翻車機總線控制系統升級改造

楊孟江

（秦皇島港股份有限公司第二港務分公司 河北秦皇島）

一、概述

秦皇島港煤一期1#、2#翻車機系統于2004年完成升級改造，其中電氣控制系統采用Profibus DP與AS-i的兩層總線的結構體系，經多年運行，總線出現了一些問題，比較典型的有：①網關出現配置錯誤，屏幕顯示多種故障代碼；②有時某個網關下的若干總線模塊供電出現故障；③出現總線通信故障不好排查。因為總線是翻車機電控系統的主要信息交換方式，一旦出現問題或者故障無法快速排查，容易導致長時間的停車，嚴重影響生產，必須找到有效、可靠的方法解決上述問題。

二、系統分析

秦皇島港煤一期1#、2#翻車機電氣控制系統在結構上完全一致，均采用施耐德Quantum系列PLC，主要分為分給料器和翻車機兩部分。

給料器控制系統由一個單獨的PLC進行控制，是翻車機電控系統的一個子系統，通過MODBUS PLUSE網絡與翻車機PLC建立通信連接。給料器PLC及翻車機PLC各自帶一個Profibus DP模塊，并下掛AS-i網關，AS-i網關是Profibus DP的子站，又作為AS-i的主站下掛各種輸入輸出模塊、編碼器等AS-i從站設備，其總線構成如下。

1.給料器

給料器的控制點分為入口與出口兩部分，通過AS-i輸入輸出模塊接入，分別下掛在入口網關和出口網關下。兩個網關作為Profibus的子站，建立與PLC的通信連接。

（1）給料器入口。由一個安裝在給料器控制柜內的版本為2.0的網關作為AS-i總線主站，網關下接入口給料器現場檢測用的5只AS-i總線編碼器、輸入模塊、四輸出模塊、四輸入四輸出模塊、二輸入二輸出模塊。

（2）給料器出口。由一個安裝在給料器控制柜內的版本為2.0的網關作為AS-i總線主站，網關下接出口給料器現場檢測用AS-i總編碼器、輸入模塊、四輸入四輸出模。給料器網絡拓撲與器件位置如示意圖1所示。

圖1 給料器改造前總線結構

2.翻車機

翻車機通過1個Profibus DP模塊和翻車機主控制PLC相連。根據現場傳感器的分布情況及與網關的連接方式，又分為翻車機入口地面部分、撥車機部分、翻車機部分、推車機及翻車機出口地面部分。

（1）翻車機入口地面部分。由一個安裝在控制柜內的版本為2.0的網關作為AS-i主站，下接輸入模塊、二輸入二輸出模塊、四輸入四輸出模塊構成。

（2）撥車機部分。由一個安裝在控制柜內版本為2.0的網關作為AS-i主站，下接編碼器、輸入模塊、二輸入二輸出模塊構成。

（3）翻車機部分。由一個安裝在控制柜內版本為2.0的網關作為AS-i主站，下接編碼器、輸入模塊、四輸出模塊構成。

（4）推車機及翻車機出口地面部分。由一個安裝在控制柜內版本為2.0的網關作為AS-i主站，下接編碼器、輸入模塊、四輸入四輸出模塊、二輸入二輸出模塊構成。翻車機部分的網絡拓撲結構與器件位置如示意圖2所示。段網絡上的器件全部報錯的故障，所以較為理想的情況下是少用或者不用中繼器?，F有系統中，AS-i網關數量較少，控制點只分了簡單幾組，過于集中，如果一段網絡癱瘓，將涉及多個控制點，很難縮小故障查找范圍，無法進行快速查找與處理。

（3）部分器件版本過時。翻車機電控系統兩個部分采用2.0的AS-i網關，下接的傳感器、執行器模塊的版本均為2.0，而目前市場上提供的全是3.0版本的器件。3.0網關器件可以向下兼容，但是不能向上兼容，即高版本的網關可以下掛低版本的模塊，高版本的模塊不能連接到低版本的網關上，因此一旦模塊損壞，無法采購到新的備件，有可能因此而影響生產。另外，原系統中的輸入輸出模塊采用傳統的接線方式，每次更換需要拆卸多個接點，既不方便也容易出錯，不利于維護與故障的快速處理。

（4）部分器件老化。一般來說，AS-i通信電纜對現場要求不高，出現問題幾率很小，但是隨著系統的長時間運行，通信電纜或者器件連接頭會出現老化或者接觸不良，容易形成故障隱患，而且一旦出現很難發現，無法確定故障位置，處理起來也無從下手。

圖2 翻車機改造前總線結構

3.系統存在的問題

（1）拓撲結構不足。AS-i總線主要應用在控制器（主站）和傳感器/執行器（從站）之間進行雙向的信息交換，屬于底層的監控網絡系統，如果與Profibus DP總線組網使用，AS-i主站即AS-i網關作為Profibus DP現場總線的從站，直接掛接現場的輸入輸出模塊和AS-i編碼器，可以根據現場設備的位置靈活配置AS-i總線的拓撲結構。目前的翻車機總線控制中，PLC的Pofibus DP網關下直接掛接的AS-i網關都集中在電氣室中，使得這套兩層總線體系中，AS-i占據了95%以上，而Profibus DP總線長度基本忽略不計，整個總線網絡基本上是AS-i網絡，未能體現Profibus DP總線的優勢，失去了利用Profibus DP總線的意義。

（2）網關的過于集中。根據AS-i的使用要求，總線電纜長度應＜100 m，若要延長需增加中繼。通過對器件的了解以及多年的應用經驗，由于現場環境的差異，并不能保證中繼器具有手冊中說明的理想通信效果。實際應用中發現，隨著AS-i電纜長度的增加，故障率會相應增高；另外，中繼器增加意味著在AS-i網絡上的故障環節增加，容易產生因為端頭接觸不良而導致的某

