摘要:以某港口800t/h桥式抓斗卸船机为例,介绍了罗克韦尔公司Net Linx集成架构技术,桥式卸船机电气控制系统自动化结。同时,对高性能自动化系统在卸船机电气控制系统中的功能实现进行了逐一阐述。

关键词:卸船机 自动化结构 NetLinx 集成架构

1. 引言

可编程逻辑控制器(PLC)和交流变频器在桥式抓斗卸船机中的应用越来越广泛,应用PLC不仅能完成复杂的逻辑控制,而且其可靠性高、抗干扰能力强、维护量小,能方便地与计算机联网通信。交流调速器的推广应用,使得系统的效率、稳定性和可靠性大大提高。PLC和交流变频器的引人,对于提高起重机的自动化水平、降低能源消耗、提高劳动生产率发挥了重要作用。在PLC和交流变频技术的基础上,构建高性能的自动化系统结构,是广大电气自动化工程师不断探索的新课题。本文在某桥式抓斗卸船机在自动化控制系统应用中,采用了罗克韦尔公司Control logix系列大型PLC进行综合逻辑控制和数据处理,并采用Power Flex700S系列高性能变频器实现全数字化的矢量控制,在此基础上,利用Net Linx集成架构技术,构建高性能的自动化控制系统结构,实现信息、控制和传动的一体化,取得了较好的控制效果。

2. Net Iinx体系结构

NetIJinx集成架构是罗克韦尔公司利用开放式网络技术制定的无缝集成策略,从而构建一个透明的、开放式结构体系的自动化系统。Net Linx基于三级网络层:信息层、控制层以及设备层。

2.1 信息层

这一层采用标准TCP/IP协议,它提供上层计算机系统通过以太网访问起重机底层的电气数据,为全厂范围控制系统的数据采集、监控、计算管理、统计、设备维护管理、生产流程以及物流跟踪服务,同时可以使计算机访问使用结构化查询语言(SQL)的开放性数据库。系统管理员和设备维护人员可在这层网络上对系统进行监控,对控制器程序进行修改,使计算机系统存取的数据达到实时监控的目标,并对PLC提供支持。由于采用了TCP/IP协议,可以方便地将工业控制网络接人企业局域网(Intranet),实现控制系统和ERP系统的集成。

2.2 控制层

它在PLC、I/0、变频器及各种智能化控制设备之间进行控制数据的交换、控制的协调、网上编程和程序维护、远程设备的组态、编程和故障处理,也可连接各种人机界面产品进行监控。这一层上的网络称为控制网,采用CIP(Control and Information Protocol)协议和生产者/消费者(Producer/Consummer)模式,这种模式允许网络上的所有节点同时从单个的数据源存取相同的数据,并共享数据和信息。控制网主要完成智能化的高速实时控制和I/0数据网络以及准确的数据传输功能,它满足连接PLC处理器、HMI以及其他智能化设备所需的实时、高信息吞吐量应用的要求。

2.3 设备层

在设备层上采用的设备网,主要把底层的工业设备直接连接到车间控制器上,并对其进行配置和监视。这种连接无需通过I/0模块,即可方便快速的实现与工业现场大量设备的高速数据采集,极大地减少了接线。设备网是一种柔性、开放性的网络,可与世界上150家以上的厂商提供的产品兼容。

3. 桥式卸船机自动化系统结构

桥式抓斗卸船机是港口、电厂最重要的卸料设备之一,主要用于散料货物的卸船作业。其工作原理是通过控制抓斗的循环运动将散料货物从船舱内转移到输送带装置,并由输送带传送到指定的堆放地点。桥式卸船机是港口码头、电厂的核心设备,构建高性能、安全可靠的自动化系统是控制系统设计的关键环节。

根据系统监测和控制要求,本桥式卸船机自动化控制系统结构如图1所示,由信息层、控制层和设备层三层网络组成。

主控制站位于电气室,采用罗克韦尔公司Control Logix系列PLC,配置1756-L61处理器模块、1756-ENBT以太网模块、1756-CNBControl Net通讯模块和1756-SDN Device Net通讯模块。

