另一種情況是 PROFINET 轉(zhuǎn) IO-LINK網(wǎng)關(guān)作為一個子模塊，集成在一個PROFINET 設(shè)備上。
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