翻車機(jī)總線控制系統(tǒng)升級改造

楊孟江

（秦皇島港股份有限公司第二港務(wù)分公司 河北秦皇島）

一、概述

秦皇島港煤一期1#、2#翻車機(jī)系統(tǒng)于2004年完成升級改造，其中電氣控制系統(tǒng)采用Profibus DP與AS-i的兩層總線的結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)多年運(yùn)行，總線出現(xiàn)了一些問題，比較典型的有：①網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)配置錯(cuò)誤，屏幕顯示多種故障代碼；②有時(shí)某個(gè)網(wǎng)關(guān)下的若干總線模塊供電出現(xiàn)故障；③出現(xiàn)總線通信故障不好排查。因?yàn)榭偩€是翻車機(jī)電控系統(tǒng)的主要信息交換方式，一旦出現(xiàn)問題或者故障無法快速排查，容易導(dǎo)致長時(shí)間的停車，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，必須找到有效、可靠的方法解決上述問題。

二、系統(tǒng)分析

秦皇島港煤一期1#、2#翻車機(jī)電氣控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上完全一致，均采用施耐德Quantum系列PLC，主要分為分給料器和翻車機(jī)兩部分。

給料器控制系統(tǒng)由一個(gè)單獨(dú)的PLC進(jìn)行控制，是翻車機(jī)電控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，通過MODBUS PLUSE網(wǎng)絡(luò)與翻車機(jī)PLC建立通信連接。給料器PLC及翻車機(jī)PLC各自帶一個(gè)Profibus DP模塊，并下掛AS-i網(wǎng)關(guān)，AS-i網(wǎng)關(guān)是Profibus DP的子站，又作為AS-i的主站下掛各種輸入輸出模塊、編碼器等AS-i從站設(shè)備，其總線構(gòu)成如下。

1.給料器

給料器的控制點(diǎn)分為入口與出口兩部分，通過AS-i輸入輸出模塊接入，分別下掛在入口網(wǎng)關(guān)和出口網(wǎng)關(guān)下。兩個(gè)網(wǎng)關(guān)作為Profibus的子站，建立與PLC的通信連接。

（1）給料器入口。由一個(gè)安裝在給料器控制柜內(nèi)的版本為2.0的網(wǎng)關(guān)作為AS-i總線主站，網(wǎng)關(guān)下接入口給料器現(xiàn)場檢測用的5只AS-i總線編碼器、輸入模塊、四輸出模塊、四輸入四輸出模塊、二輸入二輸出模塊。

（2）給料器出口。由一個(gè)安裝在給料器控制柜內(nèi)的版本為2.0的網(wǎng)關(guān)作為AS-i總線主站，網(wǎng)關(guān)下接出口給料器現(xiàn)場檢測用AS-i總編碼器、輸入模塊、四輸入四輸出模。給料器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c器件位置如示意圖1所示。

圖1 給料器改造前總線結(jié)構(gòu)

2.翻車機(jī)

翻車機(jī)通過1個(gè)Profibus DP模塊和翻車機(jī)主控制PLC相連。根據(jù)現(xiàn)場傳感器的分布情況及與網(wǎng)關(guān)的連接方式，又分為翻車機(jī)入口地面部分、撥車機(jī)部分、翻車機(jī)部分、推車機(jī)及翻車機(jī)出口地面部分。

（1）翻車機(jī)入口地面部分。由一個(gè)安裝在控制柜內(nèi)的版本為2.0的網(wǎng)關(guān)作為AS-i主站，下接輸入模塊、二輸入二輸出模塊、四輸入四輸出模塊構(gòu)成。

（2）撥車機(jī)部分。由一個(gè)安裝在控制柜內(nèi)版本為2.0的網(wǎng)關(guān)作為AS-i主站，下接編碼器、輸入模塊、二輸入二輸出模塊構(gòu)成。

