IO-Link在卷煙機械設備中的設計與實現

周峰　程群　王宏用

摘要：針對卷煙機械設備的智能化改造，為提升設備的生產效率和可靠性，采用基于IO-Link的新型條型光柵傳感器實現對煙絲堆料槽的監控。對比現有的光柵監測傳感器，結果表明，新型條型光柵傳感器更加安全可靠，調試更加簡單。使用后堆料槽煙絲高度波動更加穩定，報堵塞停機次數更少，整機運行效率更高。

關鍵詞：IO-Link;卷煙機;光柵傳感器

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0255-02

Abstract： In order to improve the production efficiency and reliability of cigarette machinery and equipment， a new type of grating sensor Based on IO Link is used to monitor the tobacco stacker. Compared with the existing grating monitoring sensor， the results show that the new strip grating sensor is more safe and reliable， the debugging is more simple. The height fluctuation of the tobacco in the stacker is more stable after use， the number of reported blocking shutdown is less， and the operation efficiency of the whole machine is higher.

Key words： O Link; cigarette machine; grating sensor

隨著信息技術的不斷發展，工廠設備的自動化程度不斷提升，國產卷煙機械設備也在不斷地吸收新技術進行智能化改造，從而提高設備的生產效率和可靠性。在傳統的自動控制系統中，現場的測量儀表或者傳感器遇到故障或者需要修改參數時，通常需要工程師到現場對設備進行維護或設定。而使用了帶有IO-Link技術的設備，只需要將現場設備直接替換，設備會自動下載相應的參數，無須重新對設備進行調試。當用戶需要修改參數時，也只需在應用層將參數設定好，系統會按照IO-Link協議規范，將參數自動下載到設備中。IO-Link技術消除了傳感器與執行器上的瓶頸，使得數字量的點對點連接具有對話能力，它用標準的3線制電纜代替了復雜的接口，并給整個處理級賦予了一致的參數化和診斷概念 [1] 。IO-Link技術作為一種將執行器或傳感器集成于自動化系統中的低成本的通信解決方案，其目的是把與現場的最后一米連接做得透明度更高，通信性能更強[2]。

本文將IO-Link技術應用于卷煙機械設備中，采用基于IO-Link的新型條型光柵傳感器實現對煙絲堆料槽的監控，降低了設備的調試和售后成本，加強了對陡角提絲帶電機轉速的控制，保證堆料槽內的煙絲供應更加均勻，提高了整機運行效率。

1 IO-Link技術概述

IO-Link技術是一種獨立于現場總線的通信接口，它可以實現傳統傳感器與智能傳感器的混合運行 [3] 。一般來說IO-Link系統由許多IO-Link設備、傳感器、執行器或者它們的組合通過標準3線制傳感器/執行器電纜連接到IO-Link主站設備上組成，主站可以是一個具有不同設計和不同保護等級的設備。

IO-Link設備初始默認為標準I/O模式啟動，主站端口可以進行組態，端口配置成標準I/O模式時，將作為常規的數字量輸入輸出端口使用;如果配置成通信模式時，主站件將檢測端口所連接的IO-Link設備[4]。IO-Link通訊模式與標準I/O口模式如圖1所示。

IO-Link不是一種單獨的工業網絡，而是一種簡單的協議，它進行交換的有三種數據類型：周期性數據（也稱為過程數據）、非周期數據或者服務性數據、事件型數據。IO-Link設備協議棧已經完整的封裝好，并提供了良好的用戶應用接口程序。具有IO-Link技術的設備開發可以調用IO-Link協議棧來完成，通過對協議棧的參數配置和任務調度來進行IO-Link數據傳輸。

2 煙絲堆料槽監控

卷煙機械設備中堆料槽的煙絲料位由料位控制器來進行監控，它由很多個光柵監測光電開關組成，分成三組，分布在堆料槽的寬度上，持續地監控裝料高度及堆料槽中的可能形成的煙絲堵塞和清空，來控制陡角提絲帶電機的轉速或者直接報警停機，以保持裝料高度的恒定，在發生偏差時相應修正煙絲供料[5]。料位控制器如圖2所示。

3 現有光柵監測傳感器

現在大部分卷煙機械設備中光柵監測傳感器由 15 個光柵監測光電開關（俗稱光斑）組成，每五個一組，其工作原理為反射式光電開關。每個光斑由發送器、接受器和控制燈組成。發送器發射光線到對面的鏡子上，沒有被煙絲切斷的光線被反射回接受器， 所屬的控制燈將顯示未被遮住的光柵。每兩個光斑之間的距離為50MM。光柵監測傳感器如圖3所示。

每組光柵上的光斑傳感器還得由工程師進行安裝前的信號調試。在加有24V電源，并保證傳感器與煙絲一定距離的前提下，調節傳感器上的旋鈕，使的無煙絲時信號為7±0.2V，有煙絲時信號小于2V，并借用示波器模擬電壓輸出輔助調試。無煙絲時信號如圖4所示。

由于光柵監測傳感器元器件裸露，沒有外殼保護，現場安裝調試時，還得注意傳感器與堆料槽墻板之間的間隙，防止接短路損壞傳感器。

4 新型條型光柵傳感器

新型條型光柵傳感器基于IO-Link技術，由發射端和接收端組成。每條光柵有15個光斑，15個光的狀態對應著15個位（0或1），當發射端發出的光線被物體遮擋而沒有被接收端接收時，該光斑對應的位的狀態為1。選擇IO-Link輸出時，條型光柵內部以140ms為周期，周期性掃描這15個光斑的狀態，在主IO-Link端以兩個字節存放這15個位的狀態。“高速掃描”的特性縮短了運算時間，使得其響應時間提高為原來的3倍[6]。每兩個光斑之間的距離為10MM，其料位監測分辨率為現有光柵監測傳感器的5倍。并且其整體體積更小，在同等尺寸下可以容納更多的光斑，原來的三組光柵可以容納三根條型光柵，共包括45個光斑，其測量精度明顯提升。新型條型光柵接線如圖5所示。

根據某卷煙廠現場反饋和煙絲堵塞停機次數的統計數據來看，采用新型條型光柵的某119設備，相較于老式的某116設備，堆料槽煙絲高度波動更加穩定，報堵塞停機次數更少，整機運行效率更高。

新型條型光柵整體密封，有堅固的鋁外殼，防護等級高達IP67，并且具有高電磁兼容性，適應更加嚴苛的環境。其初始信號調試只需通過軟件SOAPS進行配置，并且具有復制功能，無須現場單獨調試，降低了設備的調試和售后成本。

5 結束語

本文將IO-Link技術應用于卷煙機械設備中，采用基于IO-Link的新型條型光柵傳感器實現對煙絲堆料槽的監控。結果表明新型條型光柵傳感器保證堆料槽內的煙絲供應更加均勻，煙絲堵塞停機次數更少，機器運行效率更高，降低了設備的調試和售后成本。

參考文獻：

[1] IO-Link可實現更高的生產率和系統性能——巴魯夫在MOTEK2006展會上推出新的通訊標準[J]. 世界制造技術與裝備市場， 2007（2）.

[2] IO-Link有助于車床制造商提高生產率[J].現代制造， 2008（48）.

[3] 任曉明. FA&PA新力量——PROFIBUS和PROFINET最新技術新聞發布會[J]. 機電產品市場， 2006（10）.

[4] 高朝中.自動化博覽[B]. IO-Link技術及實現方法，2011（10）.

[5] 常德煙草機械有限責任公司. 操作說明書ZJ116[Z].2010.

[6] 西克公司.MLG-2-自動化測量光柵[Z].2014.

【通聯編輯：梁書】