堆場單機高性能行走控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

姜來福

神華黃驊港務有限公司 滄州 061113

0 引言

國內(nèi)某港口煤炭堆場分布著眾多取料機及堆料機，承擔著煤炭堆料和取料裝船的任務。目前，隨著堆場智能化作業(yè)模式逐步取代人工手動操作，要求單機必須具備高精度實時行走控制功能。雖然堆場單機行走配有GPS定位，但長期使用中無法滿足單機自動化作業(yè)對行走數(shù)據(jù)實時性、穩(wěn)定性以及精度的要求。為此，在GPS定位裝置的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種高精度單機行走控制系統(tǒng)，與GPS互為冗余，行走指令發(fā)出后，根據(jù)目標位置和速度要求，由變頻器控制電機動作。系統(tǒng)工作過程中，絕對值編碼器向PLC發(fā)送實時位置和速度數(shù)據(jù)，通過RFID系統(tǒng)校正后的位置數(shù)據(jù)及速度值來實現(xiàn)單機的各種行走和保護功能，并對重要的數(shù)據(jù)檢測，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測真空。

1 系統(tǒng)設(shè)計要求

對于示例堆場，一般情況下，堆場單機沿東西方向長約1 300 m的軌道行走，軌道兩側(cè)分布多個矩形煤炭堆場，每個堆場都有固定的坐標及煤堆模型。自動化模式作業(yè)后，需要行走系統(tǒng)提供高精度的單機位置數(shù)據(jù)來滿足堆場的建模以及自動取料堆料作業(yè)、HMI人機交互以及極限限位保護。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

通過對系統(tǒng)要求的分析，利用PLC、SICK絕對值編碼器、電機變頻控制、RFID技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、集成架構(gòu)、設(shè)備級環(huán)網(wǎng)技術(shù)等，設(shè)計了一套包括主控裝置、行走裝置、校正裝置、保護裝置、HMI人機界面等的高精度行走控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

其工作原理是：操作界面發(fā)出作業(yè)指令給主控PLC系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)指令內(nèi)容通過變頻器啟動電機帶動行走輪轉(zhuǎn)動，同時絕對值編碼器開始實時向主控系統(tǒng)傳送位置和速度數(shù)據(jù)，通過RFID校正單元校正后，完成相應的行走動作及保護功能。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分采用ControlLogix5000控制器為控制核心，運算后完成對各部分裝置的運行協(xié)調(diào)和控制。其硬件系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、行走裝置、編碼器裝置、RFID校正裝置、通訊模塊等組成。

3.1 系統(tǒng)主控裝置的選型和設(shè)計

系統(tǒng)主控裝置采用某處理器中適合大型企業(yè)控制平臺的1756-L73作為主控制器。該控制器適合上千個I/O點的控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)關(guān)作用的背板可以連接系統(tǒng)的所有網(wǎng)絡。該系統(tǒng)是模塊與模塊之間的通信，幾乎所有的模塊都是智能化且具備通訊能力的，I/O模塊與控制器之間的數(shù)據(jù)交換也以通信的方式實現(xiàn)。在RSLinx連接軟件上瀏覽，看到的各個擬模塊設(shè)備是真實的物理連接，而它們之間的邏輯連接關(guān)系可通過組態(tài)定義實現(xiàn)。在RSLogix5000編程軟件的I/O Configuration下，可基于真實的物理連接來組態(tài)控制器所屬的I/O模塊，便可實現(xiàn)模塊之間數(shù)據(jù)交換通道。

該控制系統(tǒng)采用17槽邏輯機架，機架自供電源。系統(tǒng)采用EtherNet/IP通信模式，即對應網(wǎng)絡模塊1756-EN2T實現(xiàn)與編碼器、RFID的以太網(wǎng)通訊；采用DeviceNet通信模式對應的網(wǎng)絡模塊1756-DNB實現(xiàn)和行走變頻器的設(shè)備網(wǎng)通信。上位機可通過內(nèi)置的RS-232串口和遠程以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)程序的調(diào)試和修改。其他操作按鈕和顯示單元直接和PLC的I/O單元相連接。