（3）翻車機(jī)部分。由一個(gè)安裝在控制柜內(nèi)版本為2.0的網(wǎng)關(guān)作為AS-i主站，下接編碼器、輸入模塊、四輸出模塊構(gòu)成。

（4）推車機(jī)及翻車機(jī)出口地面部分。由一個(gè)安裝在控制柜內(nèi)版本為2.0的網(wǎng)關(guān)作為AS-i主站，下接編碼器、輸入模塊、四輸入四輸出模塊、二輸入二輸出模塊構(gòu)成。翻車機(jī)部分的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與器件位置如示意圖2所示。段網(wǎng)絡(luò)上的器件全部報(bào)錯(cuò)的故障，所以較為理想的情況下是少用或者不用中繼器?，F(xiàn)有系統(tǒng)中，AS-i網(wǎng)關(guān)數(shù)量較少，控制點(diǎn)只分了簡單幾組，過于集中，如果一段網(wǎng)絡(luò)癱瘓，將涉及多個(gè)控制點(diǎn)，很難縮小故障查找范圍，無法進(jìn)行快速查找與處理。

（3）部分器件版本過時(shí)。翻車機(jī)電控系統(tǒng)兩個(gè)部分采用2.0的AS-i網(wǎng)關(guān)，下接的傳感器、執(zhí)行器模塊的版本均為2.0，而目前市場上提供的全是3.0版本的器件。3.0網(wǎng)關(guān)器件可以向下兼容，但是不能向上兼容，即高版本的網(wǎng)關(guān)可以下掛低版本的模塊，高版本的模塊不能連接到低版本的網(wǎng)關(guān)上，因此一旦模塊損壞，無法采購到新的備件，有可能因此而影響生產(chǎn)。另外，原系統(tǒng)中的輸入輸出模塊采用傳統(tǒng)的接線方式，每次更換需要拆卸多個(gè)接點(diǎn)，既不方便也容易出錯(cuò)，不利于維護(hù)與故障的快速處理。

（4）部分器件老化。一般來說，AS-i通信電纜對現(xiàn)場要求不高，出現(xiàn)問題幾率很小，但是隨著系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行，通信電纜或者器件連接頭會出現(xiàn)老化或者接觸不良，容易形成故障隱患，而且一旦出現(xiàn)很難發(fā)現(xiàn)，無法確定故障位置，處理起來也無從下手。

圖2 翻車機(jī)改造前總線結(jié)構(gòu)

3.系統(tǒng)存在的問題

（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不足。AS-i總線主要應(yīng)用在控制器（主站）和傳感器/執(zhí)行器（從站）之間進(jìn)行雙向的信息交換，屬于底層的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如果與Profibus DP總線組網(wǎng)使用，AS-i主站即AS-i網(wǎng)關(guān)作為Profibus DP現(xiàn)場總線的從站，直接掛接現(xiàn)場的輸入輸出模塊和AS-i編碼器，可以根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的位置靈活配置AS-i總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前的翻車機(jī)總線控制中，PLC的Pofibus DP網(wǎng)關(guān)下直接掛接的AS-i網(wǎng)關(guān)都集中在電氣室中，使得這套兩層總線體系中，AS-i占據(jù)了95%以上，而Profibus DP總線長度基本忽略不計(jì)，整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)基本上是AS-i網(wǎng)絡(luò)，未能體現(xiàn)Profibus DP總線的優(yōu)勢，失去了利用Profibus DP總線的意義。

（2）網(wǎng)關(guān)的過于集中。根據(jù)AS-i的使用要求，總線電纜長度應(yīng)＜100 m，若要延長需增加中繼。通過對器件的了解以及多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，由于現(xiàn)場環(huán)境的差異，并不能保證中繼器具有手冊中說明的理想通信效果。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，隨著AS-i電纜長度的增加，故障率會相應(yīng)增高；另外，中繼器增加意味著在AS-i網(wǎng)絡(luò)上的故障環(huán)節(jié)增加，容易產(chǎn)生因?yàn)槎祟^接觸不良而導(dǎo)致的某