（5）故障信息讀取。根據對現場情況考察，以及對故障處理的過程，發現系統一旦出現故障，現有的信息不能很快確認故障點，處理起來也無從下手，大部分情況是采用更換設備、插拔器件、上電下電啟停的方式進行處理，帶有碰運氣的成分，毫無針對性。即便能暫時處理好了恢復生產，事實上也沒有真正清楚故障發生的原因和位置，如果再次出現，還是無法準確、快速處理。

三、解決辦法及實施方案

1.主要措施

針對總線系統中存在的問題，從完善拓撲結構，優化網絡系統、升級器件等幾個環節進行技術改造與更新，以提高總線網絡通信的穩定性，減少故障發生率。

（1）完善總線拓撲結構。AS-i總線作為底層的傳感器網絡的信息交換系統，而Profibus DP是控制層信息交換網絡，兩種總線屬于不同的網絡層次，只有發揮兩者各自的優點，才能最大效率地保證網絡通信，減少故障率。針對目前總線系統中AS-i總線過長，Profibus DP總線過于簡單的問題，擬采用直接通過Profibus DP總線將AS-i網關級的控制層推到現場的操作箱或者模塊箱中，減少AS-i的傳輸距離。從電氣室到現場模塊箱之間的通信采用Profibus DP總線，這樣既減少了AS-i總線傳輸，又充分利用Profibus DP總線的傳輸抗干擾的優點，提高系統通信可靠性。

（2）優化網絡系統。優化網絡系統主要從增加AS-i網關以及重新分配網關掛接模塊入手。針對應用中，隨著AS-i電纜長度的增加，故障率會增高的問題，考慮到一旦出現故障，最好能快速確定故障點所在位置，擬將系統的輸入輸出點，根據所屬子系統重新細分成多個AS-i網絡段，將同一部分的輸入輸出模塊，掛在一個AS-i網關下，這樣多個AS-i網關分成多個獨立的段，而且各網關相互不影響，不會發生某一個模塊出問題而導致整個AS-i網絡癱瘓的現象，而且發生故障時可以縮小檢修范圍，便于維修維護。另外，增加AS-i網關的數量，相應的減少了每一段的AS-i電纜的長度，減少或者直接取消某些中繼器，使得每一段通信都建立一個較短的網絡段中，大大提高了通信的可靠性。

（3）器件升級。在完善總線拓撲結構、優化網絡系統的前提下，更新部分器件也可以提高通信質量，減少故障發生。

2.方案實施步驟

翻車機電控系統分地面和給料器兩個獨立的部分，根據上述改造升級方案，擬采用的具體步驟如下：控制接線箱。⑥給料器部分網關1。取消給料器現場控制箱中的中繼器，把網關1移至此處，敷設Profibus總線電纜從室內給料器柜至給料器現場控制箱。⑦給料器部分網關2。給料器液壓站模塊和現場控制箱模塊掛在網關2，在給料器現場增加一個網關3，連接出口編碼器。增加一個網關箱1安裝網關3和電源。

給料器與翻車機總線系統改造后的結構體系如圖3、圖4所示。

圖3 給料器改造后總線結構

圖4 翻車機改造后總線結構

（1）網關拓撲結構與網絡系統優化。①地面部分網關1。網關1和電源從室內電氣柜移至夾輪器1、2模塊箱處，現場AS-i總線模塊重新敷設電纜至夾輪器1、2模塊箱，敷設Profibus DP總線電纜從室內電器柜至夾輪器1、2模塊箱。②地面部分網關2。取消撥車機機下控制接線箱處的中繼器，把網關2和電源從室內電氣柜移至此處，敷設Profibus DP總線電纜從室內電器柜至撥車機機下控制接線箱。③地面部分網關3。取消翻車機液壓站、動力站模塊箱處的中繼器，把網關3和電源從室內電氣柜移至此處，敷設Profibus DP總線電纜從網關箱1至翻車機液壓站、動力站模塊箱。④地面部分網關4。取消推車機機下控制接線箱處的中繼器，把網關4和電源從室內電氣柜移至此處，敷設Profibus DP總線電纜從翻車機液壓站、動力站模塊箱至撥車機機下控制接線箱。⑤地面部分網關5。增加一個網關5（在夾輪器3模塊箱處），把原網關4下的夾輪器3機側操作箱、夾輪器3模塊箱和出口轉換機側操作箱中的模塊接到網關5下，敷設Profibus DP總線電纜從推車機機下控制接線箱至撥車機機下

（2）器件升級與更新。根據要求，需要對器件進行更新換代，現系統中的中繼器、直流AS-i電源、輸入模塊底座、輸入/輸出模塊底座沒有最新產品出現，可以暫時不考慮更換，而網關、交流電源、輸入模塊、輸出模塊、輸入/輸出模塊則必須升級。新的模塊采用航空插頭連接方式，舊的網關和電源通過標準導軌固定，新型的網關和電源安裝需要用螺栓固定在控制柜的底板上。

四、小結

升級網關后，由舊網關的31個地址升級為新網關的62個地址，大量的PLC地址出現重合，需要重新分配。項目施工中，大量安裝接線工作可以在前期進行，將需要更換的模塊提前接好線，在現場施工時只需要拆裝端子排一端的連線即可，既方便快捷又能防止出錯。

經改造，該系統運行可靠性大幅度提高，減少了現場總線的故障，同時通過Profibus DP和AS-i總線結合的技術，充分利用兩種總線技術的特點，使系統的安裝和維護變得簡單。