IO-Link技術(shù)在板帶精整機(jī)組中的應(yīng)用

靳恩輝，馬蘭松，呂陽陽，金建飛，劉志成

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066000)

0 前言

隨著工業(yè)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼廠對設(shè)備的自動(dòng)化要求不斷提升，越來越多的檢測傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用在帶鋼精整設(shè)備上，從而提高設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化水平和可靠性，現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器與PLC控制器之間的連接通信變得尤為關(guān)鍵。

在傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場的測量儀表或者傳感器遇到故障或者需要修改參數(shù)時(shí)，通常需要工程師到現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或設(shè)定，且較多的傳感器也易造成現(xiàn)場布線凌亂，設(shè)備調(diào)試時(shí)間受接線正確率的影響很大。而使用了支持IO-Link通信協(xié)議的測量儀表或傳感器，只需將現(xiàn)場設(shè)備直接替換，設(shè)備會(huì)自動(dòng)下載相應(yīng)的參數(shù)，無需重新對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)用戶需要修改參數(shù)時(shí)，也只需要在應(yīng)用層將參數(shù)設(shè)定好，系統(tǒng)會(huì)按照IO-Link協(xié)議規(guī)范，將參數(shù)自動(dòng)下載到設(shè)備中。IO-Link技術(shù)消除了傳感器和執(zhí)行器上的瓶頸，標(biāo)準(zhǔn)的3芯非屏蔽電纜代替了復(fù)雜的接口，使得數(shù)字量的點(diǎn)對點(diǎn)連接具有對話能力，并給整個(gè)處理級(jí)賦予了一致的參數(shù)化和診斷概念。IO-Link技術(shù)作為一種將執(zhí)行器或傳感器集成于自動(dòng)化系統(tǒng)中的低成本的通信解決方案，是實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備的數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸，自動(dòng)化、智能化水平的提升的技術(shù)保障，做到了降低通信成本，優(yōu)化現(xiàn)場布線。

將IO-Link技術(shù)應(yīng)用于帶鋼精整設(shè)備中，采用基于IO-Link通信協(xié)議的輸入模塊采集傳感器信號(hào)，輸出模塊對執(zhí)行器輸出信號(hào)，IO-Link主站模塊再通過Profinet總線連接到機(jī)組PLC控制器，連接十分簡單，不需要配置，即插即用，不僅可以確保順利安裝，還能保證布線簡單方便、綜合診斷、集中式設(shè)置，降低了現(xiàn)場的接線工作量和出錯(cuò)率，提高了調(diào)試效率。

1 IO-Link技術(shù)

IO-Link技術(shù)是一種獨(dú)立于現(xiàn)場總線的通信接口，可以實(shí)現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器的混合運(yùn)行。一般來說IO-Link系統(tǒng)由許多IO-Link設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器或者其組合通過標(biāo)準(zhǔn)3線制電纜連接到IO-Link設(shè)備上組成。在高度自動(dòng)化的工廠場景中，IO-Link的優(yōu)勢已被證明非常有用。在工業(yè)4.0的背景下，IO-Link變得十分關(guān)鍵，通過雙向通信，現(xiàn)場設(shè)備除了提供純粹的工藝數(shù)據(jù)如距離值或信號(hào)狀態(tài)外，還能夠“按需”提供設(shè)備數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，可以很方便地實(shí)施預(yù)測性維護(hù)。IO-Link的優(yōu)點(diǎn)還在于數(shù)據(jù)傳輸不易受干擾，可以充分發(fā)揮傳感器的性能。

IO-Link是一種用于自動(dòng)化技術(shù)的開放式標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議，允許支持IO-Link通信協(xié)議的傳感器、設(shè)備進(jìn)行雙向通信，賦予底層設(shè)備更多的智能，并連接到主站。IO-Link主站模塊可以通過各種網(wǎng)絡(luò)，如Profinet進(jìn)行傳輸。每個(gè)支持IO-Link通信協(xié)議的傳感器都有一個(gè)設(shè)備描述文件(IODD)，存儲(chǔ)了系統(tǒng)集成的各種信息，不同廠家的傳感器的IODD文件結(jié)構(gòu)都是相同的，因此通過IODD文件可以實(shí)現(xiàn)不同品牌的IO-Link模塊和傳感器的兼容。因?yàn)镮O-Link通信協(xié)議是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)備可以集成到幾乎任何現(xiàn)場總線或自動(dòng)化系統(tǒng)中。因此，它的出現(xiàn)不是與當(dāng)前主流的工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)競爭，而是彌補(bǔ)當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場的不足。

2 IO-Link技術(shù)用于精整機(jī)組拉矯機(jī)自動(dòng)控制

2.1 拉矯機(jī)自動(dòng)控制發(fā)展現(xiàn)狀

拉矯機(jī)是板帶精整機(jī)組中非常關(guān)鍵的單機(jī)設(shè)備，用于對帶鋼進(jìn)行連續(xù)拉伸彎曲矯直，以消除帶鋼邊浪、中浪瓢曲等板形缺陷，改善帶材平直度。