（5）故障信息讀取。根據(jù)對現(xiàn)場情況考察，以及對故障處理的過程，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，現(xiàn)有的信息不能很快確認(rèn)故障點(diǎn)，處理起來也無從下手，大部分情況是采用更換設(shè)備、插拔器件、上電下電啟停的方式進(jìn)行處理，帶有碰運(yùn)氣的成分，毫無針對性。即便能暫時(shí)處理好了恢復(fù)生產(chǎn)，事實(shí)上也沒有真正清楚故障發(fā)生的原因和位置，如果再次出現(xiàn)，還是無法準(zhǔn)確、快速處理。

三、解決辦法及實(shí)施方案

1.主要措施

針對總線系統(tǒng)中存在的問題，從完善拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、升級器件等幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)改造與更新，以提高總線網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性，減少故障發(fā)生率。

（1）完善總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。AS-i總線作為底層的傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息交換系統(tǒng)，而Profibus DP是控制層信息交換網(wǎng)絡(luò)，兩種總線屬于不同的網(wǎng)絡(luò)層次，只有發(fā)揮兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，才能最大效率地保證網(wǎng)絡(luò)通信，減少故障率。針對目前總線系統(tǒng)中AS-i總線過長，Profibus DP總線過于簡單的問題，擬采用直接通過Profibus DP總線將AS-i網(wǎng)關(guān)級的控制層推到現(xiàn)場的操作箱或者模塊箱中，減少AS-i的傳輸距離。從電氣室到現(xiàn)場模塊箱之間的通信采用Profibus DP總線，這樣既減少了AS-i總線傳輸，又充分利用Profibus DP總線的傳輸抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，提高系統(tǒng)通信可靠性。

（2）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要從增加AS-i網(wǎng)關(guān)以及重新分配網(wǎng)關(guān)掛接模塊入手。針對應(yīng)用中，隨著AS-i電纜長度的增加，故障率會增高的問題，考慮到一旦出現(xiàn)故障，最好能快速確定故障點(diǎn)所在位置，擬將系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)，根據(jù)所屬子系統(tǒng)重新細(xì)分成多個(gè)AS-i網(wǎng)絡(luò)段，將同一部分的輸入輸出模塊，掛在一個(gè)AS-i網(wǎng)關(guān)下，這樣多個(gè)AS-i網(wǎng)關(guān)分成多個(gè)獨(dú)立的段，而且各網(wǎng)關(guān)相互不影響，不會發(fā)生某一個(gè)模塊出問題而導(dǎo)致整個(gè)AS-i網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象，而且發(fā)生故障時(shí)可以縮小檢修范圍，便于維修維護(hù)。另外，增加AS-i網(wǎng)關(guān)的數(shù)量，相應(yīng)的減少了每一段的AS-i電纜的長度，減少或者直接取消某些中繼器，使得每一段通信都建立一個(gè)較短的網(wǎng)絡(luò)段中，大大提高了通信的可靠性。

（3）器件升級。在完善總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的前提下，更新部分器件也可以提高通信質(zhì)量，減少故障發(fā)生。

2.方案實(shí)施步驟

翻車機(jī)電控系統(tǒng)分地面和給料器兩個(gè)獨(dú)立的部分，根據(jù)上述改造升級方案，擬采用的具體步驟如下：控制接線箱。⑥給料器部分網(wǎng)關(guān)1。取消給料器現(xiàn)場控制箱中的中繼器，把網(wǎng)關(guān)1移至此處，敷設(shè)Profibus總線電纜從室內(nèi)給料器柜至給料器現(xiàn)場控制箱。⑦給料器部分網(wǎng)關(guān)2。給料器液壓站模塊和現(xiàn)場控制箱模塊掛在網(wǎng)關(guān)2，在給料器現(xiàn)場增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)3，連接出口編碼器。增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)箱1安裝網(wǎng)關(guān)3和電源。

