ControlLogix 控制系統(tǒng)在焙燒多功能天車上的應(yīng)用

李亞軍

（陜西美鑫陽極分公司，陜西銅川 727100）

0 引言

焙燒多功能天車承擔(dān)著鋁電解用炭塊陽極焙燒工序中炭塊輸送、裝爐、出爐、吸料、布填充料和移爐等作業(yè)，是陽極焙燒生產(chǎn)線上主要設(shè)備，其工作的可靠性對(duì)焙燒生產(chǎn)效率影響很大（圖1）。法國ECL 公司焙燒多功能天車的控制系統(tǒng)，其電氣控制采用AB 公司ControlLogix 控制系統(tǒng)，采用PLC、HMI（人機(jī)界面）、變頻器、軟啟動(dòng)器等裝置進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)天車行走傳動(dòng)單元、陽極提升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)單元、吸卸料傳動(dòng)單元、除塵冷卻系統(tǒng)以及安全連鎖保護(hù)等功能。

圖1 陽極焙燒多功能天車機(jī)組

1 ControlLogix 控制系統(tǒng)的組成及優(yōu)點(diǎn)

（1）控制系統(tǒng)的組成。ControlLogix 控制系統(tǒng)一般由處理器、I/O 模塊及ControlNet 網(wǎng)絡(luò)、Flex I/O 等組成，適合于多種場合應(yīng)用，控制系統(tǒng)除具有數(shù)字量、模擬量等基本信號(hào)處理模塊，還有各種網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、專門的運(yùn)動(dòng)伺服控制模塊及相應(yīng)的全套運(yùn)動(dòng)控制指令，為工業(yè)控制提供了非常靈活的控制方案。

（2）強(qiáng)大的控制器功能及控制方式。ControlLogix 控制系統(tǒng)可以執(zhí)行多個(gè)控制任務(wù)，減少了系統(tǒng)對(duì)控制器的數(shù)量要求，多個(gè)周期性的任務(wù)可以在不同時(shí)刻觸發(fā)，完成復(fù)雜的控制任務(wù)。

（3）高效的背板總線控制方式。ControlLogix 控制系統(tǒng)的高性能在一定程度上歸功于其背板采用非常快捷的NetLinx 網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，控制器不再作為控制系統(tǒng)的核心，在NetLinx網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)下，無需控制器的介入，模板上所連接的任何一個(gè)設(shè)備都可以發(fā)出廣播信息，可以和任何一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，提高系統(tǒng)的帶寬和性能，減少了控制器資源的占用率，使得控制器可以更加高效地處理其他事務(wù)。

2 焙燒多功能天車控制系統(tǒng)硬件組成及網(wǎng)絡(luò)特性分析

2.1 ControlLogix 控制系統(tǒng)硬件組成及功能

焙燒多功能天車控制系統(tǒng)的1756-L55M12 處理器采用高速總線技術(shù)的背板機(jī)架作為各個(gè)模塊和控制器之間的數(shù)據(jù)交換，其控制系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示：位于機(jī)架上的處理器模塊1756-L55M12 是整個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部件；位于機(jī)架上的數(shù)字量輸入模塊1756-IB32 用于接受DC 24 V 的數(shù)字量輸入信號(hào)，多功能天車的大部分機(jī)構(gòu)限位和設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)點(diǎn)（包括電氣機(jī)構(gòu)）均通過這些輸入點(diǎn)傳遞給控制系統(tǒng)。位于機(jī)架上的數(shù)字量輸出模塊1756-OB32 是將各個(gè)執(zhí)行指令驅(qū)動(dòng)輸出到執(zhí)行部件的輸出單元；位于機(jī)架上的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊1756-CNB，用于控制系統(tǒng)與全車其他各個(gè)傳動(dòng)單元、人機(jī)界面、Flex I/O 模塊間的相互通信，它是整個(gè)ControlNet 網(wǎng)絡(luò)的組成部分，是實(shí)現(xiàn)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（傳動(dòng)單元）、操作指令之間數(shù)據(jù)交換的核心部件。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.2 控制系統(tǒng)分析

