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案例頻道 作者簡(jiǎn)介
谷雨（1982-），男，河北曲陽(yáng)人，中級工程師，學(xué)士學(xué)位，現就職于圖爾克（天津）傳感器有限公司，專(zhuān)注于圖爾克總線(xiàn)產(chǎn)品在新行業(yè)的應用。
1 IO-Link簡(jiǎn)介
IO-Link 是第一種全球通用的標準化I / O 技術(shù)（ I E C61131-9），可實(shí)現從控制系統到自動(dòng)化最低層級的通信。通用的接口采用不依賴(lài)現場(chǎng)總線(xiàn)的點(diǎn)對點(diǎn)連接方式，借助非屏蔽式工業(yè)電纜工作。IO-Link能將所有的傳感器信號傳輸至控制系統，并反過(guò)來(lái)將控制數據轉遞至傳感器/執行器層級，具有劃時(shí)代意義。
IO-Link系統由IO-Link主站、標準的3線(xiàn)傳感器/執行器電纜以及IO-Link設備構成，IO-Link設備通常包括傳感器、執行器或其組合。IO-Link主站能夠具有不同設計，并具有不同的防護等級。
IO-Link已經(jīng)迅速成為一種越來(lái)越受關(guān)注的技術(shù)選擇，為用戶(hù)創(chuàng )造控制器與傳感器間過(guò)程更大的透明度。IO-Link的核心優(yōu)勢是通訊能力。信息的單向傳遞被升級為雙向通訊。它允許訪(fǎng)問(wèn)以前控制器不可訪(fǎng)問(wèn)，或者只能通過(guò)專(zhuān)用系統訪(fǎng)問(wèn)，或者直接在傳感器讀取的參數和數據。這一優(yōu)勢為客戶(hù)帶來(lái)了更低的設備成本，更高效的生產(chǎn)過(guò)程，更高系統的可用性。
1.1 降低設備成本
由于許多傳感器已經(jīng)基于微處理器運行，IO-Link只需要為這些傳感器的通訊創(chuàng )建接口。制造商和客戶(hù)可省去傳感器自己的顯示器和按鈕成本，因為傳感器可通過(guò)IO-Link進(jìn)行配置。用于數字和模擬輸入/輸出或者其他類(lèi)型信號的多個(gè)不同的現場(chǎng)總線(xiàn)模塊可用一個(gè)標準IO-Link模塊替代。這會(huì )降低倉儲成本，并且相比傳統模擬I/O模塊解決方案是一種成本顯著(zhù)降低的解決方案。IO-Link還可降低用戶(hù)連接技術(shù)的成本。標準三芯電纜可替代更昂貴的多芯電纜或者用于模擬輸出的特殊屏蔽電纜。用于數字輸入和輸出的IO-Link信號分配器（也被稱(chēng)為I/O分線(xiàn)盒），即使對于少量I/O模塊也值得實(shí)施。這些信號分配器最多可通過(guò)一個(gè)IO-Link信號打包向控制器發(fā)送16個(gè)開(kāi)關(guān)信號。該能力允許快速方便地將現有數字現場(chǎng)設備連接到一個(gè)IO-Link主站。
1.2 更簡(jiǎn)單的設計
IO-Link還可節省制造商在設計和安裝上投入的時(shí)間和金錢(qián)。當使用傳統多芯電纜和被動(dòng)分配器連接多個(gè)傳感器和執行器時(shí)，用戶(hù)必須仔細規劃并且監控傳感器與電纜的連接關(guān)系。這是一個(gè)不僅耗時(shí)，而且容易出錯的工作步驟。由于IO-Link通過(guò)三芯電纜連接每個(gè)傳感器或者執行器（模擬和數字），從而使文檔和電子設計工作都會(huì )被顯著(zhù)簡(jiǎn)化。
1.3 主動(dòng)維護
