ROCKWELL PLC在卸船機控制系統(tǒng)設(shè)計中的應用

徐斌

（華電重工股份有限公司，北京 100160）

ROCKWELL PLC在卸船機控制系統(tǒng)設(shè)計中的應用

徐斌

（華電重工股份有限公司，北京 100160）

結(jié)合某電廠碼頭橋式抓斗卸船機的具體案例，分析了ROCKWELL可編程控制器（PLC）的特點和應用優(yōu)勢。在設(shè)計中充分利用NetLinx開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為控制系統(tǒng)構(gòu)建了信息、控制、設(shè)備3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了控制和管理功能；同時，根據(jù)受控對象的功能要求，對PLC的軟件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)文件以及專業(yè)控制模塊做出了整體規(guī)劃和具體設(shè)計。

ROCKWELL PLC；卸船機；NetLinx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；軟件結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)文件；專業(yè)控制模塊

0 引言

橋式抓斗卸船機是港口碼頭散料接卸的主要設(shè)備。卸船機電氣系統(tǒng)的主要部分常采用標準三級控制模式：變頻控制、可編程控制器（PLC）控制、監(jiān)控系統(tǒng)。PLC是橋式抓斗卸船機控制系統(tǒng)的核心部件，除承擔全部控制尤其是抓斗自動控制任務之外，還為管理系統(tǒng)提供控制信息。目前國內(nèi)橋式抓斗卸船機設(shè)備上，相對高端的PLC控制系統(tǒng)廠商主要是SIEMENS公司和SCHNEIDER公司，這兩個品牌的PLC控制系統(tǒng)在橋式抓斗卸船機的應用比較普遍和成熟。ROCKWELL作為另一個世界級自動化設(shè)備及解決方案的供應商，進入國內(nèi)橋式抓斗卸船機控制系統(tǒng)的市場較晚，但它在整體集成架構(gòu)方面具有獨特的優(yōu)勢。

1 基于NetLinx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的控制理念逐漸深入人心。ROCKWELL自動化公司提出了集成架構(gòu)（Intergrated Architecture）的概念，將原有的控制器、現(xiàn)場總線、人機界面、運動／傳動系統(tǒng)整合到一個統(tǒng)一的框架下，以NetLinx技術(shù)的開放現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)為核心，配合FactoryTalk企業(yè)實時數(shù)據(jù)交換技術(shù)，采用統(tǒng)一的控制器和可視化平臺，實現(xiàn)控制系統(tǒng)、人機界面、批處理、運動／傳動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和信息無縫連接。

NetLinx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在各個網(wǎng)絡(luò)的應用層中都采用了統(tǒng)一的通用工業(yè)協(xié)議，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)之間信息路由和無縫連接，構(gòu)造了一個從設(shè)備底層到管理信息層的開放與集成的網(wǎng)絡(luò)平臺。NetLinx網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中最為顯著的特點就是采用了DeviceNet，Control-Net，EtherNet／IP這3層網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)功能的要求。

華電重工股份有限公司設(shè)計的印尼龍灣電廠碼頭橋式抓斗卸船機的額定出力為2 000 t／h，該設(shè)備控制系統(tǒng)即為上述3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，依次為設(shè)備層、控制層和信息層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 基于DeviceNet的設(shè)備層

DeviceNet作為現(xiàn)場總線技術(shù)的工業(yè)開放標準網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)的簡單連接。DeviceNet作為NetLinx的一部分，其數(shù)據(jù)能夠在整個NetLinx網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進行無縫路由。例如，Ethernet上的計算機無需其他編程就可以經(jīng)由Ethernet訪問DeviceNet，對ControlNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進行組態(tài)和監(jiān)控，極大地方便了上位機對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

卸船機控制系統(tǒng)的設(shè)備層包括各主機構(gòu)調(diào)速器、驅(qū)動電機、檢測元器件、操作站及傳感器等，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)的簡單連接。

1.2 基于ControlNet的控制層

作為IEC國際標準的現(xiàn)場總線，ControlNet能夠提供強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，在控制器與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、人機界面之間建立起一個穩(wěn)定、可靠的高速通信鏈路。ControlNet上設(shè)備的共同特點是要求傳送的數(shù)據(jù)量比較大，可靠性高，對時間有苛刻要求，因此，ControlNet網(wǎng)絡(luò)的成本也較DeviceNet高一些。