拉矯機(jī)本體由出、入口壓輥、兩彎兩矯的四個(gè)單元輥系、上輥系輥?zhàn)鯍煅b置、下輥?zhàn)鶋荷涎b置、輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)、輥盒鎖緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。拉矯機(jī)入、出口壓輥位于拉矯機(jī)的兩側(cè)，由氣缸驅(qū)動(dòng)升降，換輥時(shí)壓輥落下，此時(shí)鋼輥下表面低于機(jī)組作業(yè)線，此時(shí)輥系可進(jìn)出而不剮蹭帶鋼；其余工況(拉矯機(jī)投入、拉矯機(jī)不投入)時(shí)壓輥升起，此時(shí)壓輥下表面高于機(jī)組作業(yè)線，鋼輥不與帶鋼接觸。換輥小車位于拉矯機(jī)操作側(cè)，可以在垂直于機(jī)組中心線方向的導(dǎo)軌上水平運(yùn)動(dòng)。用于將拉矯機(jī)上輥?zhàn)蛳螺佔(zhàn)貙?dǎo)軌拉出、推進(jìn)，更換輥盒。

拉矯機(jī)的每套輥系的上、下輥系及入、出口壓輥、換輥小車都有單獨(dú)的動(dòng)作，在傳統(tǒng)的精整機(jī)組中，拉矯機(jī)上往往僅設(shè)置涉及設(shè)備安全及輥系投入情況的檢測傳感器，焊縫經(jīng)過拉矯機(jī)時(shí)輥系可以自動(dòng)避讓。拉矯機(jī)的自動(dòng)換輥功能還沒有實(shí)現(xiàn)，而由于拉矯機(jī)輥系需定期清理和更換，換輥需要人工手動(dòng)操作，多人配合完成。

2.2 IO-Link技術(shù)拉矯機(jī)自動(dòng)控制中的應(yīng)用

伴隨越來越多的鋼廠向“黑燈工廠”發(fā)展，一條重卷機(jī)組僅配置兩名操作人員，這就要求拉矯機(jī)不僅能在正常工作時(shí)自動(dòng)投入和退出，而且要實(shí)現(xiàn)換輥功能的自動(dòng)化，以節(jié)省檢修是的人力和時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換輥并保證拉矯機(jī)工作及換輥時(shí)的安全聯(lián)鎖，在HMI畫面上實(shí)時(shí)了解拉矯機(jī)的工作狀態(tài)，需設(shè)置相應(yīng)的接近開關(guān)或光電開關(guān)來檢測每套輥系、壓輥及換輥小車的位置。因此，拉矯機(jī)共需安裝32個(gè)接近開關(guān)、8個(gè)行程開關(guān)和4個(gè)光電開關(guān)作為輸入信號(hào)，另外還有6個(gè)氣動(dòng)電磁閥和1個(gè)液壓電磁閥需輸出控制信號(hào)。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，拉矯機(jī)上需設(shè)置幾個(gè)中間端子箱來連接遠(yuǎn)程IO電氣柜和現(xiàn)場傳感器和電磁閥，需敷設(shè)多根多芯電纜，存在中間端子多、接線工作量大、調(diào)試耗時(shí)時(shí)間長、故障不易診斷等問題。因此，中國重型機(jī)械研究院將IO-Link技術(shù)應(yīng)用在了拉矯機(jī)的設(shè)計(jì)中。在拉矯機(jī)上設(shè)置一個(gè)IO-Link主站模塊，與機(jī)組PLC通過Profinet總線的方式通信，由機(jī)組提供一路24V直流電源。主站模塊分別連接1個(gè)輸出模塊和4個(gè)輸入模塊，輸入模塊和輸出模塊又稱為子站模塊。輸出模塊安裝在拉矯機(jī)的中部，連接各上輥系、入口壓輥、出口壓輥、輥盒鎖緊機(jī)構(gòu)的電磁換向閥從而執(zhí)行PLC的輸出信號(hào)指令。4個(gè)輸入模塊分別安裝在拉矯機(jī)的入口、中部、出口及換輥小車用于連接設(shè)備各個(gè)部位的檢測元件，將各傳感器的狀態(tài)傳輸至機(jī)組PLC。拉矯機(jī)的電氣接線如圖1所示。

圖1 拉矯機(jī)電氣接線圖

由于輸出模塊的輸出端電壓供給與IO-Link主站電氣絕緣，且左側(cè)和右側(cè)的電壓供給在裝置中相互電氣絕緣，因此24 V直流電源需分一路給輸出模塊單獨(dú)供電，并且需將電源插座的1和4插腳短接、2和3插腳短接。由于電磁換向閥均為雙電磁鐵控制，因此每個(gè)輸出模塊每個(gè)端口的插腳3GND需與電磁閥的兩個(gè)閥頭的負(fù)極連接，插腳2和4分別控制兩個(gè)閥頭信號(hào)輸出。IO-Link主站與子站模塊之間以及子站模塊與傳感器、電磁閥之間的連接電纜均采用3芯非屏蔽電纜即可。

