IO-Link技術(shù)在板帶精整機組中的應(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)備運行的自動化水平和可靠性，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(shè)備進行維護或設(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)備會自動下載相應(yīng)的參數(shù)，無需重新對設(shè)備進行調(diào)試。當用戶需要修改參數(shù)時，也只需要在應(yīng)用層將參數(shù)設(shè)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(shè)備中。IO-Link技術(shù)消除了傳感器和執(zhí)行器上的瓶頸，標準的3芯非屏蔽電纜代替了復(fù)雜的接口，使得數(shù)字量的點對點連接具有對話能力，并給整個處理級賦予了一致的參數(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化系統(tǒng)中的低成本的通信解決方案，是實現(xiàn)底層設(shè)備的數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸，自動化、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，輸出模塊對執(zhí)行器輸出信號，IO-Link主站模塊再通過Profinet總線連接到機組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率，提高了調(diào)試效率。

1 IO-Link技術(shù)

IO-Link技術(shù)是一種獨立于現(xiàn)場總線的通信接口，可以實現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器的混合運行。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準3線制電纜連接到IO-Link設(shè)備上組成。在高度自動化的工廠場景中，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，可以很方便地實施預(yù)測性維護。IO-Link的優(yōu)點還在于數(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是一種用于自動化技術(shù)的開放式標準串行通信協(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進行傳輸。每個支持IO-Link通信協(xié)議的傳感器都有一個設(shè)備描述文件(IODD)，存儲了系統(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文件可以實現(xiàn)不同品牌的IO-Link模塊和傳感器的兼容。因為IO-Link通信協(xié)議是一個開放的標準，所以設(shè)備可以集成到幾乎任何現(xiàn)場總線或自動化系統(tǒng)中。因此，它的出現(xiàn)不是與當前主流的工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)競爭，而是彌補當前工業(yè)現(xiàn)場的不足。

2 IO-Link技術(shù)用于精整機組拉矯機自動控制

2.1 拉矯機自動控制發(fā)展現(xiàn)狀

拉矯機是板帶精整機組中非常關(guān)鍵的單機設(shè)備，用于對帶鋼進行連續(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。

拉矯機本體由出、入口壓輥、兩彎兩矯的四個單元輥系、上輥系輥座吊掛裝置、下輥座壓上裝置、輥縫調(diào)整機構(gòu)、輥盒鎖緊機構(gòu)、機架等組成。拉矯機入、出口壓輥位于拉矯機的兩側(cè)，由氣缸驅(qū)動升降，換輥時壓輥落下，此時鋼輥下表面低于機組作業(yè)線，此時輥系可進出而不剮蹭帶鋼；其余工況(拉矯機投入、拉矯機不投入)時壓輥升起，此時壓輥下表面高于機組作業(yè)線，鋼輥不與帶鋼接觸。換輥小車位于拉矯機操作側(cè)，可以在垂直于機組中心線方向的導(dǎo)軌上水平運動。用于將拉矯機上輥座或下輥座沿導(dǎo)軌拉出、推進，更換輥盒。

拉矯機的每套輥系的上、下輥系及入、出口壓輥、換輥小車都有單獨的動作，在傳統(tǒng)的精整機組中，拉矯機上往往僅設(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)過拉矯機時輥系可以自動避讓。拉矯機的自動換輥功能還沒有實現(xiàn)，而由于拉矯機輥系需定期清理和更換，換輥需要人工手動操作，多人配合完成。

2.2 IO-Link技術(shù)拉矯機自動控制中的應(yīng)用

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

為了實現(xiàn)自動換輥并保證拉矯機工作及換輥時的安全聯(lián)鎖，在HMI畫面上實時了解拉矯機的工作狀態(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，拉矯機共需安裝32個接近開關(guān)、8個行程開關(guān)和4個光電開關(guān)作為輸入信號，另外還有6個氣動電磁閥和1個液壓電磁閥需輸出控制信號。按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法，拉矯機上需設(shè)置幾個中間端子箱來連接遠程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)試耗時時間長、故障不易診斷等問題。因此，中國重型機械研究院將IO-Link技術(shù)應(yīng)用在了拉矯機的設(shè)計中。在拉矯機上設(shè)置一個IO-Link主站模塊，與機組PLC通過Profinet總線的方式通信，由機組提供一路24V直流電源。主站模塊分別連接1個輸出模塊和4個輸入模塊，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的中部，連接各上輥系、入口壓輥、出口壓輥、輥盒鎖緊機構(gòu)的電磁換向閥從而執(zhí)行PLC的輸出信號指令。4個輸入模塊分別安裝在拉矯機的入口、中部、出口及換輥小車用于連接設(shè)備各個部位的檢測元件，將各傳感器的狀態(tài)傳輸至機組PLC。拉矯機的電氣接線如圖1所示。

圖1 拉矯機電氣接線圖

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，因此每個輸出模塊每個端口的插腳3GND需與電磁閥的兩個閥頭的負極連接，插腳2和4分別控制兩個閥頭信號輸出。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)拉矯機設(shè)計，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的點數(shù)，來確定具體組態(tài)時的字節(jié)長度，本設(shè)計所選輸出模塊有十組輸出端口，最多可以接20個數(shù)字量輸出。輸入模塊有八組輸入端口，最多可以連接16個數(shù)字量輸入信號。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個字節(jié)長度，輸入模塊的組態(tài)字節(jié)長度為4個字節(jié)長度。該拉矯機數(shù)字量輸出組態(tài)的起始地址為M=4，所以輸出模塊每個端口插腳所對應(yīng)地址的確認如表1所示。

表1 輸出模塊地址分配表

該拉矯機共有4個輸入模塊，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端口插腳所對應(yīng)地址的確認如表2所示。

表2 輸入模塊地址分配表

其輸入模塊的地址確認方法和Port5的方法一直，只要在組態(tài)中確認了起始地址，其余的地址都會確認?，F(xiàn)場調(diào)試時，只需將各個輸入點和輸出點的地址寫入到拉矯機的自動控制程序中，便可快速進行拉矯機自動功能的測試。

2.3 拉矯機使用IO-Link技術(shù)的優(yōu)點

采用此方案后，拉矯機在設(shè)備制造廠出廠前，可以對所有的傳感器進行模擬測試。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間，降低了維護難度，設(shè)備防護等級高，提高了設(shè)備長期運轉(zhuǎn)效率。

3 IO-Link技術(shù)在精整機組的其它應(yīng)用

IO-Link技術(shù)還可以進行位置測量、目標檢測、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設(shè)備，尤其是傳感器較多且相對獨立的單機設(shè)備，如液壓站。IO-Link技術(shù)不僅使容易出錯的模擬輸入端成為多余，還減少了布線、檢測和硬件所需費用。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定及安全聯(lián)鎖調(diào)試，節(jié)省了現(xiàn)場接線及調(diào)試時間。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，實現(xiàn)與原有的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的兼容，非常適用于老舊機組傳感器較多的設(shè)備的改造升級，能大大減少現(xiàn)場調(diào)試時間，滿足用戶要求。

4 結(jié)束語

將IO-Link技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)某鋼廠重卷機組改造工程拉矯機的設(shè)計中，使機組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行，降低了設(shè)備的調(diào)試時間和成本，對于保證整個項目的建設(shè)進度起到了關(guān)鍵作用，滿足了用戶使用要求，并且降低了維護工作量，提高了設(shè)備長期運轉(zhuǎn)的效率。