基于現(xiàn)場(chǎng)總線的散貨碼頭變頻控制系統(tǒng)

潘俊峰，李江寧（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088）

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的散貨碼頭變頻控制系統(tǒng)

潘俊峰，李江寧（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088）

本文介紹了ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)在防城港20-22#泊位中央控制系統(tǒng)的應(yīng)用。描述了變頻控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制方案，并對(duì)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)做了重點(diǎn)研究，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

ContolNet；工業(yè)以太網(wǎng)；PLC；變頻控制系統(tǒng)；散貨碼頭

1　引言

防城港20~22#泊位為散貨專業(yè)碼頭，輸送物料主要為煤炭兼鐵礦。防城港20~22#泊位主要工藝設(shè)備有皮帶輸送機(jī)、輸送輔助設(shè)備、卸船機(jī)、裝船機(jī)、斗輪堆取料機(jī)、裝車樓等。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，三個(gè)泊位皮帶輸送機(jī)機(jī)均為變頻驅(qū)動(dòng)。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)本工程工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)及ControlNet總線的優(yōu)勢(shì)，按照國(guó)際自動(dòng)化技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，本著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)擴(kuò)展方便、操作安全可靠、易于管理和維護(hù)等原則，設(shè)計(jì)成一個(gè)由計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等組成的多級(jí)、開(kāi)放式集散型數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控管理系統(tǒng)。

防城港20~22#泊位中央控制系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最上層為管理信息層，采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，傳輸層基于TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議，主要連接工程師站、操作員站以及監(jiān)控服務(wù)器，來(lái)實(shí)現(xiàn)與PLC的通信和數(shù)據(jù)交換、對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可用于企業(yè)信息網(wǎng)。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

控制層采用工業(yè)以太網(wǎng)和ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線兩種方式。工業(yè)以太網(wǎng)負(fù)責(zé)PLC與5臺(tái)斗輪機(jī)、4臺(tái)卸船機(jī)、2臺(tái)裝船機(jī)、裝車樓以及污水站的通訊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)交換、信息共享等。ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線用來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與遠(yuǎn)程I/O模塊、變頻器、皮帶秤等設(shè)備的通訊。對(duì)于距離較短的遠(yuǎn)程站，主站與遠(yuǎn)程站之間采用同軸電纜作為通訊介質(zhì)；為了保證通訊的可靠性，對(duì)于距離較長(zhǎng)的遠(yuǎn)程站，主站與遠(yuǎn)程站采用光纖作為通訊介質(zhì)，通過(guò)光纖中繼器和光端機(jī)來(lái)完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)主從通訊。遠(yuǎn)程站內(nèi)PLC與變頻器，以及各個(gè)變頻器之間采用同軸電纜連接起來(lái)。ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。件組態(tài)后才能建立ControlNet通訊。

圖2　現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)圖

變頻器有兩種控制方式：本地控制和遠(yuǎn)程控制。通過(guò)變頻柜前面板的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇控制方式。“本地”控制方式時(shí)，通過(guò)變頻柜面板的啟/停按鈕來(lái)啟動(dòng)或停止皮帶機(jī)，此方式只滿足本機(jī)基本的保護(hù)需求（如拉線保護(hù)），無(wú)法與上下游設(shè)備建立聯(lián)鎖關(guān)系。遠(yuǎn)程控制方式為主要控制方式。遠(yuǎn)程控制方式下，PLC通過(guò)與變頻器的通訊來(lái)控制變頻器的啟/停以及讀取變頻器的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)信息。

變頻器硬件控制回路包括DI和DO兩部分。DI包括啟/停信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)以及宏切換。啟/停信號(hào)用來(lái)啟動(dòng)、停止變頻器。故障復(fù)位信號(hào)用于當(dāng)變頻器發(fā)生可復(fù)位的故障時(shí)，對(duì)故障進(jìn)行復(fù)位。宏切換用來(lái)切換變頻器的控制地，選擇變頻器由本地操作或遠(yuǎn)程操作。DO用來(lái)向PLC輸出變頻器運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)。控制回路如圖3所示。

3　系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)

3.1PLC系統(tǒng)

本工程選用Rockwell公司的ControlLogix L72系列PLC實(shí)現(xiàn)中控系統(tǒng)控制功能。系統(tǒng)中PLC主站1套（包括本地站）和I/O站6套。PLC本地站設(shè)在22A變電站電氣室內(nèi)，主機(jī)為雙CPU熱備冗余。其余6個(gè)電氣室內(nèi)各設(shè)有遠(yuǎn)程I/O站。通過(guò)主從通訊采集設(shè)備狀態(tài)，控制設(shè)備啟停，實(shí)現(xiàn)工藝流程高效運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物料快捷準(zhǔn)確輸送。

3.2變頻系統(tǒng)

本系統(tǒng)變頻器用來(lái)驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)，變頻器選用ABB公司ACS800系列。ACS800變頻器選配RCNA-01 ControlNet適配器配件，通過(guò)該適配器實(shí)現(xiàn)PLC與ACS800變頻器之間的ControlNet通訊。變頻器、適配器和PLC通過(guò)RsnetWorks for ControlNet配置軟