從以上控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，控制系統(tǒng)的處理器單元是該控制系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)按預(yù)先設(shè)計(jì)程序進(jìn)行運(yùn)算后并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于采用ControlNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過處理器單元處理過的執(zhí)行指令有一部分經(jīng)過NetLinx背板總線經(jīng)由控制系統(tǒng)的1756-CNB 網(wǎng)絡(luò)通信模塊將執(zhí)行指令由ControlNet 主干網(wǎng)絡(luò)傳送至各個(gè)傳動(dòng)單元。另一部分通過輸出模塊來傳遞給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（設(shè)備）。位于駕駛室的Flex I/O模塊系統(tǒng)，主要用于采集各個(gè)操作指令，對(duì)于大小車運(yùn)行及陽極雙聯(lián)夾具運(yùn)行速度等傳動(dòng)單元的速度控制采用滑阻器式無級(jí)調(diào)速，通過主令控制器將操作指令轉(zhuǎn)化為0～10 V 模擬量電壓信號(hào)，并通過模擬量輸入模塊1794-IE8 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，通過Flex I/O 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)適配器模塊1794-ACN15 與Control-Net 網(wǎng)絡(luò)相連，這樣位于變頻器側(cè)的網(wǎng)絡(luò)適配器會(huì)讀取到該數(shù)據(jù)，從而執(zhí)行相應(yīng)的輸出頻率。人機(jī)界面2711-T10C15 作為該天車的信息顯示、交互平臺(tái)，能全面直觀地顯示全車各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)和檢測(cè)限位狀態(tài)，也可通過操作觸摸屏界面執(zhí)行相應(yīng)的操作命令。

2.3 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)特性分析

位于控制系統(tǒng)機(jī)架上的網(wǎng)絡(luò)通信模塊1756-CNB 與各個(gè)傳動(dòng)單元的網(wǎng)絡(luò)適配器模塊1203-CN1、位于駕駛室的Flex I/O 單元的網(wǎng)絡(luò)適配器模塊1794-ACN15 及人機(jī)交互界面2711-T10C15 一起構(gòu)成ControlNet 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。FTA（Furnace Tending Anode Machine，炭素陽極焙燒設(shè)備）的ControlNet 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖3 所示。根據(jù)ControlNet 網(wǎng)絡(luò)特性，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊允許網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的適配器模塊在同一時(shí)間來讀取位于存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包括的數(shù)據(jù)可能是某個(gè)節(jié)點(diǎn)適配器所需要的，也可能不是它所需要的，如果需要就傳送給執(zhí)行設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行命令，如果不需要就在下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)脈沖周期將其刷新，這樣就保證了網(wǎng)絡(luò)的同步性和確定性，而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸阻塞、延時(shí)、丟失和由于傳輸距離而造成的不同步問題，適合于電氣控制系統(tǒng)連鎖保護(hù)裝置的控制要求。對(duì)于與適配器所聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)單元，也可將自己的運(yùn)行狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)適配器在網(wǎng)絡(luò)刷新周期內(nèi)傳遞到網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)處理單元的數(shù)據(jù)交換。

圖3 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

FTA 的程序設(shè)計(jì)采用按機(jī)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)機(jī)構(gòu)功能的不同分別對(duì)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，如大小車行走控制，采用激光測(cè)距裝置、防撞裝置及位置編碼器作為其控制連鎖保護(hù)的控制點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮防撞及各機(jī)構(gòu)工位來決定大車行走許可及允許速度范圍；陽極夾具提升機(jī)構(gòu)及吸卸料裝置，采用與重量傳感器及起升位置編碼器等來決定機(jī)構(gòu)的動(dòng)作和允許速度范圍；除塵控制系統(tǒng)包含多個(gè)壓差傳感器及閥門電動(dòng)執(zhí)行器，編程采用順序控制方式來實(shí)現(xiàn)。其他機(jī)構(gòu)都通過安全連鎖保護(hù)的要求實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，總體達(dá)到了按照功能需要靈活編程的目的，同時(shí)保障了系統(tǒng)的可靠性。

4 小結(jié)

通過對(duì)炭素陽極焙燒車間引進(jìn)法國ECL 公司FTA 的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，闡述了控制系統(tǒng)及ControlNet 網(wǎng)絡(luò)在該多功能天車上的應(yīng)用，對(duì)控制系統(tǒng)及ControlNet 網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了分析。采用ControlLogix 控制系統(tǒng)大大簡化了傳動(dòng)裝置的控制連接方式，避免了線纜控制故障率高、穩(wěn)定性差的問題，又能充分利用ControlNet 網(wǎng)絡(luò)特性實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)及傳動(dòng)單元的實(shí)時(shí)控制及故障診斷等功能。其控制方式及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)于其他場合類似系統(tǒng)的應(yīng)用有積極的借鑒意義。