IO-Link模塊主站的所有參數(shù)、處理數(shù)據(jù)及其有效值范圍均定義在GSD文件中，安裝GSD文件后，可以將主站加入到機(jī)組的Profinet網(wǎng)絡(luò)中。主站模塊、輸出模塊、輸入模塊將出現(xiàn)在如圖2所示的硬件目錄中。

圖2 主站模塊的硬件目錄

根據(jù)拉矯機(jī)設(shè)計(jì)，IO-Link模塊主站的Port1、Port2、Port4空閑，Port3連接輸出模塊，Port5～8連接輸入模塊。根據(jù)輸入輸出模塊的型號(hào)的點(diǎn)數(shù)，來確定具體組態(tài)時(shí)的字節(jié)長度，本設(shè)計(jì)所選輸出模塊有十組輸出端口，最多可以接20個(gè)數(shù)字量輸出。輸入模塊有八組輸入端口，最多可以連接16個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)。查詢IO-Link模塊的技術(shù)手冊，輸出模塊的組態(tài)字節(jié)長度為8個(gè)字節(jié)長度，輸入模塊的組態(tài)字節(jié)長度為4個(gè)字節(jié)長度。該拉矯機(jī)數(shù)字量輸出組態(tài)的起始地址為M=4，所以輸出模塊每個(gè)端口插腳所對應(yīng)地址的確認(rèn)如表1所示。

表1 輸出模塊地址分配表

該拉矯機(jī)共有4個(gè)輸入模塊，以主站模塊的Port5所連接的輸入模塊為例，數(shù)字量輸入組態(tài)的起始地址為M=5，所以該輸出模塊每個(gè)端口插腳所對應(yīng)地址的確認(rèn)如表2所示。

表2 輸入模塊地址分配表

其輸入模塊的地址確認(rèn)方法和Port5的方法一直，只要在組態(tài)中確認(rèn)了起始地址，其余的地址都會(huì)確認(rèn)?，F(xiàn)場調(diào)試時(shí)，只需將各個(gè)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的地址寫入到拉矯機(jī)的自動(dòng)控制程序中，便可快速進(jìn)行拉矯機(jī)自動(dòng)功能的測試。

2.3 拉矯機(jī)使用IO-Link技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

采用此方案后，拉矯機(jī)在設(shè)備制造廠出廠前，可以對所有的傳感器進(jìn)行模擬測試。設(shè)備在現(xiàn)場安裝完成后，不再需要敷設(shè)多芯電纜，只需完成IO-Link主站模塊24 V直流電源和Profinet網(wǎng)線的接線即可，極大地縮短了現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，提高了工作效率，減少了問題出現(xiàn)的概率和故障排除時(shí)間，降低了維護(hù)難度，設(shè)備防護(hù)等級(jí)高，提高了設(shè)備長期運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

3 IO-Link技術(shù)在精整機(jī)組的其它應(yīng)用

IO-Link技術(shù)還可以進(jìn)行位置測量、目標(biāo)檢測、流體檢測應(yīng)用等，測量溫度和壓力，通過Profinet通訊協(xié)議，IO-Link主站模塊適用于任何一臺(tái)設(shè)備，尤其是傳感器較多且相對獨(dú)立的單機(jī)設(shè)備，如液壓站。IO-Link技術(shù)不僅使容易出錯(cuò)的模擬輸入端成為多余，還減少了布線、檢測和硬件所需費(fèi)用。通過即插即用低成本的非屏蔽三芯線纜，液壓站可以在出廠前完成所有傳感器的標(biāo)定及安全聯(lián)鎖調(diào)試，節(jié)省了現(xiàn)場接線及調(diào)試時(shí)間。IO-Link主站模塊不僅有支持Profinet通訊的，還有支持Profibus-DP通訊協(xié)議的，實(shí)現(xiàn)與原有的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的兼容，非常適用于老舊機(jī)組傳感器較多的設(shè)備的改造升級(jí)，能大大減少現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，滿足用戶要求。

4 結(jié)束語

將IO-Link技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)某鋼廠重卷機(jī)組改造工程拉矯機(jī)的設(shè)計(jì)中，使機(jī)組PLC與設(shè)備現(xiàn)場傳感器和電磁閥之間的連接變得簡單并且有層次，不再需要敷設(shè)多芯電纜及中間端子箱，減少了布線、檢測和硬件所需費(fèi)用，通過即插即用的低成本非屏蔽電纜，設(shè)備能夠迅速而安全地投入運(yùn)行，降低了設(shè)備的調(diào)試時(shí)間和成本，對于保證整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)度起到了關(guān)鍵作用，滿足了用戶使用要求，并且降低了維護(hù)工作量，提高了設(shè)備長期運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。