IO-Link在卷煙機(jī)械設(shè)備中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周峰　程群　王宏用

摘要：針對(duì)卷煙機(jī)械設(shè)備的智能化改造，為提升設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)煙絲堆料槽的監(jiān)控。對(duì)比現(xiàn)有的光柵監(jiān)測(cè)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(jiǎn)單。使用后堆料槽煙絲高度波動(dòng)更加穩(wěn)定，報(bào)堵塞停機(jī)次數(shù)更少，整機(jī)運(yùn)行效率更高。

關(guān)鍵詞：IO-Link;卷煙機(jī);光柵傳感器

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(shù)的不斷發(fā)展，工廠設(shè)備的自動(dòng)化程度不斷提升，國(guó)產(chǎn)卷煙機(jī)械設(shè)備也在不斷地吸收新技術(shù)進(jìn)行智能化改造，從而提高設(shè)備的生產(chǎn)效率和可靠性。在傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量?jī)x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(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或設(shè)定。而使用了帶有IO-Link技術(shù)的設(shè)備，只需要將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接替換，設(shè)備會(huì)自動(dòng)下載相應(yīng)的參數(shù)，無須重新對(duì)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)消除了傳感器與執(zhí)行器上的瓶頸，使得數(shù)字量的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接具有對(duì)話能力，它用標(biāo)準(zhǔn)的3線制電纜代替了復(fù)雜的接口，并給整個(gè)處理級(jí)賦予了一致的參數(shù)化和診斷概念 [1] 。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，其目的是把與現(xiàn)場(chǎng)的最后一米連接做得透明度更高，通信性能更強(qiáng)[2]。

本文將IO-Link技術(shù)應(yīng)用于卷煙機(jī)械設(shè)備中，采用基于IO-Link的新型條型光柵傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)煙絲堆料槽的監(jiān)控，降低了設(shè)備的調(diào)試和售后成本，加強(qiáng)了對(duì)陡角提絲帶電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，保證堆料槽內(nèi)的煙絲供應(yīng)更加均勻，提高了整機(jī)運(yùn)行效率。

1 IO-Link技術(shù)概述

IO-Link技術(shù)是一種獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信接口，它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器與智能傳感器的混合運(yùn)行 [3] 。一般來說IO-Link系統(tǒng)由許多IO-Link設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器或者它們的組合通過標(biāo)準(zhǔn)3線制傳感器/執(zhí)行器電纜連接到IO-Link主站設(shè)備上組成，主站可以是一個(gè)具有不同設(shè)計(jì)和不同保護(hù)等級(jí)的設(shè)備。

IO-Link設(shè)備初始默認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)I/O模式啟動(dòng)，主站端口可以進(jìn)行組態(tài)，端口配置成標(biāo)準(zhǔn)I/O模式時(shí)，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(shí)，主站件將檢測(cè)端口所連接的IO-Link設(shè)備[4]。IO-Link通訊模式與標(biāo)準(zhǔn)I/O口模式如圖1所示。

IO-Link不是一種單獨(dú)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，而是一種簡(jiǎn)單的協(xié)議，它進(jìn)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(wù)性數(shù)據(jù)、事件型數(shù)據(jù)。IO-Link設(shè)備協(xié)議棧已經(jīng)完整的封裝好，并提供了良好的用戶應(yīng)用接口程序。具有IO-Link技術(shù)的設(shè)備開發(fā)可以調(diào)用IO-Link協(xié)議棧來完成，通過對(duì)協(xié)議棧的參數(shù)配置和任務(wù)調(diào)度來進(jìn)行IO-Link數(shù)據(jù)傳輸。

2 煙絲堆料槽監(jiān)控

卷煙機(jī)械設(shè)備中堆料槽的煙絲料位由料位控制器來進(jìn)行監(jiān)控，它由很多個(gè)光柵監(jiān)測(cè)光電開關(guān)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(jī)的轉(zhuǎn)速或者直接報(bào)警停機(jī)，以保持裝料高度的恒定，在發(fā)生偏差時(shí)相應(yīng)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(cè)傳感器

現(xiàn)在大部分卷煙機(jī)械設(shè)備中光柵監(jiān)測(cè)傳感器由 15 個(gè)光柵監(jiān)測(cè)光電開關(guān)（俗稱光斑）組成，每五個(gè)一組，其工作原理為反射式光電開關(guān)。每個(gè)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(duì)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?jī)蓚€(gè)光斑之間的距離為50MM。光柵監(jiān)測(cè)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(jìn)行安裝前的信號(hào)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(shí)信號(hào)為7±0.2V，有煙絲時(shí)信號(hào)小于2V，并借用示波器模擬電壓輸出輔助調(diào)試。無煙絲時(shí)信號(hào)如圖4所示。

由于光柵監(jiān)測(cè)傳感器元器件裸露，沒有外殼保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試時(shí)，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(shù)，由發(fā)射端和接收端組成。每條光柵有15個(gè)光斑，15個(gè)光的狀態(tài)對(duì)應(yīng)著15個(gè)位（0或1），當(dāng)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(shí)，該光斑對(duì)應(yīng)的位的狀態(tài)為1。選擇IO-Link輸出時(shí)，條型光柵內(nèi)部以140ms為周期，周期性掃描這15個(gè)光斑的狀態(tài)，在主IO-Link端以兩個(gè)字節(jié)存放這15個(gè)位的狀態(tài)。“高速掃描”的特性縮短了運(yùn)算時(shí)間，使得其響應(yīng)時(shí)間提高為原來的3倍[6]。每?jī)蓚€(gè)光斑之間的距離為10MM，其料位監(jiān)測(cè)分辨率為現(xiàn)有光柵監(jiān)測(cè)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(gè)光斑，其測(cè)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(chǎng)反饋和煙絲堵塞停機(jī)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，采用新型條型光柵的某119設(shè)備，相較于老式的某116設(shè)備，堆料槽煙絲高度波動(dòng)更加穩(wěn)定，報(bào)堵塞停機(jī)次數(shù)更少，整機(jī)運(yùn)行效率更高。

新型條型光柵整體密封，有堅(jiān)固的鋁外殼，防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67，并且具有高電磁兼容性，適應(yīng)更加嚴(yán)苛的環(huán)境。其初始信號(hào)調(diào)試只需通過軟件SOAPS進(jìn)行配置，并且具有復(fù)制功能，無須現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)調(diào)試，降低了設(shè)備的調(diào)試和售后成本。

5 結(jié)束語

本文將IO-Link技術(shù)應(yīng)用于卷煙機(jī)械設(shè)備中，采用基于IO-Link的新型條型光柵傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)更加均勻，煙絲堵塞停機(jī)次數(shù)更少，機(jī)器運(yùn)行效率更高，降低了設(shè)備的調(diào)試和售后成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] IO-Link可實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率和系統(tǒng)性能——巴魯夫在MOTEK2006展會(huì)上推出新的通訊標(biāo)準(zhǔn)[J]. 世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)， 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(shù)新聞發(fā)布會(huì)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)， 2006（10）.

[4] 高朝中.自動(dòng)化博覽[B]. IO-Link技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法，2011（10）.

[5] 常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司. 操作說明書ZJ116[Z].2010.

[6] 西克公司.MLG-2-自動(dòng)化測(cè)量光柵[Z].2014.

【通聯(lián)編輯：梁書】