3.2 變頻行走裝置選型及設(shè)計

堆場單機的行走裝置主要由2臺總功率為90 kW的變頻器及2臺總功率為70 kW的變頻器、26臺單功率為5.5 kW的三相行走電機、行走制動器、驅(qū)動輪及從動輪等組成。行走電機分成2組，分布在兩側(cè)行走軌道上，負責單機的正反轉(zhuǎn)行走和制動的執(zhí)行。三相電機通過變頻器與PLC相連，PLC和變頻器之間通過1個設(shè)備網(wǎng)通信模塊1756-DNB進行通信，實現(xiàn)對電機的變頻控制。

3.3 位置檢測及矯正裝置設(shè)計

堆場單機的中心選在回轉(zhuǎn)平臺的中心處，編碼器和RFID的讀數(shù)根據(jù)其安裝位置到回轉(zhuǎn)中心的水平距離進行偏置量疊加，編碼器到回轉(zhuǎn)中心的水平距離約為200 cm，讀寫頭到回轉(zhuǎn)中心的距離為370 cm。在行走過程中，行走輪會發(fā)生一定程度的堵轉(zhuǎn)和滑移的現(xiàn)象，造成編碼器數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的累積誤差，無法滿足自動取料要求的精度。為進一步適應自動化作業(yè)的要求，本系統(tǒng)中位置檢測統(tǒng)一采用以太網(wǎng)絕對值編碼器，安裝在單機的行走從動輪的同心軸上，再輔以RFID校正系統(tǒng)，通過這樣的方式基本可避免上述累計誤差。編碼器選用Sick絕對值多圈編碼器，內(nèi)置以太網(wǎng)通訊模塊，單圈分辨率和總?cè)?shù)可組態(tài)設(shè)置。把編碼器的以太網(wǎng)接口先連到匯總交換機，交換機的接口再連到本地機架的1756-EN2T上與PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

位置校正裝置采用射頻識別系統(tǒng)（RFID），硬件包括網(wǎng)關(guān)、數(shù)字量輸入輸出模塊、載碼體、RFID接口模塊、讀寫頭。其中載碼體（標簽）按照間隔10 m的距離沿一側(cè)軌道從東到西依次安裝固定，RFID讀寫頭固定在單機上。讀寫頭到標簽的垂直距離在10～15 cm范圍內(nèi)，以保證單機以0.5 m/s的速度行走時進行可靠讀寫。單機在行走過程中，由讀寫頭依次讀取各個載碼體，將讀取的數(shù)據(jù)送到PLC進行程序運算。

3.4 以太網(wǎng)通訊設(shè)計與組態(tài)

示例港口堆場控制系統(tǒng)原先的DeviceNet網(wǎng)絡、ControlNet網(wǎng)絡、串口通訊等處于多種協(xié)議混雜共存的狀態(tài)，而設(shè)備網(wǎng)與以太網(wǎng)混用使得系統(tǒng)鏈路較復雜、維護困難。為此，系統(tǒng)采用集成架構(gòu)理念，將原系統(tǒng)中的多種通訊統(tǒng)籌為以太網(wǎng)通訊，為后續(xù)的5G通訊、設(shè)備的配置管理、升級維護提供便利。堆場單機行走控制系統(tǒng)網(wǎng)絡配置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡配置圖

設(shè)備級環(huán)網(wǎng)（DLR）（見圖3）是一種單點故障容錯環(huán)形網(wǎng)絡，其具有拓撲結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡上發(fā)生單點故障時能快速恢復的優(yōu)點。PLC控制器通過環(huán)形網(wǎng)絡與1794系列Flex I/O通訊組成設(shè)備級環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并通過環(huán)形網(wǎng)絡與編碼器、RFID、雷達及變頻器設(shè)備實現(xiàn)通訊。

圖3 DLR環(huán)網(wǎng)下的遠程I/O通訊

1）PLC與遠程I/O的以太網(wǎng)通訊 為提高整套系統(tǒng)的后期推廣性，優(yōu)先選用1794系列Flex-I/O作為遠程站的形式接入PLC系統(tǒng)。PLC控制器和遠程I/O的通訊，通過1756-EN2TR和1794-AENTR模塊來實現(xiàn)。只需用將各通訊模塊連接成環(huán)網(wǎng)，并在1794-AENTR通訊模塊配置面板上將IP地址撥碼設(shè)好，然后通過編程軟件實現(xiàn)PLC和遠程I/O之間的信息交互。