信息层通过主控制站以太网模块与电气室上位监控计算机以及司机室触摸屏相连。上位监控软件采用罗克韦尔公司RSView32系列产品。

控制层通过Control Net通讯模块与电气室控制柜内分布式I/O、现场远程I/O站和变频器相连,构成Control Net控制网络。远程I/O采用Flex I/O系列产品。小车I/O站、司机室I/O站以及大车海侧、陆侧I/O站离主控制站较远,采用Control Net光纤网络。

设备层通过Device Net通讯模块与现场设备和仪表,如编码器和智能马达继电器等相连,构成Control Net控制网络。

4. 高性能自动化系统的功能实现

4.1 网络和开放式接口

Net Linx与其他工业网络相比,它采用由Net(网络)和Linx(开放式接口)组成的结构,能有效地实现系统组态、数据采集和控制。

其中Net是基于生产者/消费者(Producer/Consumer)的通讯模型,定义了一系列超级服务协议,它支持多广播式、事件触发、周期性触发等发送机制;完全独立于网络介质,可在不同的网络介质中组态,而传统的网络控制技术只能在主CPU进行组态。控制层/设备层利用现场总线技术把现场设备的信息作为整个企业信息网的基础,提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性,用户可以在不同的地点,不同的网络上对系统的组态、管理和维护。

Linx是一种开放式接口,集成了多种网络服务,采用通用的网络协议和开放的软件接口,保证了元缝的信息和控制数据流传输。生产者(Producer)是数据的发送者,在网络上传送的数据带有唯一的标识,该标识表明数据的内容。消费者(Consumer)是数据的接受者,任一相关的消费者都可以从网上摘取所需的数据。而传统的网络控制技术,主站必须对设备进行轮询以采集数据,并通过逻辑程序将数据传送到其它各站。

4.2 Control Net控制网络及规划

控制网络是自动化系统的核心。Control Net网络是一种基于高速和确定性的控制网络,速率为恒定5Mbits/s,与通讯距离、介质、终端设备和功能无关(实时I/0,互锁或者对等报文)元关,传输时间不受节点增删的影响。通讯距离可达500m,最长可达30km(通过光纤/中继器)。每个网段最多允许配置99个节点,每个节点允许通过Control Net网络进行设备运行参数配置。

Control Net网络的通讯介质为同轴电缆,并支持光纤网络通讯。支持总线型、菊花型和星型拓扑结构,具有很大的灵活性。对于通讯距离较远衰减明显、谐波干扰较大的场合,使用光纤网络不失为一种非常有效的手段。

Control Net网络支持冗余网络通讯,如Con-位。Logix系列PLC和PF700S系列变频器等。当一个网络出现故障时,立即无扰动切换到冗余网络,极大地提高了控制系统的安全性和可靠性。

4.3 统一的传动和控制平台

hgix平台包括Control Logix,Compact Logix, Flex Logix,Soft Logix和Drive Logix等五大类Logix产品。所有基于Logix平台的产品都采用RSUgix5000同一个编程软件。对一个用户来说,大小规模不同的起重设备往往采用不同规模的PLC产品和传动产品。譬如某大型卸船机采用Control Logix系列大型PLC,某大型装船机采用Compact Logix系列中型PLC。采用统一的编程软件,增强了不同应用程序的可移植性,大大减少了用户的培训和维护成本。

在RShgix5000编程软件中可直接对传动设备进行编程和组态,定义传动设备的通讯格式和数据。传动设备的参数即变量,拥有唯一的标识,通过生产者/消费者机制,实现数据的共享。而Drive Logix在传动设备中的引入,进一步提高了控制系统的自动化水平。Drive Logix安装在PF700S系列变频器的扩展单元中,直接与变频器进行背板总线通讯。Drive Logix采用32位微处理器,利用RShgix5000软件可编辑8个与传动和控制相关的应用程序。通过Net Linx技术, Drive Logix与网络上的智能设备建立无缝链接和数据共享。PF700S变频器集成速度控制、力矩控制、位置控制和运动控制。这样,与卸船机功能相关的应用程序,如抓斗的升降控制、开闭斗控制和深挖控制等,可直接编辑在Drive Logix中,提高了控制的实时性和灵活性。

