IO-Link在卷烟机械设备中的设计与实现
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摘要：针对卷烟机械设备的智能化改造，为提升设备的生产效率和可靠性，采用基于IO-Link的新型条型光栅传感器实现对烟丝堆料槽的监控。对比现有的光栅监测传感器，结果表明，新型条型光栅传感器更加安全可靠，调试更加简单。使用后堆料槽烟丝高度波动更加稳定，报堵塞停机次数更少，整机运行效率更高。
关键词：IO-Link;卷烟机;光栅传感器
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：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
随着信息技术的不断发展，工厂设备的自动化程度不断提升，国产卷烟机械设备也在不断地吸收新技术进行智能化改造，从而提高设备的生产效率和可靠性。在传统的自动控制系统中，现场的测量仪表或者传感器遇到故障或者需要修改参数时，通常需要工程师到现场对设备进行维护或设定。而使用了带有IO-Link技术的设备，只需要将现场设备直接替换，设备会自动下载相应的参数，无须重新对设备进行调试。当用户需要修改参数时，也只需在应用层将参数设定好，系统会按照IO-Link协议规范，将参数自动下载到设备中。IO-Link技术消除了传感器与执行器上的瓶颈，使得数字量的点对点连接具有对话能力，它用标准的3线制电缆代替了复杂的接口，并给整个处理级赋予了一致的参数化和诊断概念 [1] 。IO-Link技术作为一种将执行器或传感器集成于自动化系统中的低成本的通信解决方案，其目的是把与现场的最后一米连接做得透明度更高，通信性能更强[2]。
本文将IO-Link技术应用于卷烟机械设备中，采用基于IO-Link的新型条型光栅传感器实现对烟丝堆料槽的监控，降低了设备的调试和售后成本，加强了对陡角提丝带电机转速的控制，保证堆料槽内的烟丝供应更加均匀，提高了整机运行效率。
1 IO-Link技术概述
IO-Link技术是一种独立于现场总线的通信接口，它可以实现传统传感器与智能传感器的混合运行 [3] 。一般来说IO-Link系统由许多IO-Link设备、传感器、执行器或者它们的组合通过标准3线制传感器/执行器电缆连接到IO-Link主站设备上组成，主站可以是一个具有不同设计和不同保护等级的设备。
IO-Link设备初始默认为标准I/O模式启动，主站端口可以进行组态，端口配置成标准I/O模式时，将作为常规的数字量输入输出端口使用;如果配置成通信模式时，主站件将检测端口所连接的IO-Link設备[4]。IO-Link通讯模式与标准I/O口模式如图1所示。
IO-Link不是一种单独的工业网络，而是一种简单的协议，它进行交换的有三种数据类型：周期性数据（也称为过程数据）、非周期数据或者服务性数据、事件型数据。IO-Link设备协议栈已经完整的封装好，并提供了良好的用户应用接口程序。具有IO-Link技术的设备开发可以调用IO-Link协议栈来完成，通过对协议栈的参数配置和任务调度来进行IO-Link数据传输。
2 烟丝堆料槽监控
卷烟机械设备中堆料槽的烟丝料位由料位控制器来进行监控，它由很多个光栅监测光电开关组成，分成三组，分布在堆料槽的宽度上，持续地监控装料高度及堆料槽中的可能形成的烟丝堵塞和清空，来控制陡角提丝带电机的转速或者直接报警停机，以保持装料高度的恒定，在发生偏差时相应修正烟丝供料[5]。料位控制器如图2所示。
3 现有光栅监测传感器
现在大部分卷烟机械设备中光栅监测传感器由 15 个光栅监测光电开关（俗称光斑）组成，每五个一组，其工作原理为反射式光电开关。每个光斑由发送器、接受器和控制灯组成。发送器发射光线到对面的镜子上，没有被烟丝切断的光线被反射回接受器， 所属的控制灯将显示未被遮住的光栅。每两个光斑之间的距离为50MM。光栅监测传感器如图3所示。
每组光栅上的光斑传感器还得由工程师进行安装前的信号调试。在加有24V电源，并保证传感器与烟丝一定距离的前提下，调节传感器上的旋钮，使的无烟丝时信号为7±0.2V，有烟丝时信号小于2V，并借用示波器模拟电压输出辅助调试。无烟丝时信号如图4所示。
由于光栅监测传感器元器件裸露，没有外壳保护，现场安装调试时，还得注意传感器与堆料槽墙板之间的间隙，防止接短路损坏传感器。
4 新型条型光栅传感器 新型条型光栅传感器基于IO-Link技术，由发射端和接收端组成。每条光栅有15个光斑，15个光的状态对应着15个位（0或1），当发射端发出的光线被物体遮挡而没有被接收端接收时，该光斑对应的位的状态为1。选择IO-Link输出时，条型光栅内部以140ms为周期，周期性扫描这15个光斑的状态，在主IO-Link端以两个字节存放这15个位的状态。“高速扫描”的特性缩短了运算时间，使得其响应时间提高为原来的3倍[6]。每两个光斑之间的距离为10MM，其料位监测分辨率为现有光栅监测传感器的5倍。并且其整体体积更小，在同等尺寸下可以容纳更多的光斑，原来的三组光栅可以容纳三根条型光栅，共包括45个光斑，其测量精度明显提升。新型条型光栅接线如图5所示。
根据某卷烟厂现场反馈和烟丝堵塞停机次数的统计数据来看，采用新型条型光栅的某119设备，相较于老式的某116设备，堆料槽烟丝高度波动更加稳定，报堵塞停机次数更少，整机运行效率更高。
新型条型光栅整体密封，有坚固的铝外壳，防护等级高达IP67，并且具有高电磁兼容性，适应更加严苛的环境。其初始信号调试只需通过软件SOAPS进行配置，并且具有复制功能，无须现场单独调试，降低了设备的调试和售后成本。
5 结束语
本文将IO-Link技术应用于卷烟机械设备中，采用基于IO-Link的新型条型光栅传感器实现对烟丝堆料槽的监控。结果表明新型条型光栅传感器保证堆料槽内的烟丝供应更加均匀，烟丝堵塞停机次数更少，机器运行效率更高，降低了设备的调试和售后成本。
参考文献：
[1] IO-Link可实现更高的生产率和系統性能——巴鲁夫在MOTEK2006展会上推出新的通讯标准[J]. 世界制造技术与装备市场， 2007（2）.
[2] IO-Link有助于车床制造商提高生产率[J].现代制造， 2008（48）.
[3] 任晓明. FA&PA新力量——PROFIBUS和PROFINET最新技术新闻发布会[J]. 机电产品市场， 2006（10）.
[4] 高朝中.自动化博览[B]. IO-Link技术及实现方法，2011（10）.
[5] 常德烟草机械有限责任公司. 操作说明书ZJ116[Z].2010.
[6] 西克公司.MLG-2-自动化测量光栅[Z].2014.
【通联编辑：梁书】
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