圖3　PLC硬件控制圖

3.3上位軟件

本系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件選用美國(guó)GE公司的Cimplicity HMI軟件。上位監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的操作中樞，負(fù)責(zé)與PLC的通訊和發(fā)出所有的控制指令。本系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面友好，能夠清楚地顯示各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息。操作方便，便于操作員準(zhǔn)確地發(fā)出控制指令。軟件系統(tǒng)主要有以下功能：

單機(jī)設(shè)備的啟停控制；

流程的選擇、啟動(dòng)、停止；

流程的切換；

全變頻控制方式的選擇、切換；

輸送設(shè)備狀態(tài)信息的顯示；

報(bào)警信息的顯示、處理；

污水處理系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和控制；

堆場(chǎng)噴灑水的控制和狀態(tài)顯示。

監(jiān)控系統(tǒng)主畫(huà)面如圖4所示。

圖4　上位監(jiān)控系統(tǒng)主畫(huà)面

4　系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

為保證控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，建立了高效的冗余控制系統(tǒng)，冗余系統(tǒng)包括三個(gè)方面：建立雙總線冗余控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；建立雙PLC的冗余控制系統(tǒng)；建立冗余的上位監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1雙總線冗余控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用ControlNet冗余控制網(wǎng)絡(luò)與變頻器及遠(yuǎn)程站進(jìn)行通訊，系統(tǒng)ControlNet主站接口模塊為1756-CN2R，為增強(qiáng)型的ControlNet接口模塊，從站接口模塊為1756-CNBR。所有模塊都有2個(gè)獨(dú)立的ControlNet通道A和B，可連接2個(gè)獨(dú)立的鏈路，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)冗余，也可實(shí)現(xiàn)處理器模塊的冗余。在通信和控制時(shí)，兩個(gè)冗余鏈路同時(shí)工作，當(dāng)A鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，B鏈路仍起通信和控制作用，可有效地防止一條通訊介質(zhì)斷掉造成整個(gè)控制系統(tǒng)的癱瘓。

4.2雙PLC冗余控制系統(tǒng)

ControlLogix冗余系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由兩個(gè)完全一樣的控制器機(jī)架組成，每個(gè)ControlLogix冗余系統(tǒng)機(jī)架中包含控制器模塊、CN2R通信模塊和SRM冗余模塊，其產(chǎn)品系列、固件版本、節(jié)點(diǎn)地址以及各模塊所在槽號(hào)完全一致。兩個(gè)控制器框架之間，依靠系統(tǒng)冗余模塊SRM來(lái)完成數(shù)據(jù)同步與交換。進(jìn)入同步狀態(tài)的主控制器，自動(dòng)傳送備份數(shù)據(jù)到從控制器，這些數(shù)據(jù)無(wú)須挑選和編程，只要在主控制器中被程序運(yùn)行刷新過(guò)的數(shù)據(jù)，都會(huì)通過(guò)交叉裝載傳送到從控制器。控制器通過(guò)與SRM的連接，確定自己是主控制器還是從控制器，從而決定是傳送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)。兩個(gè)控制器的同步運(yùn)行使得輸出得到無(wú)擾切換。

ControlLogix冗余中，當(dāng)出現(xiàn)主控制器所在框架掉電、拔插主機(jī)框架上的任何模塊、控制器程序發(fā)生主要故障、斷開(kāi)CNBR模塊上的ControlNet分接器或電纜等情況，或者收到來(lái)自主控制器中用MSG發(fā)送的命令、來(lái)自Rslinx中SRM模塊組態(tài)頁(yè)面操作的命令都會(huì)發(fā)生無(wú)擾冗余切換。PLC冗余可有效防止一臺(tái)PLC出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。PLC雙冗余結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　PLC冗余結(jié)構(gòu)圖

4.3冗余的上位監(jiān)控系統(tǒng)

上位監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的操作中樞，所有的控制指令都由上位監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出，因此必須保證上位監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定。冗余的上位監(jiān)控系統(tǒng)由兩臺(tái)監(jiān)控主機(jī)組成，兩臺(tái)主機(jī)互為熱備。兩臺(tái)主機(jī)同時(shí)工作，當(dāng)其中一臺(tái)出現(xiàn)故障，另外一臺(tái)實(shí)時(shí)投入運(yùn)行，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，增加系統(tǒng)的可靠性。

5　結(jié)論

系統(tǒng)建成以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。由于全部皮帶機(jī)均采用變頻驅(qū)動(dòng)，有效地降低了碼頭的單位能耗和企業(yè)的生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著，極大地提高了碼頭的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 梁克. 大型港口皮帶機(jī)輸送管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化應(yīng)用, 2015 (3) : 13 - 14.

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[3] 陳忠華. 可編程序控制器與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

The Variable Frequency Control System Based on Fieldbus for Bulk Terminal

This paper introduces application of ControlNet Fieldbus and Industrial Ethernet in the central control system of 20~22# berths at Fangcheng Port, and describes the network structure and control scheme of variable frequency control system. The reliability of the system was mainly studied, which greatly improves the stability of the system.

ControlNet; Industrial Ethernet; PLC; Variable frequency control system; Bulk terminal

B 文章編號(hào)：1003-0492（2016）06-0110-03 中圖分類號(hào)：TP273

潘俊峰（1984-），男，河南洛陽(yáng)人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，主要研究方向?yàn)榇a頭自動(dòng)化。

李江寧（1991-），男，北京人，工程師，本科，現(xiàn)就職于交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，主要研究方向?yàn)榇a頭自動(dòng)化。