PF700S变频器的逻辑/模拟端口和编码器反馈端口的状态,直接送入变频器内部寄存器。每一个寄存器被定义为一个唯一的数据标识。通过这个数据标识,Net Linx集成架构可以允许网络上的智能设备方便地摘取变频器逻辑/模拟端口和编码反馈端口的状态和数据信息。

因此,外围的I/0设备或模拟量信号可以直接接人PF700S的逻辑/模拟端口,其状态和数据将很容易被主控制器所引用。同样,变频器的I/O输出,也很容易通过用户自定义变量形式,由传动或主控制器所控制。编码器反馈寄存器是一个32位的寄存器单元,这个寄存器单元的数据可以方便地被主控制器获得,并通过主控制器的各种逻辑运算和数据处理,参与位置环的控制。

4.4 统一的信息和控制平台

RSView32上位监控软件基于开放的工业标准。因(对象的链接和嵌入)、Active-X控件和ODBC数据库,包含RSLinx应用软件。RSLinx是基于Windows操作系统的网络驱动软件,为Logix平台的PLC提供一个软件的通讯接口,以实现OPC和Custom C/C+接口功能。RSView32和RSLinx为上位系统的数据采集、控制和通讯传输提供了完善的软件支持。当PLC标签事先被定义时,可直接经由PLC导出的标签文件,为RSView32系统应用程序自动生成标签数据库,实现信息和控制平台的统一。

4.5 冗余系统的实现

对于那些环境条件苛刻、设备安全性和可靠性要求特别高的场合,在自动化系统设计时,必须充分考虑其冗余特性。Net Linx集成架构可以方便的实现控制网络的冗余,也可以方便地实现主控制器的冗余。主控制器冗余系统由2对高性能处理器和1757-SRM冗余模块分别配置在2个独立的框架中构成,冗余模块间通过高速光纤进行同步。应用程序只需下载一次,系统将自动完成从控制器的程序装载;用户对主控制器的组态/命令/编辑等,也将自动地送入从控制器。

4.6 自动设备更换技术(ADR)

对于那些电气维护力量不足的用户来说,当某些重要的电气设备损坏后,在第一时间进行参数设定或自整定是非常困难的。在Logix控制系统中,具备ADR功能的Device Net设备损坏后,只需简单地更换新设备,主控制器自动将预先保存的配置参数下载到新设备中就可自动恢复生产,这将极大地缩短设备的修复时间,提高劳动生产率。

4.7 第三方网络的链接

对于那些已运行多年的用户来说,由于历史的原因,很多起重机往往采用了不同生产厂商的产品。相应地,一个用户往往存在多种第三方的网络,常见的有西门子公司的Profibus-DP,施耐德公司的Modbus和Modbus/Plus以及罗克韦尔公司的DH+等网络。当多台起重机需要实现综合自动化控制时,不同的第三方网络之间,往往需要通过网桥进行数据链接。罗克韦尔公司基于Logix平台的PLC产品集成了网络路由功能,当主控制器背板上插入第三方网络模块时,通过背板可以方便地实现罗克韦尔公司三层网络与第三方网络之间的数据链接。

5. 结论

采用Net Linx集成架构技术构建高性能的自动化系统结构,使信息、控制和传动之间得到充分整合,充分发挥了PLC和交流变频器的自身优势,大大提高了桥式抓斗卸船机电气控制系统的自动化程度和安全可靠性。使用结果表明,对那些系统可靠性要求较高的卸船机械,本方案不失为一种较为理想的选择,可使系统获得较好的控制性能。本文对其他类型起重机自动化系统的设计也具有较高的借鉴和推广意义。