IO-Link技术在板带精整机组中的应用

靳恩辉，马兰松，吕阳阳，金建飞，刘志成

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018；2.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇岛 066000)

0 前言

随着工业信息技术的不断发展，钢厂对设备的自动化要求不断提升，越来越多的检测传感器和执行器应用在带钢精整设备上，从而提高设备运行的自动化水平和可靠性，现场传感器、执行器与PLC控制器之间的连接通信变得尤为关键。

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，且较多的传感器也易造成现场布线凌乱，设备调试时间受接线正确率的影响很大。而使用了支持IO-Link通信协议的测量仪表或传感器，只需将现场设备直接替换，设备会自动下载相应的参数，无需重新对设备进行调试。当用户需要修改参数时，也只需要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技术消除了传感器和执行器上的瓶颈，标准的3芯非屏蔽电缆代替了复杂的接口，使得数字量的点对点连接具有对话能力，并给整个处理级赋予了一致的参数化和诊断概念。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，是实现底层设备的数字化数据传输，自动化、智能化水平的提升的技术保障，做到了降低通信成本，优化现场布线。

将IO-Link技术应用于带钢精整设备中，采用基于IO-Link通信协议的输入模块采集传感器信号，输出模块对执行器输出信号，IO-Link主站模块再通过Profinet总线连接到机组PLC控制器，连接十分简单，不需要配置，即插即用，不仅可以确保顺利安装，还能保证布线简单方便、综合诊断、集中式设置，降低了现场的接线工作量和出错率，提高了调试效率。

1 IO-Link技术

IO-Link技术是一种独立于现场总线的通信接口，可以实现传感器与执行器的混合运行。一般来说IO-Link系统由许多IO-Link设备、传感器、执行器或者其组合通过标准3线制电缆连接到IO-Link设备上组成。在高度自动化的工厂场景中，IO-Link的优势已被证明非常有用。在工业4.0的背景下，IO-Link变得十分关键，通过双向通信，现场设备除了提供纯粹的工艺数据如距离值或信号状态外，还能够“按需”提供设备数据和状态信息，可以很方便地实施预测性维护。IO-Link的优点还在于数据传输不易受干扰，可以充分发挥传感器的性能。

IO-Link是一种用于自动化技术的开放式标准串行通信协议，允许支持IO-Link通信协议的传感器、设备进行双向通信，赋予底层设备更多的智能，并连接到主站。IO-Link主站模块可以通过各种网络，如Profinet进行传输。每个支持IO-Link通信协议的传感器都有一个设备描述文件(IODD)，存储了系统集成的各种信息，不同厂家的传感器的IODD文件结构都是相同的，因此通过IODD文件可以实现不同品牌的IO-Link模块和传感器的兼容。因为IO-Link通信协议是一个开放的标准，所以设备可以集成到几乎任何现场总线或自动化系统中。因此，它的出现不是与当前主流的工业现场总线、工业以太网竞争，而是弥补当前工业现场的不足。

2 IO-Link技术用于精整机组拉矫机自动控制

2.1 拉矫机自动控制发展现状

拉矫机是板带精整机组中非常关键的单机设备，用于对带钢进行连续拉伸弯曲矫直，以消除带钢边浪、中浪瓢曲等板形缺陷，改善带材平直度。

拉矫机本体由出、入口压辊、两弯两矫的四个单元辊系、上辊系辊座吊挂装置、下辊座压上装置、辊缝调整机构、辊盒锁紧机构、机架等组成。拉矫机入、出口压辊位于拉矫机的两侧，由气缸驱动升降，换辊时压辊落下，此时钢辊下表面低于机组作业线，此时辊系可进出而不剐蹭带钢；其余工况(拉矫机投入、拉矫机不投入)时压辊升起，此时压辊下表面高于机组作业线，钢辊不与带钢接触。换辊小车位于拉矫机操作侧，可以在垂直于机组中心线方向的导轨上水平运动。用于将拉矫机上辊座或下辊座沿导轨拉出、推进，更换辊盒。

拉矫机的每套辊系的上、下辊系及入、出口压辊、换辊小车都有单独的动作，在传统的精整机组中，拉矫机上往往仅设置涉及设备安全及辊系投入情况的检测传感器，焊缝经过拉矫机时辊系可以自动避让。拉矫机的自动换辊功能还没有实现，而由于拉矫机辊系需定期清理和更换，换辊需要人工手动操作，多人配合完成。

2.2 IO-Link技术拉矫机自动控制中的应用

伴随越来越多的钢厂向“黑灯工厂”发展，一条重卷机组仅配置两名操作人员，这就要求拉矫机不仅能在正常工作时自动投入和退出，而且要实现换辊功能的自动化，以节省检修是的人力和时间。

