IO-Link
在工業自動化領域中，IO-Link 已成為連接感測器與致動器的重要通訊技術。然而，工程師在設計系統時，常會遇到一個關鍵問題：
IO-Link Class A 與 Class B Port 的差異是什麼？如何選擇？
本文將聚焦於 IO-Link Port 的設計與分類差異，深入解析其電源供應能力、接腳配置（Pin Assignment）、向下相容性（Backward Compatibility）及實務應用。
IO-Link Class A 與 Class B 的核心差異
IO-Link 的分類本質上與 供電能力（Power Delivery） 有關：
- Class A Port
- 適用於低功耗感測器
- 電壓：24 VDC
- 電流：約 200 mA ～ 500 mA
- Class B Port
- 適用於高功耗致動器
- 電流需求可達 2 A
關鍵結論：
Class A 與 Class B 的差異主要在於「提供給現場設備的電源能力」。
IO-Link 系統簡介
傳統工業控制系統採用「Hub-and-Spoke（軸輻體系）架構」：
- PLC 作為核心
- 每個感測器與致動器皆需獨立配線
後續導入 Remote IO 雖改善架構，但仍存在大量連接線。
IO-Link 的革新
IO-Link 改變了此模式：
- 可使用 IO-Link Master 取代傳統 Remote IO
- 支援 設備串接（Daisy Chain）
- 減少配線複雜度
- 提升系統彈性
如圖 1 所示的 Weidmüller IO-Link 裝置可用於取代傳統的遠端 I/O 裝置。由於 IO-Link 設備採用 daisy chained 連接設計，因此不再需要嚴格遵循 Hub-and-Spoke 網路結構。
智慧感測器與 IO-Link 優勢
IO-Link 系統中的智慧感測器具備：
- 序列通訊介面（Serial Interface）
- 可傳輸超越 ON/OFF 的資料
- 支援遠端參數設定
例如：
- 接近感測器可遠端調整偵測距離
- PLC 可自動設定替換感測器
效益：
- 簡化維護流程
- 提高可靠度
- 降低停機成本
M12 接頭與向下相容性（Backward Compatibility）
IO-Link 使用 M12 5-pin 接頭，並保留傳統接線邏輯：
傳統接腳用途
- Pin 1：24 VDC 電源
- Pin 3：電源回路（GND）
- Pin 2：感測器 → 控制器訊號
- Pin 4：控制器 → 致動器訊號
- Pin 5：額外 IO 或接地
特殊情境：
- 雙輸出感測器 → Pin 2 & Pin 4
- 雙輸入致動器 → Pin 2 & Pin 4
- 混合設備 → Pin 2（輸出）、Pin 4（輸入）
技術提示：圖 1 所示的 IO-Link 主設備包含多種 M12 介面。仔細觀察可知，該設備採用了三種不同的介面編碼，以防止誤將線插入錯誤的連接埠。例如，不希望將直流電源直接插入通訊埠。根據經驗，這樣做會導致設備冒煙。
按照慣例，M12 連接埠的介面編碼被稱為代碼。圖 1 所示的 IO-Link 主設備包含八個黑色 A-coded 的 5 針母端口、兩個綠色 D-coded 的通訊端口和兩個銀色（一公一母）電源端口。此外，還有一個黑色插頭覆蓋著一個 micro-USB 連接埠（用戶請勿使用）。
在 DigiKey 產品頁面，在元件搜尋的「方向」參數中看到 M12 連接器代碼的選項，如圖 2 所示。
這裡有一個有趣的案例研究 - Banner K50 背光觸控按鈕。K50 採用 M12 連接器，具有一個二進位輸出（接腳 4）和兩個二進位輸入（接腳 2 和 5）。請務必將 K50 的 I/O 分配與通用清單進行比較。請注意，接腳 2 可編程為輸出。重新編程後，K50 將成為我們指南中所述的雙輸出裝置。
與圖 2 所示的 Banner K50 密切相關的是一系列 IO-Link 專用設備。雖然這超出了本文的範圍，但提及 I/O 設備描述 (IODD) 文件中包含的資訊。 IODD 是一個結構化文件，提供了 IO-Link 介面的詳細且特定於設備的描述。這或許可以作為未來文章的主題。圖 4 包含了結構化 IODD 的一小部分。
Class A 與 Class B 接腳定義
Class A 接腳定義
- Pin 1：24 VDC
- Pin 3：Return
- Pin 4：雙向序列通訊（IO-Link）
- Pin 2：可作為數位訊號（向下相容用途）
Class B 接腳定義
- Pin 1：24 VDC
- Pin 3：Return
- Pin 4：雙向序列通訊（IO-Link）
- Pin 2：與 Pin 1 並聯，用於強化 +24 V 電源
- Pin 5：與 Pin 3 並聯，用於強化回路
IO-Link Master Port 配置實例
以範例設備為例：
- 4 個 Class A 輸入 Port（感測器）
- 4 個 Class B 輸出 Port（致動器）
對應電流能力：
- Class A：200 mA ～ 500 mA
- Class B：約 2 A
顯示出 Class 分類與應用設備（感測器 vs 致動器）的關聯性。
技術提示: 系統電源設計考量
IO-Link Master 的電源需支援所有 Port：
範例計算：
- 4 × Class B（2 A） = 8 A
- 4 × Class A（0.5 A） = 2 A
- 總電流 ≈ 10 A 以上
需使用：
- 24 VDC / 約 240 W 電源供應器
- 並保留額外餘裕
此外：
- 使用 L-coded M12 接頭供電
- 必須能承受所有連接裝置與串接節點負載
結語
必須承認，IO-Link 系統學習起來相當困難，因為它涵蓋了電子學的許多方面。這項技術很獨特，因為我們會在同一段落中討論電流限制、歐姆定律和功率預算，以及通訊協定。所有這些都建立在關於 PLC 及其相關現場設備的大量資訊之上。
本文重點介紹 IO-Link 的一個方面，即 Class A 和 Class B 連接埠的劃分。就個人而言，從歷史角度出發，研究傳統感測器和 IO-Link 感測器的 M12 線序分配很有幫助。另外，雖然 IO-Link 越來越受歡迎，但它不太可能取代傳統感測器，因為並非所有應用都需要額外的功能。因此，了解線序和顏色約定可以避免我們在故障排除和維護這些系統時遇到很多麻煩。