基于EtherNet/IP的卸船機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

0引言

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,電力需求也水漲船高,作為發(fā)電的主力軍和壓艙石,火力發(fā)電在支持社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)民生需求方面發(fā)揮著重要作用。在我國,煤炭是火力發(fā)電的第一大能源,這就對散貨裝卸機(jī)械提出了更高的要求。鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)具有污染小、作業(yè)效率高、具備自動化能力等優(yōu)點,適用于煤炭、鐵礦石等散裝貨物裝卸,在國內(nèi)外得到了長期的使用和持續(xù)性的發(fā)展,廣泛應(yīng)用于電廠和散貨裝卸碼頭。得益于PLC(可編程邏輯控制器)強大的邏輯處理能力和靈活性,再加上起到橋梁作用、實現(xiàn)控制系統(tǒng)與設(shè)備通信的EtherNet/IP協(xié)議,數(shù)據(jù)的及時傳輸和設(shè)備的互相協(xié)作成為可能,使得鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)實現(xiàn)了靈活精確操作。

1 EtherNet/IP的相關(guān)情況

1.1 EtherNet/IP簡介

Earthnet/IP(EtherNet/IP)是一種工業(yè)協(xié)議,它允許設(shè)備通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。Ethernet/IP由ODVA組 織定義,以CIP框架為基礎(chǔ),旨在實現(xiàn)設(shè)備間的互操作性。Ethernet/IP協(xié)議使用TCP/IP作為其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,而其應(yīng)用層則使用CIP。這種協(xié)議廣泛應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)和工業(yè)環(huán)境中,允許不同制造商的設(shè)備相互通信和集成。

1.2 EtherNet/IP與其他常見通信協(xié)議的比較

多種通信協(xié)議均支持羅克韋爾 自動化公司(AB)的PLC系列,以下是常用的幾種:ControlNet、DeviceNet、EtherNet/IP。

1)在ControlNet網(wǎng)絡(luò)中,常見的傳輸介質(zhì)是同軸電纜和光纖,節(jié)點數(shù)目不能超過99個,一旦節(jié)點數(shù)超過限制,將會出現(xiàn)無法預(yù)測的故障,即使節(jié)點數(shù)未超過99,但過多也會影響網(wǎng)速,造成網(wǎng)絡(luò)遲滯^[1]。

2)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)最多能連接64個節(jié)點,只適用于小型網(wǎng)絡(luò)的需求,可用的通信波特率分別為500、250、125 kb/s三種^[2];DeviceNet網(wǎng)絡(luò)無法支持高速數(shù)據(jù)傳輸,組網(wǎng)設(shè)備價格也較為昂貴。

3)EtherNet/IP建立在廣泛使用的以太網(wǎng)和IP協(xié)議之上,確保了與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性。通過CIP協(xié)議, EtherNet/IP能夠支持實時數(shù)據(jù)交換,滿足工業(yè)自動化中對時間敏感的應(yīng)用需求,具有實時性。EtherNet/ IP支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),便于擴(kuò)展,適應(yīng)不同的行業(yè)環(huán)境和規(guī)模。通過Ethernet/IP可以實現(xiàn)不同廠商的設(shè)備之間的交流,從而提高了系統(tǒng)的靈活性。Ethernet/ IP安全性能良好,支持多種安全機(jī)制。

2 應(yīng)用對象

2.1概述

本次控制系統(tǒng)的應(yīng)用對象是一種額定出力可達(dá)1 500 t/h,可實現(xiàn)連續(xù)不間斷作業(yè)的鏈斗式連續(xù)卸船機(jī),其在我國沿海火力發(fā)電廠應(yīng)用較為普遍,適用于 35 000~150 000 t級海輪卸載作業(yè)。

2.2 主要構(gòu)成

鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)主要由鏈斗式提升機(jī)、提升機(jī)轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)、懸臂式皮帶機(jī)、懸臂式俯仰機(jī)構(gòu)、懸臂式轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)、門架式皮帶機(jī)、門架式切換機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)等組成^[3]。由于船艙一般為上窄下寬,傳統(tǒng)的抓斗式卸船機(jī)難以伸到邊角位置,為了解決這一難題,將煤炭從船上接卸并轉(zhuǎn)運至碼頭皮帶上,鏈斗式提升機(jī)取料頭部分被設(shè)計成了“L”型,通過小回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)和頂部滑環(huán)的配合,在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電纜連接兩方面不影響提升機(jī)完成360°回轉(zhuǎn)的動作,提升機(jī)的上升或下降則依靠俯仰液壓缸的伸縮來實現(xiàn),使得提升機(jī)可以抵達(dá)船艙內(nèi)任意位置進(jìn)行卸煤,最終煤炭將依次經(jīng)過提升機(jī)、懸臂式皮帶機(jī)、門架式皮帶機(jī)運往碼頭皮帶上輸送至煤場。

