ECL陽極焙燒多功能天車控制系統(tǒng)升級研究

石強

(四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司， 四川眉山 620041)

1 概述

陽極焙燒多功能天車是鋁電解用陽極焙燒生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備之一，利用率高，它的運行穩(wěn)定性直接關(guān)系到陽極焙燒的生產(chǎn)，它的裝備技術(shù)和功能配置直接影響著焙燒生產(chǎn)的自動化水平。

四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司焙燒車間于2003年引進(jìn)兩臺法國ECL陽極焙燒多功能天車，該設(shè)備具有靈活性大、可操作性強、綜合性好等特點，主要功能：①生陽極裝爐；②焙燒后熟陽極出爐；③填充料的吸料；④填充料鋪料；⑤輔助吊運；⑥焙燒爐火道墻清刷等。

多功能天車主要由大車、工具小車、陽極夾具、8噸電動葫蘆、鋪料裝置、吸料裝置、清刷機、真空系統(tǒng)裝置、壓縮空氣裝置、電氣及操作系統(tǒng)等部分組成。

兩臺焙燒多功能天車控制系統(tǒng)產(chǎn)品采用國際著名品牌美國羅克韋爾自動化公司的中大型PLC5/40控制系統(tǒng)和2711人機界面，硬件配置如圖1所示。電機傳動控制采用AB1336變頻控制，采用電位器操作手柄控制，實現(xiàn)設(shè)備運轉(zhuǎn)無級調(diào)速。通過人機界面實現(xiàn)可視化操作，操作人員可通過人機界面實時掌控天車運行狀態(tài)，通過天車運行條件的掌控，可提高設(shè)備故障排查時間。通過PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用，省去了許多傳統(tǒng)繼電器控制方式下繁雜的硬接線系統(tǒng)，可顯著的降低了設(shè)備故障率。PLC控制器之所以能得到廣泛的應(yīng)用，其中一個重要的優(yōu)勢就是，它具備的強大的可編程功能，可實現(xiàn)許多傳統(tǒng)控制方式無法實現(xiàn)的控制功能，并且終端用戶可隨時對控制程序進(jìn)行修改以適應(yīng)用戶的不同需求，而無須改變系統(tǒng)的外部硬件接線，使設(shè)備的易用性得到明顯加強［2］。

圖1 ECL天車控制系統(tǒng)原硬件結(jié)構(gòu)［3］

2 PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司焙燒車間引進(jìn)的兩臺法國進(jìn)口ECL陽極焙燒多功能天車采用的美國羅克韋爾公司PLC5系統(tǒng)控制系統(tǒng)、1336系列變頻器等,隨著控制技術(shù)的日新月異，十幾年的發(fā)展，舊產(chǎn)品已全線停產(chǎn)淘汰，無備件供應(yīng)將直接影響多功能天車正常運行，對焙燒陽極生產(chǎn)造成較大的風(fēng)險和隱患。兩臺多功能天車經(jīng)過十多年的持續(xù)運行，由于長期處理振動、高溫、多粉塵等環(huán)境下，控制器、I/O模塊包括機架，均出現(xiàn)不同程度的老化等故障現(xiàn)象。隨著運行時間的延續(xù)，故障率將會越來越高，對天車現(xiàn)有控制系統(tǒng)的升級改造已十分緊迫。

2.1 國內(nèi)市場上PLC產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前，PLC市場產(chǎn)品豐富，各種型號產(chǎn)品幾千種。當(dāng)前中國市場上占主導(dǎo)地位的PLC產(chǎn)品主要還是集中于美國、歐洲、日本的PLC品牌。如美國的羅克韋爾自動化(Rockwell Automation）、GE-Fanuc;德國的西門子（Siemens）、法國的施耐德（Schneider）;日本的歐姆龍（Omron）、三菱電機（Mitsubishi）。國內(nèi)PLC品牌，產(chǎn)品主要以小型機為主，但技術(shù)上相對于應(yīng)用廣泛的歐姆龍、三菱等中小型PLC品牌，還存在不少差距，所以在國內(nèi)PLC市場份額占有率一直較低。中國目前市場上95%以上的PLC產(chǎn)品還是來自如：西門子、三菱電機、歐姆龍、羅克韋爾自動化、施耐德、GE-Fanuc等國際大公司。在產(chǎn)品應(yīng)用類別上，歐美公司如西門子、羅克韋爾自動化等在大、中型PLC領(lǐng)域一直占居主導(dǎo)地位。

從PLC產(chǎn)品應(yīng)用在行業(yè)分布上，羅克韋爾自動化的PLC產(chǎn)品在冶金行業(yè)應(yīng)用較多。羅克韋爾自動化控制系統(tǒng)包括Logix控制器及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，是專為實時控制要求的系統(tǒng)而設(shè)計開發(fā)的。Logix控制器是多總線的控制器，其具有多處理器；Logix控制平臺是將順序控制，過程控制，傳動控制和運動控制基于一體的完整的控制平臺，是世界上最先進(jìn)的綜合控制器，配以開放性的通訊網(wǎng)絡(luò)和豐富的羅克韋爾軟件，提供在任何應(yīng)用上的實時控制要求［4］。