給料器與翻車機(jī)總線系統(tǒng)改造后的結(jié)構(gòu)體系如圖3、圖4所示。

圖3 給料器改造后總線結(jié)構(gòu)

圖4 翻車機(jī)改造后總線結(jié)構(gòu)

（1）網(wǎng)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化。①地面部分網(wǎng)關(guān)1。網(wǎng)關(guān)1和電源從室內(nèi)電氣柜移至夾輪器1、2模塊箱處，現(xiàn)場AS-i總線模塊重新敷設(shè)電纜至夾輪器1、2模塊箱，敷設(shè)Profibus DP總線電纜從室內(nèi)電器柜至夾輪器1、2模塊箱。②地面部分網(wǎng)關(guān)2。取消撥車機(jī)機(jī)下控制接線箱處的中繼器，把網(wǎng)關(guān)2和電源從室內(nèi)電氣柜移至此處，敷設(shè)Profibus DP總線電纜從室內(nèi)電器柜至撥車機(jī)機(jī)下控制接線箱。③地面部分網(wǎng)關(guān)3。取消翻車機(jī)液壓站、動(dòng)力站模塊箱處的中繼器，把網(wǎng)關(guān)3和電源從室內(nèi)電氣柜移至此處，敷設(shè)Profibus DP總線電纜從網(wǎng)關(guān)箱1至翻車機(jī)液壓站、動(dòng)力站模塊箱。④地面部分網(wǎng)關(guān)4。取消推車機(jī)機(jī)下控制接線箱處的中繼器，把網(wǎng)關(guān)4和電源從室內(nèi)電氣柜移至此處，敷設(shè)Profibus DP總線電纜從翻車機(jī)液壓站、動(dòng)力站模塊箱至撥車機(jī)機(jī)下控制接線箱。⑤地面部分網(wǎng)關(guān)5。增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)5（在夾輪器3模塊箱處），把原網(wǎng)關(guān)4下的夾輪器3機(jī)側(cè)操作箱、夾輪器3模塊箱和出口轉(zhuǎn)換機(jī)側(cè)操作箱中的模塊接到網(wǎng)關(guān)5下，敷設(shè)Profibus DP總線電纜從推車機(jī)機(jī)下控制接線箱至撥車機(jī)機(jī)下

（2）器件升級與更新。根據(jù)要求，需要對器件進(jìn)行更新?lián)Q代，現(xiàn)系統(tǒng)中的中繼器、直流AS-i電源、輸入模塊底座、輸入/輸出模塊底座沒有最新產(chǎn)品出現(xiàn)，可以暫時(shí)不考慮更換，而網(wǎng)關(guān)、交流電源、輸入模塊、輸出模塊、輸入/輸出模塊則必須升級。新的模塊采用航空插頭連接方式，舊的網(wǎng)關(guān)和電源通過標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌固定，新型的網(wǎng)關(guān)和電源安裝需要用螺栓固定在控制柜的底板上。

四、小結(jié)

升級網(wǎng)關(guān)后，由舊網(wǎng)關(guān)的31個(gè)地址升級為新網(wǎng)關(guān)的62個(gè)地址，大量的PLC地址出現(xiàn)重合，需要重新分配。項(xiàng)目施工中，大量安裝接線工作可以在前期進(jìn)行，將需要更換的模塊提前接好線，在現(xiàn)場施工時(shí)只需要拆裝端子排一端的連線即可，既方便快捷又能防止出錯(cuò)。

經(jīng)改造，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠性大幅度提高，減少了現(xiàn)場總線的故障，同時(shí)通過Profibus DP和AS-i總線結(jié)合的技術(shù)，充分利用兩種總線技術(shù)的特點(diǎn)，使系統(tǒng)的安裝和維護(hù)變得簡單。