卸船機控制系統(tǒng)的控制層將PLC控制器與分布式I／O、觸摸屏等連接在一起，提供高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸和控制服務。

1.3 基于EtherNet／IP的信息層

EtherNet作為商用通信系統(tǒng)中最為常見的通信形式，有著極好的硬件和軟件平臺的支持，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本低于ControlNet和DeviceNet，近年來在控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。但是，EtherNet也有自身的缺陷，不能直接用于傳輸對時間有苛刻要求的數(shù)據(jù)，但是對編程、設(shè)備組態(tài)、系統(tǒng)監(jiān)控等應用來說，完全可以滿足要求。

圖1 卸船機驅(qū)動與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

卸船機控制系統(tǒng)的信息層通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機將PLC控制器、工控機以及電廠管理系統(tǒng)連接起來，完成了生產(chǎn)班組與工廠企業(yè)級的信息管理。本文所述卸船機控制系統(tǒng)還裝設(shè)了專用的3G數(shù)據(jù)通信模塊，以手機數(shù)據(jù)通信的方式接入Internet。廠家技術(shù)支持人員可通過Internet對卸船機的PLC進行直接訪問，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控和維護，極大地降低售后服務成本。

2 PLC控制系統(tǒng)配置方案

在確定了選用具有獨特網(wǎng)絡(luò)控制優(yōu)勢的ROCKWELL品牌的PLC后，根據(jù)系統(tǒng)3層網(wǎng)絡(luò)配置原則和對各控制對象的功能要求，確定PLC的系統(tǒng)配置方案。

PLC系統(tǒng)采用主站和分布式I／O的配置形式，主站機架設(shè)置電源、中央處理器（CPU）、DeviceNet通信模塊、ControlNet通信模塊、EtherNet通信模塊和高速計數(shù)器模塊；分布式機架配置電源、Control-Net通信模塊、開關(guān)／模擬量輸入輸出模塊等。

PLC主站通過ControlNet通信模塊與各分布式I／O和觸摸屏建立通信聯(lián)系，以實現(xiàn)控制層的網(wǎng)絡(luò)功能。PLC系統(tǒng)控制層網(wǎng)絡(luò)機架及型號見表1。

其中，司機室與PLC主站相距較遠（電纜敷設(shè)距離為150m左右），而且電纜要經(jīng)過電纜拖令小車承受頻繁折彎，為保證總線通信的可靠性，采用野戰(zhàn)軟光纜作為通信介質(zhì)。

表1 PLC系統(tǒng)控制層網(wǎng)絡(luò)機架及型號

PLC主站通過DeviceNet通信模塊與各機構(gòu)逆變器上的DeviceNet通信適配器建立通信聯(lián)系，以實現(xiàn)設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)控制功能。

PLC主站配置的EtherNet通信模塊，通過以太網(wǎng)交換機與機上電氣房內(nèi)的工控機（工程師站）、廠級管理系統(tǒng)工控機和3G遠程通信模塊連接在一起構(gòu)成信息層，實現(xiàn)信息管理功能。

3 PLC軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 RSLogix 5000組件

RSLogix 5000編程軟件是Logix平臺的通用編程環(huán)境，可對ControlLogix控制器進行編程，提供離線、在線編輯程序和程序上傳、下載功能，支持梯形圖（LD）、順序功能流程圖（SFC）、功能塊（FBD）和結(jié)構(gòu)化文本（ST）4種編程語言，開發(fā)人員可以方便地選擇適合項目的語言進行開發(fā)，節(jié)省了開發(fā)的時間和成本。

RSLogix5000組件主要由任務、程序和例程組成，有的項目中還包括上電處理程序和控制器故障程序，這些組成部分之間按照下列方式配合工作。

（1）Task（任務）：提供由一個或多個Program（程序）組成的Program集的規(guī)劃和優(yōu)先級信息，分為連續(xù)型（Continuous）、周期型（Periodic）和事件型（Event）3種類型的任務。

（2）Program：每個Task都至少需要一個Program，每個Program有其自己的Program Tag、主Routine（例程）、其他Routine和可選的Fault Routine，一個Program只能在一個Task中規(guī)劃，不能在多個Task之間共享一個Program。

（3）Routine：為控制器中的項目提供可執(zhí)行的代碼，每個Routine都用特定的編程語言（如梯形圖、順序功能流程圖、功能塊和結(jié)構(gòu)化文本）。