IO-Link可以提供的更全面的信息進(jìn)一步允許主動(dòng)維護和資產(chǎn)管理。用戶(hù)可額外訪(fǎng)問(wèn)以前的內部傳感器數據，例如線(xiàn)性或者超聲波傳感器的溫度數據，作為傳感器故障和電纜破損的早期預警系統?？商崆坝媱澆考鼡Q，防止設備本身或者系統由于不可預見(jiàn)的設備故障下線(xiàn)?；蛘?，系統操作人員可以等待一個(gè)裝置在使用期限工作一段時(shí)間并失效后，利用該系統停機時(shí)間進(jìn)行更換，控制器便會(huì )自動(dòng)為新傳感器分配正確的參數設置。并且當由于在某些點(diǎn)的缺陷，必須更換一個(gè)傳感器或者其他裝置時(shí)，該程序可顯著(zhù)降低工作強度，尤其是對于參數化設備。PLC會(huì )存儲所有的參數數據，并且可方便地將數據上傳給新傳感器。該功能在生產(chǎn)更換時(shí)也非常有用，這種情況下傳感器都必須接收用于新生產(chǎn)過(guò)程的新參數。開(kāi)關(guān)閾值、傳感器改進(jìn)、靈敏度和其他參數都可以集中進(jìn)行調整，并且同時(shí)調整全部傳感器，而不是在本地分別調整各個(gè)傳感器。同時(shí)這些過(guò)程都會(huì )被記錄在PLC中。 IO-Link網(wǎng)絡(luò )圖如圖1所示。
圖1 IO-Link網(wǎng)絡(luò )圖
2 IO-Link應用案例——汽車(chē)差速器自動(dòng)組裝線(xiàn)
2.1 行業(yè)背景
汽車(chē)配件加工是構成汽車(chē)配件加工整體的各單元及服務(wù)于汽車(chē)配件加工的產(chǎn)品。隨著(zhù)汽車(chē)配件加工市場(chǎng)競爭的日趨激烈，環(huán)保理念的深入人心，以及技術(shù)的不斷升級和應用，國際汽車(chē)配件加工零部件行業(yè)近年來(lái)呈現出如下發(fā)展特征：
汽車(chē)配件加工系統配套、模塊化供應趨勢方興未艾；
汽車(chē)配件加工采購全球化；
汽車(chē)配件加工產(chǎn)業(yè)轉移速度加快。
2.2 汽車(chē)差速器概念
汽車(chē)差速器能夠使左、右（或前、后）驅動(dòng)輪實(shí)現以不同轉速轉動(dòng)的機構。主要由左右半軸齒輪、兩個(gè)行星齒輪及齒輪架組成。功用是當汽車(chē)轉彎行駛或在不平路面上行駛時(shí)，使左右車(chē)輪以不同轉速滾動(dòng)，即保證兩側驅動(dòng)車(chē)輪作純滾動(dòng)運動(dòng)。差速器是為了調整左右輪的轉速差而裝置的。在四輪驅動(dòng)時(shí)，為了驅動(dòng)四個(gè)車(chē)輪，必須將所有的車(chē)輪連接起來(lái)，如果將四個(gè)車(chē)輪機械連接在一起，汽車(chē)在曲線(xiàn)行駛的時(shí)候就不能以相同的速度旋轉，為了能讓汽車(chē)曲線(xiàn)行駛旋轉速度基本一致性，這時(shí)需要加入中間差速器用以調整前后輪的轉速差。
2.3 客戶(hù)需求
在差速器組裝線(xiàn)上不僅有大量的接近開(kāi)關(guān)檢測氣缸、夾具、差速器組件的到位信號，而且還有氣閥、電磁閥等執行機構來(lái)完成控制系統的命令。由于這些接近開(kāi)關(guān)和電磁閥分布在工作臺的各個(gè)位置，同時(shí)工作臺空間有限，如果采用集中式的控制方式，就會(huì )有大量的線(xiàn)纜穿插在工作臺中進(jìn)入控制柜，不利于調試和后期設備維護。因此客戶(hù)需要一個(gè)節省空間，布線(xiàn)方便同時(shí)成本也要經(jīng)濟合理的方案。同時(shí)需要此系統在傳感器層具有診斷功能。
客戶(hù)在設計初期打算采用傳統的總線(xiàn)控制方式，即耦合器+I/O模塊組成多個(gè)從站來(lái)采集設備信號和發(fā)送控制命令到執行機構，所有信號電纜都進(jìn)入到控制柜內連接端子排進(jìn)入系統從站，這一設計思路在功能性上雖說(shuō)可以完全實(shí)現，也可滿(mǎn)足系統要求，但是客戶(hù)在計算電纜用量以及接線(xiàn)的工作量和后期調試維護方面出現了疑問(wèn)，如果采用以上設計思路，會(huì )有大量的信號電纜纏繞在一起進(jìn)入控制柜，這樣在布線(xiàn)和調試初期的查線(xiàn)工作會(huì )遇到很多麻煩，由于設備上的傳感器、接近開(kāi)關(guān)種類(lèi)以及型號都類(lèi)似，所以對連接傳感器的電纜名稱(chēng)的命名也相近，這樣在施工過(guò)程中不可避免的會(huì )有布線(xiàn)錯誤和信號接錯的情況發(fā)生，這樣的話(huà)，在多股電纜中尋找一根錯線(xiàn)的工作量是無(wú)法想象的，會(huì )浪費很多時(shí)間，因此客戶(hù)推翻了先前的方案進(jìn)而尋求一個(gè)更合理的解決辦法：信號采集、執行模塊就近安裝，模塊再通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)入控制系統，這樣就避免了上述存在的問(wèn)題，會(huì )大大地減少布線(xiàn)，網(wǎng)絡(luò )結構清晰，調試方便。因此圖爾克針對性地推出以下的方案。