2.2 羅克韋爾自動化ControlLogix控制系統(tǒng)

ControlLogix系統(tǒng)是羅克韋爾自動化有限公司繼PLC5/SLC500系列PLC之后推出的第三代工業(yè)控制產(chǎn)品，適合于上千個I/O點的控制系統(tǒng)，從硬件配置、通信方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上都有較大的變化，它基于高度模塊化結(jié)構(gòu)，在硬件組合和擴(kuò)展上有相對于PLC5/SLC500有更大的靈活性，控制性能也得到很大的提高，在通信方式上兼容DH+、RIO等通信網(wǎng)絡(luò)，可完全替代PLC5系列的產(chǎn)品。

作為第三代控制器產(chǎn)品，其特點有：①系統(tǒng)封裝外形更小，所需安裝空間占用更低。②采用模塊化結(jié)構(gòu)，IO模塊在組態(tài)上不像PLC5受槽位限制，可任意進(jìn)行IO模塊的組合，允許各種模塊混合使用。③可拆卸端子塊，可使用第三方定制端子塊靈活的與IO模塊互聯(lián)，實現(xiàn)更加緊湊的硬件布線。④產(chǎn)品線更加豐富，可根據(jù)用戶的不同需求進(jìn)行選擇，如高溫、粉塵、腐蝕環(huán)境下，有ControlLogix-XT擴(kuò)展溫度控制產(chǎn)品，可以承受的溫度范圍-25-70℃，組件帶防護(hù)涂層，可延長產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下的使用壽命。⑤易于使用的標(biāo)簽尋址方式：硬件組態(tài)自動生成系統(tǒng)標(biāo)簽，從而減少用戶程序的開發(fā)時間。⑥強大的通信功能，兼容多種通信方式，每個控制器支持多達(dá)250個通信連接。⑦多任務(wù)系統(tǒng)：可定義32個不同級別的任務(wù)，1000個執(zhí)行程序，滿足用戶對控制對象的不同需求。⑧可靠的控制性能，處理器速度更高，時間響應(yīng)更快。⑨采用閃速內(nèi)存，用戶通過軟件即可將處理器升至最新版本［5］。

3 升級方案的可行性分析

3.1 方案概況

本方案主要研究選用羅克韋爾（Rockwell Automation）最新系列的ControlLogix PLC和PF755工業(yè)型變頻器、PVP7最新一代人機界面，在產(chǎn)品的選型上確保在未來10-15年內(nèi)產(chǎn)品不會被淘汰。

3.2 方案可行性對比分析

目前市場上主流的大中型PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)品主要集中在羅克韋爾和西門子。我公司建廠之初主要采用的PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)品為羅克韋爾，如果采用羅克韋爾控制系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行升級，將具有較大的優(yōu)勢：①控制器程序可通過羅克韋爾提供的專用升級轉(zhuǎn)碼工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對程序的修正工作量及時間消耗較小，有助于提高改造的時間和速度。②2016年公司對電解1臺多功能天車的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，經(jīng)過幾年的改造運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實踐經(jīng)驗可借鑒。③公司設(shè)備檢修維護(hù)工作人員對羅克韋爾產(chǎn)品熟悉，現(xiàn)場維修及處理經(jīng)驗相對比較豐富，有助于后期產(chǎn)品維護(hù)檢修工作的開展。④因公司各車間主要使用羅克韋爾控制產(chǎn)品，有利用后期設(shè)備維護(hù)備件資源共亨，降低備件庫存費用。

4 系統(tǒng)硬件升級方案

4.1 PLC控制器升級思路

圖2 PLC硬件配置升級

控制系統(tǒng)采用的為羅克韋爾PLC5（1784-L40B）系統(tǒng)，本地IO為1771系列模塊；通過RIO組態(tài)到觸摸屏。新控制系統(tǒng)考慮到運行環(huán)境溫度、粉塵、振動以及其他因素等，方案采用ControlLogix替換原有的PLC5控制系統(tǒng)，控制器采用羅克韋爾公司目前主流產(chǎn)品1756-L7X系列控制器，原有的1771的I/O用1756 I/O按照點位數(shù)量、類型一對一替換。如圖2所示。PLC輸出模塊到中間繼電器之間選用預(yù)接線端子板，減少接線不牢引起的故障?？刂瞥绦蛲ㄟ^羅克韋爾專用升級轉(zhuǎn)換，以保證原系統(tǒng)程序控制邏輯保持一致。保證生產(chǎn)環(huán)境中安全、可靠運行。

4.2 人機界面升級思路

人機界面的通訊方式是采用RIO網(wǎng)與PLC通訊，目前這種通訊方式的人機界面在羅克韋爾公司已經(jīng)不再主推，屬于淘汰產(chǎn)品。并且新產(chǎn)品已不再支持RIO通訊接口。因此，在選擇新型人機界面將使用以太網(wǎng)與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，升級產(chǎn)品標(biāo)配以太網(wǎng)通訊接口，無需增加額外配置成本見圖3。

