多功能天車S LC 500控制系統和人機界面的升級改造

楊永剛

（蘭州鋁業有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

ECL多功能天車是由法國ECL公司生產的鋁電解專用設備，又稱鋁電解多功能機組，適用于現代預焙陽極鋁電解工藝生產，可完成打殼、更換陽極、覆蓋氧化鋁和電解質、槽上部氟化鹽加料、吊運陽極母線提升框架、吊運上部機構和下部槽殼、完成廠房零星吊運和維修作業。

電解二廠200 kA 電解鋁項目法國ECL 多功能天車于2001年投入使用，天車的控制系統采用美國Rockwell生產的SLC 500系列PLC控制系統，天車的人機交互界面采用Rockwell 2711-T10C10系列人機界面，控制網絡采用DeviceNet網絡。本地控制部分是天車控制系統的核心，由型號為1746-A10的2個PLC 機架組成，機架上安裝了電源、CPU、輸入輸出模塊和通信模塊，主機架與擴展機架之間由專用線纜連接。擴展機架上的通信模塊1747-SDN 通過DeviceNet 網絡將天車的本地控制系統與5 個遠程站適配器1794-ADN和人機界面2711-T10C10連接到一起，實現控制信號的交換傳遞（圖1）。

圖1 升級前控制系統網絡

SLC 500 系列PLC 控制系統和人機界面已使用20多年，由于高溫、強磁場、腐蝕性氣體等使用環境的影響，控制系統輸入輸出模塊和通信模塊嚴重老化，系統硬件和網絡故障頻繁，人機界面操作不靈敏，而且多功能天車使用的SLC 500 系列控制系統各類模塊和人機界面2711-T10C10 已停產多年，如果控制系統硬件和人機界面損壞將無備件更換。針對存在的問題，分析選型控制系統和人機界面的類型，研究多功能天車運行控制邏輯，制定多功能天車控制系統和人機界面升級改造方案，對原控制系統和人機界面硬件更換升級并重新編寫控制程序和畫面。

1 多功能天車控制系統和人機界面升級方案的設計

1.1 控制系統的選型設計

多功能天車SLC 500 控制系統的升級改造，系統選型時考慮到模塊電壓等級、模塊點位數量、網絡連接和通信、兼容性和穩定性等因素，決定選用通用性強、穩定性好、故障率較低的ControlLogix 系統。ControlLogix 系統不僅是一個PLC系統，而且它的結構體系更是一個技術先進的控制平臺。和傳統的PLC不同，ControlLogix 系統在任何大小規模上都是模塊化的，可以根據實際應用來選擇合適的存儲容量、處理器的個數、網絡類型和1/O 模塊[1]。ControlLogix系統既可以連接先進的網絡系統，如以太網、ControlNet 和DeviceNet，也可以在A-B PLC 的核心網絡如DH+、遠程I/O鏈路之間實現橋接。

ControlLogix系統具有以下特點：

（1）網絡無縫連接。易于和已有的PLC 系統集成，網絡上的處理器可以透明地互相收發數據。

（2）高速處理。ControlLogix 系統背板提供高速的無源多主數據傳輸總線，為框架上所有模塊間的信息交換提供了傳遞的通道，實現無需處理器的網絡橋接；同時，在同一個框架內可以放置多個處理器，與通信模塊、I/O模塊任意組合，高速的處理器實現高速的傳輸控制。

（3）集成化。提供了一個集中多技術的平臺，包括順序控制、運動控制、傳動和過程控制。

（4）工業化。提供了高強度的應用平臺，可耐受震動、高溫及各種工業環境下的電氣干擾。

（5）結構緊湊。適用于控制高度分散而空間有限的應用場合。

（6）帶電插拔。模塊放置和更換無需斷開系統供電，便于安裝和維護。

多功能天車ControlLogix 系統升級，主要硬件選型如下：PLC 控制器：1756-L55-M12；PLC 機架：1756-A13；PLC電源：1756-PA75；模擬量輸出模塊：1756-OF4；數字量輸入模塊：1756-IB16I；掃描模塊：1756-DNB；以太網通信模塊：1756-ENBT；數字量輸出模塊：1756-OW16I。控制系統升級時需拆除原SLC500控制系統各模塊及PLC機架，在原位置安裝1756 系列PLC 機架，1756 系列PLC 各I/O 模塊按原SLC500模塊位置安裝，保證原有電氣控制線路將不做大的改動，多功能天車全車控制系統保持原有控制電壓等級不變，原有I/O點數分布及性質不變，遠程I/O不做變動（圖2）。