2.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用可編程控制器進(jìn)行控制,可對整機(jī)進(jìn)行無坐標(biāo)手動控制、無坐標(biāo)半自動控制、帶坐標(biāo)自動控制;還可實現(xiàn)聯(lián)鎖檢查、狀態(tài)顯示和故障報警。在卸船機(jī)上部設(shè)置有駕駛室,操作人員可通過駕駛室內(nèi)的操縱臺來操作卸船機(jī),也可通過無線電遙控裝置在船艙甲板或碼頭面進(jìn)行操作。控制系統(tǒng)采用隔離穩(wěn)壓電源,單獨供電。所有控制電纜都使用屏蔽阻燃的電纜。

2.4 PLC系統(tǒng)

PLC裝置上安裝了具有控制卸船機(jī)各機(jī)構(gòu)動作功能的電源、處理器、數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出卡件。PLC編程采用筆記本電腦(專用工具)。PLC系統(tǒng)用于操作控制、狀態(tài)監(jiān)測、主機(jī)/液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的故障顯示、自動報警、聯(lián)鎖裝置與安全裝置監(jiān)控。

3控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

某電廠卸船機(jī)原控制系統(tǒng)使用年數(shù)已久,硬件老化嚴(yán)重,經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的問題,導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)中斷,給生產(chǎn)帶來一定的不便,嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。該控制系統(tǒng)使用的PLC是羅克韋爾自動化公司 AB 1756系列,編程軟件使用的是RSLogix5000的16.0版本,AB控制系統(tǒng)軟硬件廠家均已更新,替代型號在安裝尺寸上無法完全適配,導(dǎo)致現(xiàn)有型號備品儲備起來比較困難?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用ControlNet通信協(xié)議,利用同軸電纜和光纖作為介質(zhì)將各遠(yuǎn)程子站連接起來。一旦中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障,將導(dǎo)致后續(xù)幾個子站同時出現(xiàn)問題,檢查起來也頗為麻煩,耗時耗力,需要從尾部逐個往前用終端電阻排查每個站點,而且同軸電纜使用久后抗干擾能力下降,這些都會增加消缺時長,影響卸煤。因此,有必要重新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?

重新設(shè)計后,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括主控CPU模塊、以太網(wǎng)通信模塊、控制網(wǎng)絡(luò)模塊、總線模塊、操作控制屏及IO模塊,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基于EtherNet/IP通信協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示,采用單機(jī)遠(yuǎn)程IO通信模式,并通過以太網(wǎng)通信向上位機(jī)輸出設(shè)備運行狀態(tài)信息及接受上位機(jī)遠(yuǎn)程操作控制。為保障通信速度和穩(wěn)定性,需確保每個子站之間網(wǎng)線長度不超過70m,為此特意調(diào)換了站點順序。利用網(wǎng)線+光纖作為介質(zhì)連接通信,將各個站點形成一個閉環(huán),網(wǎng)線與光纖均設(shè)置備用,并且配套更換相應(yīng)的通信模塊,可在粉塵濃度高、電聲/電波干擾、振動環(huán)境下連續(xù)運行,抗干擾能力大大提高,通信響應(yīng)及時。同時為了保證卸煤有效時間,減少因遙控器故障導(dǎo)致卸船機(jī)無法動作的時間,本次網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃特地增加了冗余性,即在原有遙控器的基礎(chǔ)上,增加一臺與現(xiàn)有三臺卸船機(jī)全部遙控裝置頻率不沖突且具備開機(jī)自檢功能的遙控器,該遙控器上電啟動后會進(jìn)行自動檢測,結(jié)果正常后才能工作,一旦出現(xiàn)異常就無法啟動。另外,為方便現(xiàn)場操作人員進(jìn)行當(dāng)前報警查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢以及設(shè)備運行狀態(tài)實時查看等,新增一臺AB最新型號的就地操作控制屏,安裝在卸船機(jī)上的電氣室。同時,由于卡件更新?lián)Q代,考慮到兼容性問題,對應(yīng)的操作系統(tǒng)和軟件也需相應(yīng)升級, CPU組態(tài)軟件運行平臺升級為原PLC廠家最新組態(tài)軟件,編程軟件RSLogix5000從16.0版本升級至20.0版本。