圖3 人機界面與PLC網(wǎng)絡(luò)配置圖

4.3 電機傳動控制升級思路

兩套陽極夾具傳動裝置使用的變頻器為1336 IMPACT系列，該變頻器羅克韋爾已經(jīng)淘汰并停產(chǎn)多年，新的升級替代產(chǎn)品最新型號為PF755系列，該產(chǎn)品自帶以太網(wǎng)接口，通地集成化的LOGIX控制平臺，應(yīng)用羅克韋爾LOGIX系統(tǒng)帶有ADC自動配置功能，能夠解決變頻器參數(shù)備份，上傳、下載功能，用戶只需要一次性設(shè)置好變頻器運行參數(shù)，保存在PLC內(nèi)存里，從而減小變頻器更換備件的停機時間，如圖4所示。同時，考慮到變頻器行車起重使用功能，使用PF755系列工程型變頻器，利用它的力矩校驗功能，使得起重控制得以更安全的保障。

圖4 變頻器與PLC網(wǎng)絡(luò)配置圖

4.4 軟件升級策略

控制系統(tǒng)的升級改造，因系統(tǒng)硬件控制平臺的不同，原PLC5控制程序需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換成ControlLogix項目應(yīng)用。由于PLC5與ControlLogix控制器軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上存在較大的差異性，所以，在轉(zhuǎn)換過程中需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換或替換。此外，ControlLogix和PLC5的通信方式也不相同，通信指令也應(yīng)作相應(yīng)的修改。［1］項目轉(zhuǎn)換的基本步聚如下：

4.4.1 PLC5的文件類型轉(zhuǎn)換

在PLC5編程軟件rslogix5中打開要轉(zhuǎn)換的PLC5項目，將其另存為*.PC5的library文件，注意，須選定專門的路徑來存放見圖5。

圖5 程序代碼轉(zhuǎn)換

這樣做是為了獲得Text形式的文件，為后面的轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備。

4.4.2 PLC5注釋文件的導(dǎo)出

從PLC5的同一項目中導(dǎo)出注釋部分的ASCII碼文件。于TOOL下選擇Database及AsciiExport,如圖6所示。

圖6 注釋文件導(dǎo)出

對于PLC5來說，選擇CSV的形式，如圖7所示，獲得要轉(zhuǎn)換項目的Text形式的注釋文件。

4.4.3 實施項目文件轉(zhuǎn)換

打開Logix Designer編程軟件，選擇Tools，點擊RSlogixProjectMigrator，如圖8所示。根據(jù)轉(zhuǎn)換項目步聚，實現(xiàn)從PLC5到LOGIX5000項目的轉(zhuǎn)換。

4.4.4 改寫錯誤指令和未知指令

圖7 注釋文件保存類型

圖8 軟件升級工具

在新的ControlLogix項目梯形圖程序中，改寫PCE指令中的相應(yīng)誤差，改寫UNK指令。PLC5與logix5000中不對應(yīng)的指令，在新的程序中以未知指令UNK表達(dá)，應(yīng)分析具體的情況，并進(jìn)行相應(yīng)的改寫。

4.4.5 組態(tài)控制器、框架和I/O模塊

在新的硬件配置中，I/O模塊已經(jīng)變成ControlLogix專用I/O模塊，所以應(yīng)按照ControlLogix的規(guī)則重新進(jìn)行I/O模塊的硬件組態(tài)工作，同時根據(jù)實際情況完成組態(tài)控制器的框架和尺寸。

4.4.6 重組I/O地址

舊的I/O地址，在PLC5中是以映像表的數(shù)據(jù)文件形式存放的，在上述的轉(zhuǎn)換過程中，被命名為新的標(biāo)簽數(shù)據(jù)地址，這些新的標(biāo)簽數(shù)據(jù)地址在程序中仍然引用，所以，可以應(yīng)用BTD,MOV或COP指令編程，將這些地址與組態(tài)I/O模塊產(chǎn)生的I/O地址一一對應(yīng)起來。其它要檢查和考慮的，有的指令并沒有錯誤，但仍然有問題存在，應(yīng)進(jìn)行檢查。

5 結(jié)論

（1）PLC控制系統(tǒng)目前廣泛在起重機中應(yīng)用，相比傳統(tǒng)繼電器控制，具有反應(yīng)速度快，噪聲低，能耗小，體積小，控制精度高，通過其強大的編程功能可實現(xiàn)復(fù)雜的高級控制過程，可使系統(tǒng)長期保持穩(wěn)定運行，安全可靠性得到顯著提升。

（2）陽極焙燒多功能天車,作為陽極焙燒生產(chǎn)的重要關(guān)鍵設(shè)備，對傳動控制的時間響應(yīng)，設(shè)備安全運行的可靠性，環(huán)境適應(yīng)性有很高的要求，一套可靠的控制系統(tǒng)是關(guān)系到天車能否安全運行的有力保障。

（3）通過采用同品牌控制系統(tǒng)產(chǎn)品升級改造，利用廠家提供的設(shè)備升級改造相關(guān)技術(shù)支持，可節(jié)省改造時間，有效減少設(shè)備停機時間，為陽極焙燒車間連續(xù)性生產(chǎn)創(chuàng)造更有利的條件。