（4）Main Routine（主例程）：當一個Program執(zhí)行時，它的Main Routine首先執(zhí)行。使用Main Routine通過“跳轉(zhuǎn)至Sub Routine（子例程）”指令來調(diào)用其他子Routine。

（5）Sub Routine：除Main Routine和Fault Routine以外的任何Routine。要執(zhí)行一個Sub Routine，需在另一個Routine（如Main Routine）中使用“跳轉(zhuǎn)至Sub Routine”指令來調(diào)用。

3.2 數(shù)據(jù)文件和程序文件的設(shè)計

在進行本文所述卸船機PLC程序設(shè)計時，根據(jù)卸船機電控系統(tǒng)的功能和抓斗控制軟件的客觀要求，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件和程序文件都做了規(guī)劃設(shè)計。3.2.1 數(shù)據(jù)文件

在進行數(shù)據(jù)文件設(shè)計時，除了定義簡潔明了的標簽外，大量使用數(shù)組和自定義的結(jié)構(gòu)體，以方便編程和設(shè)備維護。例如，在開閉機構(gòu)的自定義結(jié)構(gòu)體中，將相關(guān)聯(lián)的成員變量都加入到結(jié)構(gòu)體中，如開閉編碼器實時累加值、開閉速度給定輸出值、開閉電流限制值等；再例如，在關(guān)于偏差的自定義結(jié)構(gòu)體中，成員包括開閉編碼器減支持編碼器的實時差值、電流（負載）平衡的差值、開斗位置、開斗減速位置等。這樣，在引用標簽時，與之有關(guān)的變量都在這個結(jié)構(gòu)體中，非常清晰。

卸船機控制系統(tǒng)的實際I／O數(shù)量在1 000點左右，有必要在整個程序范圍內(nèi)預先規(guī)劃“通用程序字位表”。具體來說就是在程序變量（Controller Tags）范圍內(nèi)建立一個BOOL型的數(shù)組，命名為M。事先做好定義，哪一個變量在整個程序范圍內(nèi)就代表了哪種特定的狀態(tài)。這樣，無論是在各機構(gòu)的控制邏輯中，還是在調(diào)用專業(yè)控制模塊的實際參數(shù)時，都可以通過簡潔明確的變量名建立起直接聯(lián)系，這樣做同時也提高了程序的可讀性。表2列出了該設(shè)備按機構(gòu)劃分的通用程序字位。

表2 通用程序字位

3.2.2 程序文件

ControlLogix控制系統(tǒng)中的程序是通過Task來執(zhí)行的。ControlLogix包括連續(xù)型、周期型及事件型3種類型任務。

（1）連續(xù)型任務。連續(xù)型任務在后臺運行，任何不分配給其他操作的CPU時間，都用于執(zhí)行連續(xù)型任務中的程序。連續(xù)型任務始終運行，當完成一次全掃描之后，會立即重新開始掃描，不間斷反復運行。

（2）周期型任務。周期型任務按照指定的周期來執(zhí)行，只要到達周期型任務指定的時刻，該類型的任務就會自動中斷所有低優(yōu)先級的任務，執(zhí)行一次周期型任務，然后將控制權(quán)交回先前正在執(zhí)行的任務。周期型任務的執(zhí)行周期默認值是10.0ms，可選范圍是0.1～2000.0ms。

（3）事件型任務。事件型任務是在某項特定的事件發(fā)生（觸發(fā)）時才開始執(zhí)行的，這些觸發(fā)源可以是數(shù)字量輸入、模擬量新采樣的數(shù)據(jù)、特定的運動操作、消費者標簽、使用Event指令。

綜合考慮橋式抓斗卸船機要求機構(gòu)速度／電流響應快的特點和抓斗軟件的需要（為了獲得正確的抓斗操作運行，抓斗軟件的每個任務周期不能超過20ms），本文所述卸船機控制系統(tǒng)將所有程序的執(zhí)行歸納到2個周期型任務當中：一個是周期為20ms的快速控制任務（優(yōu)先級高），另一個是周期為100 ms的普通控制任務（優(yōu)先級低）。這樣，每20ms到達優(yōu)先級高的任務指定時刻時，系統(tǒng)就會自動中斷所有低優(yōu)先級的任務，優(yōu)先執(zhí)行重要的抓斗控制功能，然后將控制權(quán)交回低優(yōu)先級的任務。

