IO-Link在卷煙機械設備中的設計與實現(xiàn)

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(chǎn)效率和可靠性，采用基于IO-Link的新型條型光柵傳感器實現(xiàn)對煙絲堆料槽的監(jiān)控。對比現(xiàn)有的光柵監(jiān)測傳感器，結(jié)果表明，新型條型光柵傳感器更加安全可靠，調(diào)試更加簡單。使用后堆料槽煙絲高度波動更加穩(wěn)定，報堵塞停機次數(shù)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(fā)展，工廠設備的自動化程度不斷提升，國產(chǎn)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(chǎn)效率和可靠性。在傳統(tǒng)的自動控制系統(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，通常需要工程師到現(xiàn)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(xiàn)場設備直接替換，設備會自動下載相應的參數(shù)，無須重新對設備進行調(diào)試。當用戶需要修改參數(shù)時，也只需在應用層將參數(shù)設定好，系統(tǒng)會按照IO-Link協(xié)議規(guī)范，將參數(shù)自動下載到設備中。IO-Link技術消除了傳感器與執(zhí)行器上的瓶頸，使得數(shù)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(shù)化和診斷概念 [1] 。IO-Link技術作為一種將執(zhí)行器或傳感器集成于自動化系統(tǒng)中的低成本的通信解決方案，其目的是把與現(xiàn)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(xiàn)對煙絲堆料槽的監(jiān)控，降低了設備的調(diào)試和售后成本，加強了對陡角提絲帶電機轉(zhuǎn)速的控制，保證堆料槽內(nèi)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(xiàn)場總線的通信接口，它可以實現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器與智能傳感器的混合運行 [3] 。一般來說IO-Link系統(tǒng)由許多IO-Link設備、傳感器、執(zhí)行器或者它們的組合通過標準3線制傳感器/執(zhí)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(tài)，端口配置成標準I/O模式時，將作為常規(guī)的數(shù)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(yè)網(wǎng)絡，而是一種簡單的協(xié)議，它進行交換的有三種數(shù)據(jù)類型：周期性數(shù)據(jù)（也稱為過程數(shù)據(jù)）、非周期數(shù)據(jù)或者服務性數(shù)據(jù)、事件型數(shù)據(jù)。IO-Link設備協(xié)議棧已經(jīng)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(fā)可以調(diào)用IO-Link協(xié)議棧來完成，通過對協(xié)議棧的參數(shù)配置和任務調(diào)度來進行IO-Link數(shù)據(jù)傳輸。

2 煙絲堆料槽監(jiān)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(jiān)控，它由很多個光柵監(jiān)測光電開關組成，分成三組，分布在堆料槽的寬度上，持續(xù)地監(jiān)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(zhuǎn)速或者直接報警停機，以保持裝料高度的恒定，在發(fā)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(xiàn)有光柵監(jiān)測傳感器

現(xiàn)在大部分卷煙機械設備中光柵監(jiān)測傳感器由 15 個光柵監(jiān)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(fā)送器、接受器和控制燈組成。發(fā)送器發(fā)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(jiān)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(diào)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(diào)節(jié)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(diào)試。無煙絲時信號如圖4所示。

由于光柵監(jiān)測傳感器元器件裸露，沒有外殼保護，現(xiàn)場安裝調(diào)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(fā)射端和接收端組成。每條光柵有15個光斑，15個光的狀態(tài)對應著15個位（0或1），當發(fā)射端發(fā)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(tài)為1。選擇IO-Link輸出時，條型光柵內(nèi)部以140ms為周期，周期性掃描這15個光斑的狀態(tài)，在主IO-Link端以兩個字節(jié)存放這15個位的狀態(tài)?！案咚賿呙琛钡奶匦钥s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(jiān)測分辨率為現(xiàn)有光柵監(jiān)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(jù)某卷煙廠現(xiàn)場反饋和煙絲堵塞停機次數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(wěn)定，報堵塞停機次數(shù)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(huán)境。其初始信號調(diào)試只需通過軟件SOAPS進行配置，并且具有復制功能，無須現(xiàn)場單獨調(diào)試，降低了設備的調(diào)試和售后成本。

5 結(jié)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(xiàn)對煙絲堆料槽的監(jiān)控。結(jié)果表明新型條型光柵傳感器保證堆料槽內(nèi)的煙絲供應更加均勻，煙絲堵塞停機次數(shù)更少，機器運行效率更高，降低了設備的調(diào)試和售后成本。

參考文獻：

[1] IO-Link可實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率和系統(tǒng)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(chǎn)率[J].現(xiàn)代制造， 2008（48）.

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

[4] 高朝中.自動化博覽[B]. IO-Link技術及實現(xiàn)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(lián)編輯：梁書】