为了实现自动换辊并保证拉矫机工作及换辊时的安全联锁，在HMI画面上实时了解拉矫机的工作状态，需设置相应的接近开关或光电开关来检测每套辊系、压辊及换辊小车的位置。因此，拉矫机共需安装32个接近开关、8个行程开关和4个光电开关作为输入信号，另外还有6个气动电磁阀和1个液压电磁阀需输出控制信号。按照传统的设计方法，拉矫机上需设置几个中间端子箱来连接远程IO电气柜和现场传感器和电磁阀，需敷设多根多芯电缆，存在中间端子多、接线工作量大、调试耗时时间长、故障不易诊断等问题。因此，中国重型机械研究院将IO-Link技术应用在了拉矫机的设计中。在拉矫机上设置一个IO-Link主站模块，与机组PLC通过Profinet总线的方式通信，由机组提供一路24V直流电源。主站模块分别连接1个输出模块和4个输入模块，输入模块和输出模块又称为子站模块。输出模块安装在拉矫机的中部，连接各上辊系、入口压辊、出口压辊、辊盒锁紧机构的电磁换向阀从而执行PLC的输出信号指令。4个输入模块分别安装在拉矫机的入口、中部、出口及换辊小车用于连接设备各个部位的检测元件，将各传感器的状态传输至机组PLC。拉矫机的电气接线如图1所示。

图1 拉矫机电气接线图

由于输出模块的输出端电压供给与IO-Link主站电气绝缘，且左侧和右侧的电压供给在装置中相互电气绝缘，因此24 V直流电源需分一路给输出模块单独供电，并且需将电源插座的1和4插脚短接、2和3插脚短接。由于电磁换向阀均为双电磁铁控制，因此每个输出模块每个端口的插脚3GND需与电磁阀的两个阀头的负极连接，插脚2和4分别控制两个阀头信号输出。IO-Link主站与子站模块之间以及子站模块与传感器、电磁阀之间的连接电缆均采用3芯非屏蔽电缆即可。

IO-Link模块主站的所有参数、处理数据及其有效值范围均定义在GSD文件中，安装GSD文件后，可以将主站加入到机组的Profinet网络中。主站模块、输出模块、输入模块将出现在如图2所示的硬件目录中。

图2 主站模块的硬件目录

根据拉矫机设计，IO-Link模块主站的Port1、Port2、Port4空闲，Port3连接输出模块，Port5～8连接输入模块。根据输入输出模块的型号的点数，来确定具体组态时的字节长度，本设计所选输出模块有十组输出端口，最多可以接20个数字量输出。输入模块有八组输入端口，最多可以连接16个数字量输入信号。查询IO-Link模块的技术手册，输出模块的组态字节长度为8个字节长度，输入模块的组态字节长度为4个字节长度。该拉矫机数字量输出组态的起始地址为M=4，所以输出模块每个端口插脚所对应地址的确认如表1所示。

表1 输出模块地址分配表

该拉矫机共有4个输入模块，以主站模块的Port5所连接的输入模块为例，数字量输入组态的起始地址为M=5，所以该输出模块每个端口插脚所对应地址的确认如表2所示。

表2 输入模块地址分配表

其输入模块的地址确认方法和Port5的方法一直，只要在组态中确认了起始地址，其余的地址都会确认。现场调试时，只需将各个输入点和输出点的地址写入到拉矫机的自动控制程序中，便可快速进行拉矫机自动功能的测试。

2.3 拉矫机使用IO-Link技术的优点

采用此方案后，拉矫机在设备制造厂出厂前，可以对所有的传感器进行模拟测试。设备在现场安装完成后，不再需要敷设多芯电缆，只需完成IO-Link主站模块24 V直流电源和Profinet网线的接线即可，极大地缩短了现场调试时间，提高了工作效率，减少了问题出现的概率和故障排除时间，降低了维护难度，设备防护等级高，提高了设备长期运转效率。

3 IO-Link技术在精整机组的其它应用

IO-Link技术还可以进行位置测量、目标检测、流体检测应用等，测量温度和压力，通过Profinet通讯协议，IO-Link主站模块适用于任何一台设备，尤其是传感器较多且相对独立的单机设备，如液压站。IO-Link技术不仅使容易出错的模拟输入端成为多余，还减少了布线、检测和硬件所需费用。通过即插即用低成本的非屏蔽三芯线缆，液压站可以在出厂前完成所有传感器的标定及安全联锁调试，节省了现场接线及调试时间。IO-Link主站模块不仅有支持Profinet通讯的，还有支持Profibus-DP通讯协议的，实现与原有的Profibus-DP网络的兼容，非常适用于老旧机组传感器较多的设备的改造升级，能大大减少现场调试时间，满足用户要求。

4 结束语

将IO-Link技术应用于国内某钢厂重卷机组改造工程拉矫机的设计中，使机组PLC与设备现场传感器和电磁阀之间的连接变得简单并且有层次，不再需要敷设多芯电缆及中间端子箱，减少了布线、检测和硬件所需费用，通过即插即用的低成本非屏蔽电缆，设备能够迅速而安全地投入运行，降低了设备的调试时间和成本，对于保证整个项目的建设进度起到了关键作用，满足了用户使用要求，并且降低了维护工作量，提高了设备长期运转的效率。