在高優(yōu)先級的抓斗控制任務中，執(zhí)行的功能和任務以子程序和專業(yè)控制模塊的形式被系統(tǒng)調(diào)用，主要包括抓斗控制軟件、通過高速計數(shù)器采集的“支持／開閉／小車”機構(gòu)編碼器的數(shù)據(jù)處理、PLC與驅(qū)動器的通信狀態(tài)監(jiān)測、DeviceNet總線數(shù)據(jù)的讀寫、半自動運行時的軌跡計算／防搖處理等。

低優(yōu)先級的普通任務中，包含了卸船機其他的所有控制功能：各機構(gòu)控制邏輯、各機構(gòu)的故障字處理、配電和保護系統(tǒng)的安全檢測、司機各種控制指令的處理、卸船機與上級控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖／通信、故障分級管理系統(tǒng)的邏輯控制等。

4 專業(yè)控制模塊的開發(fā)

在橋式抓斗卸船機的PLC軟件中，對一些獨特的運動工藝、專用的數(shù)據(jù)處理過程、關(guān)鍵的保護等功能進行整體封裝，制作成專業(yè)的控制模塊，是比較流行的做法。有些公司還將一些與傳動有密切聯(lián)系的專業(yè)功能或工藝過程單獨封裝在傳動系統(tǒng)軟件內(nèi)。在程序中使用專業(yè)控制模塊有以下優(yōu)點。

（1）業(yè)控制模塊一般針對某個特定的運動工藝或?qū)Ｓ玫臄?shù)據(jù)處理過程，程序調(diào)用時結(jié)構(gòu)清晰、目的明確，增強了程序的可讀性。

（2）專業(yè)控制模塊在程序中使用前一般都經(jīng)過充分測試，有助于提高程序運行的可靠性，大幅減少調(diào)試人員的現(xiàn)場工作量。

（3）有些專業(yè)模塊在程序中經(jīng)常重復調(diào)用，提高了程序整體的運行效率。

（4）專業(yè)控制模塊加密后，能夠有效避免用戶維護人員軟件上的誤操作，同時還有利于廠家知識產(chǎn)權(quán)的保護。

目前，國內(nèi)橋式抓斗卸船機PLC控制系統(tǒng)在實際應用中比較普遍的是SIEMENS公司的S7-400系列和SCHNEIDER公司的QUANTUM系列產(chǎn)品。專業(yè)人員針對相關(guān)傳動系統(tǒng)的不同特點，開發(fā)了很多功能豐富的專業(yè)控制模塊。

本文所述卸船機PLC系統(tǒng)采用的是ROCKWELL公司的1756系列PLC，針對抓斗控制軟件的具體需求和編程軟件的具體特點，設(shè)計建立了大量專用控制模塊和專用功能模塊。這些專業(yè)控制模塊封裝后，均經(jīng)過充分測試并已投入實際運行，使用效果良好。

5 結(jié)束語

先進的控制系統(tǒng)設(shè)計是實現(xiàn)橋式抓斗卸船機控制功能的前提。

ROCKWELL PLC在集成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及軟件結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢獨特，本文根據(jù)卸船機電控系統(tǒng)的具體特點，充分利用Netlinx開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，構(gòu)建了信息、控制、設(shè)備3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，高效地實現(xiàn)了控制和管理功能。軟件方面，根據(jù)卸船機自動控制的需求，對PLC程序結(jié)構(gòu)和相關(guān)數(shù)據(jù)文件做了整體規(guī)劃和設(shè)計，同時針對抓斗自動控制軟件的需求，設(shè)計和調(diào)試了全部專業(yè)控制模塊。

本文所述卸船機作為某電廠碼頭唯一的一臺卸船機，設(shè)備使用率很高，已穩(wěn)定運行4年多，工程應用效果良好。

［1］錢曉東.循序漸進CMS機器控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］徐雄炳.橋式卸船機抓斗自動控制功能的應用研究［D］.上海：上海交通大學，2004.

（本文責編：劉芳）

U 653.928

：A

：1674-1951（2015）06-0028-04

徐斌（1975—），男，安徽安慶人，工程師，從事港口行業(yè)裝卸船機等大型散料裝卸設(shè)備電氣系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工作（E-mail：xubin＠chec.com.cn）。

2015-05-26；

2015-06-09