2.4 圖爾克IO-Link解決方案
為了方便現場(chǎng)信號采集，減少布線(xiàn)，降低成本，滿(mǎn)足客戶(hù)對系統功能的需求，同時(shí)客戶(hù)采用Siemens的PLC作為控制器，通訊協(xié)議為Profibus -DP，因此我們?yōu)榭蛻?hù)提供的解決方案是：系統從站BL20-GW-DPV1（網(wǎng)關(guān)，IP20）+BL20-E-4IOL（IO-Link主站模塊，IP20）+TBIL-M1-16DXP(IO-Link分線(xiàn)盒，IP67)這種IP20和IP67產(chǎn)品相結合的總線(xiàn)系統解決方案。其中IP20產(chǎn)品安裝在控制柜內，進(jìn)一步節約客戶(hù)成本。IP67產(chǎn)品具有很高的防護等級，安裝在設備上信號采集點(diǎn)附近。
其中網(wǎng)關(guān)和IO-Link模塊在控制柜內組合安裝作為DP網(wǎng)絡(luò )的從站（如圖2所示），而IO-Link分線(xiàn)盒TBIL （IP67模塊）通過(guò)普通三芯電纜與主站模塊（BL20-E-4IOL）進(jìn)行連接，這樣的信號采集方式，避免了上述中的存在的布線(xiàn)問(wèn)題，因為從IOLink主站模塊到分線(xiàn)盒只有幾根三線(xiàn)制電纜，而分線(xiàn)盒則安裝在控制柜外靠近檢測元件位置，檢測元件和執行器的I/O信號則通過(guò)預鑄型電纜就近連接到分線(xiàn)盒（如圖3所示）。這樣，傳感器I/O信號進(jìn)入TBIL模塊再通過(guò)IO-Link通訊協(xié)議傳送到從站直至PLC，采用這種網(wǎng)絡(luò )結構就不再需要大量的布線(xiàn)，避免了在控制柜內安裝大量的端子排，節省空間，結構清晰，故障率低，方便調試，利于檢修維護。
在此方案中，每個(gè)IO-Link主站模塊有4個(gè)IO-Link通道，每個(gè)通道可以連接一個(gè)TBIL分線(xiàn)盒。每個(gè)分線(xiàn)盒有16路數字量信號，也就是說(shuō)每個(gè)IO-Link主站模塊最多可以連接64個(gè)數字量信號。同時(shí)一個(gè)網(wǎng)關(guān)能連接多個(gè)IO-Link主站模塊。這樣的連接方式能最大限度地擴充現場(chǎng)I/O點(diǎn)的數量，而不用再另外增加系統從站，從而能夠極大地優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程并降低成本。統一、簡(jiǎn)單的布線(xiàn)、連續診斷以及通過(guò)控制系統進(jìn)行中央配置，可以實(shí)現全面的控制。
在安裝調試過(guò)程中，由于上述方案最大程度上避免了復雜的接線(xiàn)，使得客戶(hù)在最短的時(shí)間內完成了網(wǎng)絡(luò )的架構及布線(xiàn)，對期間出現的接線(xiàn)錯誤問(wèn)題也都得到了快速的解決，為客戶(hù)的系統調試贏(yíng)得了寶貴的時(shí)間，同時(shí)圖爾克也為客戶(hù)提供了全面的服務(wù)，從硬件方面的模塊的安裝，到軟件方面的硬件配置，再到程序I/O_Link中數據位的含義，都進(jìn)行了針對性的指導。在最短的時(shí)間內協(xié)助客戶(hù)的調試人員掌握了I/O_Link技術(shù)的使用，并使整個(gè)系統調試運行順利。
圖2 網(wǎng)關(guān)和IO-Link模塊在控制柜內組合安裝
圖3 檢測元件和執行器的I/O信號就近連接到分線(xiàn)盒
2.5 IO-Link在此方案中的技術(shù)優(yōu)勢
（1）降低用戶(hù)成本。