3.2硬件部分技術(shù)要求

1)控制器技術(shù)參數(shù):支持基于EtherNet/IP^TM的一體化機(jī)芯、一體化Sercos^TM機(jī)芯和模擬量機(jī)芯; 自帶非易失性記憶體(SD卡),不會出現(xiàn)程序斷電的情況;支持控制器冗余及拔除,支持不斷電插拔(RIUP);支持EtherNet/IP、Data HighwayPlus^TM、RemoteI/O 、 SynchLink和用于通信的第三方設(shè)備網(wǎng)絡(luò);用于保存控制程序和配置的PLC集成工作內(nèi)存不小于4M字節(jié),并配有電池或電容,確保程序在斷電后至少一周內(nèi)不丟失;PLC掃描周期最大≤ 100 ms;最高負(fù)荷不超過40%;當(dāng)檢測到系統(tǒng)部件功能失效、電池電量不足或通信中斷時,控制器應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行自我診斷、通信檢測和所有部件的診斷,并發(fā)出警報。

2)觸摸屏技術(shù)參數(shù):12英寸TFT顯示屏,支持以太網(wǎng)及Enterprise通信協(xié)議。

3)電源模塊技術(shù)參數(shù):輸入電壓為交流220 V,輸出電壓為直流24 V,額定電流2 A。

4)以太網(wǎng)卡通信模塊技術(shù)參數(shù):通信速率10/100 Mb/s,TCP/TP連接128,Logic連接256。

5)以太網(wǎng)適配器技術(shù)參數(shù):以500 kb/s的通信速率連接網(wǎng)橋,64個節(jié)點。

6)Profibus總線模塊技術(shù)參數(shù):通信方式ProfibusD-Sub Female,100%向下兼容,現(xiàn)場總線模塊安裝在本地機(jī)架上,支持1 984字節(jié)的輸入和1 968字節(jié)的輸出,支持所有Profibus波特率,其中包括45.45 kb/s。

7)其他設(shè)備發(fā)出的工作頻率在距離電子設(shè)備1.5m以外達(dá)到400~500 MHz,輸出功率達(dá)到5 W或以上的電磁干擾和射頻干擾,應(yīng)不會對系統(tǒng)正常工作造成影響。

8)無線遙控系統(tǒng)采用即時通信技術(shù),無論何種原因?qū)е滦盘栔袛喑掷m(xù)0.5s或以上,遙控接收裝置都會自動關(guān)斷所有輸出,緊急停止所有機(jī)械動作。

9)遙控裝置采用數(shù)字編碼與快速GFSK技術(shù),可實現(xiàn)跳頻功能。

10)遙控裝置采用雙CPU互鎖機(jī)構(gòu):當(dāng)任一顆 CPU出現(xiàn)異常時,另一顆CPU立即啟動安全保護(hù)電路,將輸出全部關(guān)閉,機(jī)械動作全部停止。

11)遙控裝置系統(tǒng)監(jiān)控電路實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)及電源供應(yīng)情況:一旦電池松動或其他原因?qū)е码娫椿蛳到y(tǒng)出現(xiàn)異常,立即關(guān)閉接收系統(tǒng),停止所有機(jī)械動作。

3.3 調(diào)試

現(xiàn)場光纖、網(wǎng)線鋪設(shè)和其他設(shè)備安裝完成后,通過RSLink軟件連接上就地PLC的CPU模塊,在編程軟件RSLogix5000左側(cè)網(wǎng)絡(luò)樹下依次添加各個子站,子站的IP地址要與就地以太網(wǎng)通信模塊上的撥碼地址一致,否則將無法匹配加入;隨后各個子站按照卡槽順序依次添加IO模塊。一切準(zhǔn)備工作完成后,系統(tǒng)上電,各個站點以太網(wǎng)模塊指示燈雙黃燈常亮,雙綠燈閃爍,證明整體通信正常;接下來現(xiàn)場模擬故障信號,從程序可觀測到對應(yīng)的輸入/輸出點信號 (綠色),證明IO模塊讀取信號正常。至此調(diào)試完畢。

4結(jié)束語

基于EtherNet/IP的卸船機(jī)控制系統(tǒng),使用新的卡件使得壽命周期延長,很多舊卡件廠家已停產(chǎn),替換下來的部分卡件可作為其他在運行卸船機(jī)的備件,降低了備件儲備的難度和成本;對后續(xù)ABPLC 系統(tǒng)同類型設(shè)備的遠(yuǎn)程通信方式升級優(yōu)化具有良好的借鑒意義,為將來有關(guān)同類型設(shè)備升級改造提供了寶貴的經(jīng)驗;抗干擾能力提升,通信響應(yīng)快速及時,提高了穩(wěn)定度、靈敏度和可靠度,故障率大幅度降低,減少了日常檢修維護(hù)工作量,提高了卸煤速率以及檢修維護(hù)人員工作效率,保證了卸船機(jī)的穩(wěn)定生產(chǎn),保障了電廠機(jī)組充足的燃煤供應(yīng),具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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2024年第22期第13篇