圖2 升級后控制系統網絡

通過查閱資料，工業以太網就是應用于工業自動化領域的以太網技術，它在技術上與商用以太網（即IEEC802.3 標準）兼容，但在產品設計時對網絡拓撲結構和網絡的實時性等方面作了改進，在材質的選用、產品的強度和適用性方面能滿足工業現場的需要[2]。工業以太網（Ethernet）技術支持幾乎所有的網絡協議，所以，在數據信息網絡中得到廣泛應用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性高和支持設備多等方面的優勢。選用以太網還有以下幾個方面的優勢：

（1）Ethernet 是全開放、全數字化的網絡，按照網絡協議，不同廠商的設備可以很容易實現互聯。

（2）以太網能實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接。

（3）以太網技術已經非常成熟，軟硬件成本相對較低。

（4）通信速率高，目前以太網的通信速率為10M、100M的快速以太網開始廣泛應用。

經分析研究，決定采用工業以太網（Ethernet）技術實現2個PLC機架之間以及和人機界面的網絡通信。

1.2 人機界面的選型設計

PanelView 控制器終端是羅克韋爾自動化公司生產的一種人機操作界面（HMI），它具有防塵、防爆等優良性能，特別適用于工業現場操作。它可通過軟件進行編程，可以代替現場數以百計的開關，省去了非常繁瑣且昂貴的硬接線，同時它還可以編輯現場仿真畫面進行實時監控，控制過程更加安全可靠[3]。人機界面升級，選用性能更加穩定的Rockwell新款人機界面PanelView Plus 2711P-T12C4A8 替換原有的人機界面2711-T10C10。 2711P-T12C4A8型人機界面易于和ControlLogix RS Logix5000 系列可編程控制器進行組態，人機界面操作員界面支持串口通信，有以太網通信接口和2個USB接口，可用于傳輸文件或更新固件，該人機界面可提供更快速的響應和更高質量的圖形。

PanelView Plus 2711P-T12C4A8 人機界面升級，采用EtherNet/IP 工業以太網作為多功能天車的通信控制。此外，多功能天車控制系統本地機架和人機界面之間如果直接使用網線連接會經過一個270°的駕駛室旋轉拖鏈，網絡線在使用過程中會發生磨破或拉斷故障，因此考慮在控制系統本地機架和人機界面之間加裝一套無線發射與接收裝置，用工業無線以太網通信傳輸數據，具體方法是在PLC機架上新增以太網通信模塊1756-ENBT，PLC 機架通過以太網通信模塊→工業以太網交換機→全向發射裝置→定向接受裝置→人機界面進行控制信號的交換傳遞。

2 控制系統升級改造

2.1 拆除SLC500控制系統

控制系統升級改造，首先拆除SLC500控制系統各模塊，然后按照機架上模塊的位置順序在接線端子上做好標記，防止線路混亂，最后再拆除PLC機架。

2.2 安裝1756系列控制系統并接線

在原機架位置安裝固定1756系列PLC機架，將所有1756 系列PLC 控制系統模塊組件按要求安裝到機架上，1756 系列PLC 各I/O 模塊按原SLC500 模塊位置安裝，安裝完成后根據做好的順序標記，逐個將各信號線拆下來接到新的模塊接線端子上，接完所有控制線后再仔細復核一下接線是否正確。

2.3 編程

根據ControlLogix 系列PLC RS Logix5000 編程規范和指令，對照天車原SLC 500 程序編寫ControlLogix 系列RS Logix5000程序。

2.3.1 新建程序

PLC 編程選用Rockwell RSLogix5000 系列軟件，打開軟件新建RSLogix5000工程文件，定義處理器的類型、名稱、PLC 機架的型號、處理器所在的槽號、創建的文件路徑等[4]。處理器類型選擇1756-L55，PLC 機架選擇1756-A13，槽號0 槽，路徑選擇桌面。在程序頁面點擊Controller Tags，在打開的標簽編輯器中對照SLC 500程序控制標簽逐個新建標簽，填寫標簽描述內容等，定義標簽時要選對標簽的數據類型（base 基本類型包括：BOOL 布爾型、SINT短整型、INT整型、DINT雙整型、REAL實型）以及標簽作用域，需指定標簽是作為程序標簽（局部）還是作為控制器標簽（全局）。依次按要求創建完所有標簽，為編程做好準備。

2.3.2 編寫程序

在RS Logix5000 程序軟件界面，主任務（Main Task）已經被定義為連續任務，進入主程序（Main Program）編寫界面，根據SLC 500原程序以及天車各功能部件控制要求編寫各段控制程序[5]。程序編寫完成后再仔細核對并進行程序編譯，保證編寫的控制系統程序準確無誤，能夠安全、穩定、可靠地運行。