（2）統一、簡(jiǎn)單的布線(xiàn)、連續診斷以及通過(guò)控制系統進(jìn)行中央配置，可以實(shí)現全面的控制。
（3）方便的接插件和廉價(jià)的三芯導線(xiàn)提供電源和通訊，無(wú)需復雜布線(xiàn)的多針電纜，自動(dòng)配置傳感器和執行器。
（4）另外，IO-Link模塊可以不受總線(xiàn)協(xié)議的限制與不同的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行組合與控制系統進(jìn)行通訊。
2.6 客戶(hù)評價(jià)
IO-Link系統對客戶(hù)來(lái)說(shuō)也是新技術(shù)，但是他們通過(guò)自己努力掌握了之后，逐漸適應了IO-Link的數據結構，接線(xiàn)方式，對調試人員的專(zhuān)業(yè)技能也是一種提升。在對IO-Link技術(shù)進(jìn)行了更深入的了解之后，客戶(hù)表示：具有IO-Link接口的壓力、溫度傳感器可以直接接入IO-Link主站模塊而不再需要額外的模擬量檢測模塊，同時(shí)又可以在線(xiàn)對傳感器進(jìn)行參數設置，這種方案能更大程度上節約成本，在他們之后的項目中，會(huì )考慮采取類(lèi)似的方案。
客戶(hù)電氣技術(shù)主管說(shuō)：“我們有理由相信，IO-Link通信接口將是新一代智能設備的首選。IO-Link接口的設備能進(jìn)行數字化通信，與控制器交換過(guò)程數據、配置信息和診斷數據。通過(guò)IO-Link接口交流的信息也將一路透明，直到現場(chǎng)設備，僅僅使用標準的3芯非屏蔽電纜可實(shí)現數據傳輸，有效地節約了成本”。
3 總結
圖爾克提供世界上最廣泛的IO-Link產(chǎn)品組合之一，從眾多傳感器、電纜、電感式傳感器和I/O分線(xiàn)器，一直到可編程現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)解決方案。圖爾克的客戶(hù)不僅可從IO-Link全面的產(chǎn)品組合以及公司在汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化領(lǐng)域的多年經(jīng)驗中獲益，而且還可獲得多個(gè)專(zhuān)用傳感器和用于該領(lǐng)域的現場(chǎng)總線(xiàn)解決方案。通過(guò)圖爾克的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一款可在單個(gè)設備中結合三種全球以太網(wǎng)協(xié)議（Profinet 、Ethernet/IP和Modbus TCP）的技術(shù)，并且提供IP20和IP67的防護等級，作為模塊化系統以及緊湊型I/O模塊。由于大多數公司只關(guān)注自動(dòng)化金字塔的橫向水平，即傳感器側與主機側。而圖爾克IOLink產(chǎn)品組合的特點(diǎn)在于其垂直范圍。圖爾克是能夠提供從主機到傳感器的完整IO-Link系統的少數幾個(gè)制造商之一，并且防護等級普遍達到IP67。在主機方面（如圖4），圖爾克提供模塊化現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)IO系統BL20和BL67，配備用于IO-Link的主機模塊。
可完成被動(dòng)分配器工作的I/O分線(xiàn)盒會(huì )在自動(dòng)化金字塔中替代它們位于現場(chǎng)總線(xiàn)和連接技術(shù)之間的位置。圖爾克作為連接專(zhuān)家，還提供傳統的三芯電纜解決方案，以及用于模擬信號的電纜，或者現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)連接。圖爾克傳感器組合包含多種帶有IO-Link接口的型號，例如計量傳感器（壓力、流量或者溫度）。
圖4 圖爾克IO-Link技術(shù)示意圖
摘自《自動(dòng)化博覽》2015年11月增刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號