IO-Link技術在板帶精整機組中的應用

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

隨著工業信息技術的不斷發展，鋼廠對設備的自動化要求不斷提升，越來越多的檢測傳感器和執行器應用在帶鋼精整設備上，從而提高設備運行的自動化水平和可靠性，現場傳感器、執行器與PLC控制器之間的連接通信變得尤為關鍵。

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，且較多的傳感器也易造成現場布線凌亂，設備調試時間受接線正確率的影響很大。而使用了支持IO-Link通信協議的測量儀表或傳感器，只需將現場設備直接替換，設備會自動下載相應的參數，無需重新對設備進行調試。當用戶需要修改參數時，也只需要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技術消除了傳感器和執行器上的瓶頸，標準的3芯非屏蔽電纜代替了復雜的接口，使得數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化和診斷概念。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，是實現底層設備的數字化數據傳輸，自動化、智能化水平的提升的技術保障，做到了降低通信成本，優化現場布線。

將IO-Link技術應用于帶鋼精整設備中，采用基于IO-Link通信協議的輸入模塊采集傳感器信號，輸出模塊對執行器輸出信號，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、集中式設置，降低了現場的接線工作量和出錯率，提高了調試效率。

1 IO-Link技術

IO-Link技術是一種獨立于現場總線的通信接口，可以實現傳感器與執行器的混合運行。一般來說IO-Link系統由許多IO-Link設備、傳感器、執行器或者其組合通過標準3線制電纜連接到IO-Link設備上組成。在高度自動化的工廠場景中，IO-Link的優勢已被證明非常有用。在工業4.0的背景下，IO-Link變得十分關鍵，通過雙向通信，現場設備除了提供純粹的工藝數據如距離值或信號狀態外，還能夠“按需”提供設備數據和狀態信息，可以很方便地實施預測性維護。IO-Link的優點還在于數據傳輸不易受干擾，可以充分發揮傳感器的性能。

IO-Link是一種用于自動化技術的開放式標準串行通信協議，允許支持IO-Link通信協議的傳感器、設備進行雙向通信，賦予底層設備更多的智能，并連接到主站。IO-Link主站模塊可以通過各種網絡，如Profinet進行傳輸。每個支持IO-Link通信協議的傳感器都有一個設備描述文件(IODD)，存儲了系統集成的各種信息，不同廠家的傳感器的IODD文件結構都是相同的，因此通過IODD文件可以實現不同品牌的IO-Link模塊和傳感器的兼容。因為IO-Link通信協議是一個開放的標準，所以設備可以集成到幾乎任何現場總線或自動化系統中。因此，它的出現不是與當前主流的工業現場總線、工業以太網競爭，而是彌補當前工業現場的不足。

2 IO-Link技術用于精整機組拉矯機自動控制

2.1 拉矯機自動控制發展現狀

拉矯機是板帶精整機組中非常關鍵的單機設備，用于對帶鋼進行連續拉伸彎曲矯直，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、輥縫調整機構、輥盒鎖緊機構、機架等組成。拉矯機入、出口壓輥位于拉矯機的兩側，由氣缸驅動升降，換輥時壓輥落下，此時鋼輥下表面低于機組作業線，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線，鋼輥不與帶鋼接觸。換輥小車位于拉矯機操作側，可以在垂直于機組中心線方向的導軌上水平運動。用于將拉矯機上輥座或下輥座沿導軌拉出、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，在傳統的精整機組中，拉矯機上往往僅設置涉及設備安全及輥系投入情況的檢測傳感器，焊縫經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，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技術拉矯機自動控制中的應用

伴隨越來越多的鋼廠向“黑燈工廠”發展，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，而且要實現換輥功能的自動化，以節省檢修是的人力和時間。

為了實現自動換輥并保證拉矯機工作及換輥時的安全聯鎖，在HMI畫面上實時了解拉矯機的工作狀態，需設置相應的接近開關或光電開關來檢測每套輥系、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、8個行程開關和4個光電開關作為輸入信號，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。按照傳統的設計方法，拉矯機上需設置幾個中間端子箱來連接遠程IO電氣柜和現場傳感器和電磁閥，需敷設多根多芯電纜，存在中間端子多、接線工作量大、調試耗時時間長、故障不易診斷等問題。因此，中國重型機械研究院將IO-Link技術應用在了拉矯機的設計中。在拉矯機上設置一個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、輥盒鎖緊機構的電磁換向閥從而執行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備各個部位的檢測元件，將各傳感器的狀態傳輸至機組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，且左側和右側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、處理數據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網絡中。主站模塊、輸出模塊、輸入模塊將出現在如圖2所示的硬件目錄中。

圖2 主站模塊的硬件目錄

根據拉矯機設計，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。根據輸入輸出模塊的型號的點數，來確定具體組態時的字節長度，本設計所選輸出模塊有十組輸出端口，最多可以接20個數字量輸出。輸入模塊有八組輸入端口，最多可以連接16個數字量輸入信號。查詢IO-Link模塊的技術手冊，輸出模塊的組態字節長度為8個字節長度，輸入模塊的組態字節長度為4個字節長度。該拉矯機數字量輸出組態的起始地址為M=4，所以輸出模塊每個端口插腳所對應地址的確認如表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，數字量輸入組態的起始地址為M=5，所以該輸出模塊每個端口插腳所對應地址的確認如表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，只要在組態中確認了起始地址，其余的地址都會確認。現場調試時，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技術的優點

采用此方案后，拉矯機在設備制造廠出廠前，可以對所有的傳感器進行模擬測試。設備在現場安裝完成后，不再需要敷設多芯電纜，只需完成IO-Link主站模塊24 V直流電源和Profinet網線的接線即可，極大地縮短了現場調試時間，提高了工作效率，減少了問題出現的概率和故障排除時間，降低了維護難度，設備防護等級高，提高了設備長期運轉效率。

3 IO-Link技術在精整機組的其它應用

IO-Link技術還可以進行位置測量、目標檢測、流體檢測應用等，測量溫度和壓力，通過Profinet通訊協議，IO-Link主站模塊適用于任何一臺設備，尤其是傳感器較多且相對獨立的單機設備，如液壓站。IO-Link技術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鎖調試，節省了現場接線及調試時間。IO-Link主站模塊不僅有支持Profinet通訊的，還有支持Profibus-DP通訊協議的，實現與原有的Profibus-DP網絡的兼容，非常適用于老舊機組傳感器較多的設備的改造升級，能大大減少現場調試時間，滿足用戶要求。

4 結束語

將IO-Link技術應用于國內某鋼廠重卷機組改造工程拉矯機的設計中，使機組PLC與設備現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，設備能夠迅速而安全地投入運行，降低了設備的調試時間和成本，對于保證整個項目的建設進度起到了關鍵作用，滿足了用戶使用要求，并且降低了維護工作量，提高了設備長期運轉的效率。