2.4 下載程序并調試

編程完成后PLC 控制系統送電，將編寫好的程序下載到1756 系列PLC 控制器中，配置掃描模塊（1756-DNB）參數，將2組機架上的以太網通信模塊（1756-ENBT）IP 地址設置到同一網段，最后，通過交換機將2 個以太網通信模塊連接到同一網絡，以便于2組機架和人機界面之間進行數據交換。各網絡節點和控制器運行狀態調試正常后，電腦在線對程序中的每一個輸入、輸出點的信號進行調試。

2.5 運行觀察

下載程序并按照多功能天車操作要求反復操作天車各項功能，觀察天車大車、小車運行方向、高低速切換是否正常，空壓機、液壓站、工具部位啟停動作是否正常，急停、限位等保護功能是否正常，各功能部位運行狀態和故障報警是否正常，根據具體情況不斷調整完善。

3 人機界面升級

人機界面升級，由于采用的Rockwell 新款人機界面2711P-T12C4A8 與原有人機界面2711-T10C10版本型號不一樣，編程軟件和編程方法上也有很大差別，兩者不能直接通用。同時，人機界面升級考慮到操作者的使用習慣，在不改變原有人機界面布局和操作方式的前提下，重新制作新款人機界面程序。

3.1 人機界面編程

人機界面編程選用Rockwell FactoryTalk View Site Edition V5.0 軟件，文件類型為View Machine Edition，畫面大小為PVPlus 700/1000（640×480），編程時參考2711-T10C10 版人機界面，在新建畫面中創建指令按鈕、I/O 狀態指示圖標，設置鏈接地址和控制屬性，逐個畫面制作新款人機界面程序。

3.2 人機界面程序調試

人機界面程序編寫完成后，將2711P-T12C4A8人機界面IP 地址設置成PLC 機架以太網模塊同一網段，再將人機界面程序下載到2711P-T12C4A8人機界面，人機界面與定向接收裝置連接，定向接收裝置與全向發射裝置通過無線網絡形式傳輸信號，全向發射裝置通過以太網交換機與PLC 機架以太網模塊交換數據。在人機界面程序中打開Communication Setup，連線后就可以展開網絡路徑并添加指向。PLC控制器與人機界面間網絡調試正常后，對人機界面程序每個畫面中的按鈕、輸入輸出狀態信號進行逐一測試，觀察各信號在0 和1 時的狀態變化，測試正常后進行聯動調試。

4 升級后網絡系統特性

（1）PLC機架和擴展機架之間通信采用EtherNet/IP 實現底層I/O 總線網絡。在2 個機架上新增以太網通信模塊1756-ENBT，通過工業以太網交換機實現機架之間互連。

（2）PLC 機架和人機界面之間通過無線收發裝置實現信號的遠程無線傳輸。

（3）PLC 和遠程I/O 之間通過1756-DNB 通信模塊與原有網絡適配器1794-ADN進行通信。

（4）EtherNet/IP 工業以太網和DeviceNet 網絡共同參與多功能天車的信號傳遞與控制。

5 技術創新點及使用效果

（1）SLC 500控制系統和人機界面升級方案，創新性地將EtherNet/IP 工業以太網作為通信網絡引入多功能天車的控制通信，為后期智能化工廠建設打好基礎。

（2）ControlLogix 系列PLC 及2711P 系列人機界面升級，優化和拓展了早期SLC 500 PLC 和人機界面的性能，讓工業設備控制變得輕松、便捷，而且可靠性和效率較之前的傳統控制方式有了很大提高。

（3）升級后，控制系統及人機界面完全能夠適應多功能天車的正常運行和電解鋁生產工藝使用要求，很大程度地降低了設備故障率，有效提升了多功能天車運行效率，多功能天車SLC 500 控制系統和人機界面升級方案也為其他設備的智能升級提供了新選擇。

（4）多功能天車SLC 500 控制系統和人機界面升級后，控制系統各類模塊和人機界面采購問題得到有效解決，而且升級后的備件與大多數設備備件通用，降低了備件庫存和費用。

6 結語

隨著社會的發展進步以及日新月異的技術革新，很多早期的設備及其控制系統逐步老化，故障頻繁，備品備件已更新或停產，造成設備維修難度增大、維修成本增加。多功能天車SLC 500 控制系統和人機界面升級，是順應社會技術進步，也是為了企業發展的需要。控制系統升級改造相當于給多功能天車更換“心臟”，讓多功能天車重新恢復生機和活力，提高了設備運行效率，延長了設備使用壽命。通過對多功能天車控制系統和人機界面的升級改造，達到了很好的使用效果，降低了設備故障率和設備維修成本，有效提升了多功能天車運行效率，保證鋁電解生產的正常進行。