2）人機交互界面HMI設(shè)計 采用可開發(fā)人機交互應用項目的組態(tài)軟件FactoryTalk View Studio設(shè)計HMI界面；用可與服務器上應用項目交互的軟件FactoryTalk View SE Client設(shè)計客戶端；用FactoryTalk View SE Server存儲HMI工程組件，并提供給客戶。

根據(jù)生產(chǎn)特點，本系統(tǒng)設(shè)計成網(wǎng)絡分布式和本地站點兩種界面模式，兩種模式的監(jiān)控界面和內(nèi)容基本相同，前者主要用在遠程集中控制，后者用在單機上實現(xiàn)人機交互。通過人機界面實現(xiàn)單機工作模式的選擇，遠程故障復位、指令設(shè)置、故障顯示等。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)功能總體設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場工藝，系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要采用梯形圖語言實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件總體設(shè)計流程

系統(tǒng)通電后進行初始化，之后PLC進入周期循環(huán)掃描，在主程序和子任務之間進行巡查和調(diào)用。系統(tǒng)的初始化包括PLC自檢、通信協(xié)議初始化、模塊狀態(tài)初始化、寄存器初始化、I/O端口初始化等。初始化完成后，編碼器向PLC發(fā)送實時編碼值，根據(jù)編碼值判斷單機當前位置，同時系統(tǒng)與人機界面進行交互，一旦確認界面發(fā)出指令，PLC判斷電機行走速度和方向，并把數(shù)據(jù)發(fā)給行走變頻器，由變頻器控制三相電機動作并帶動編碼器旋轉(zhuǎn)。電機轉(zhuǎn)動過程中，編碼器向PLC發(fā)行實時編碼值。在到達目標值之前，F(xiàn)RID讀寫頭每掃描一個載碼體，就把當前編碼器值和載碼體的值進行比較，若30 cm＞差值＞10 cm，對編碼器中間量進行加偏置，若＞30 cm，PLC報編碼器故障，并控制電機停止。當編碼器的值=目標位置值時，PLC發(fā)送指令給變頻器控制電機停止，同時使能制動器。

4.2 絕對值編碼器的軟件組態(tài)

編碼器是行走控制的核心檢測裝置，軟件組態(tài)是實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵。首先是對其通訊進行配置，本文使用固定IP設(shè)定的方式，通過3個旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)，分別設(shè)定 IP 地址最后一個字節(jié)的百位、十位和個位，有效設(shè)定范圍為 1～254；IP 地址：192.168.1.XXX；第二步，進行Rockwell軟件配置，即在RSLogix5000軟件I/O Configuration里添加一個Generic Ethernet module，填寫編碼器IP地址，輸入輸出Instance和所需字節(jié)長度。在Offline 模式下雙擊Controller tags，在Encoder_Travelling:C.Data中為編碼器分配控制參數(shù)，Encoder_Travelling:C.Data的第4、5、6、7字節(jié)代表單圈分辨率CPR，第8、9、10、11字節(jié)代表多圈分辨率CMR，令 C.Data(4)=00 h，C.Data(5)=20 h，C.Data(8)=C.Data(9)=C.Data(10)=00 h，C.Data(11)=02 h則CPR=2 000 h=8192，CMR=8 000 h=33 554 432；因此可以根據(jù)從動輪周長算出編碼器單位線數(shù)對應的長度，即標簽P10R[3]=0.241 461 6 mm/bit；然后啟用Scaling 功能，令 C.Data(13)=01 h，將參數(shù)下載，則編碼器每次上電后將自動按照新的配置返回位置值；第三步，為實現(xiàn)對編碼器數(shù)據(jù)的讀寫，可以導入AFX60 Ethernet IP addon instructions，利用此功能塊，如圖5所示，可實現(xiàn)編碼器當前位置設(shè)定即初始化對應標簽St_Data_Travel，讀取當前編碼器的速度值以及位置數(shù)據(jù)等。

圖5 Sick編碼器在ControlLogix5000PLC中的編程實現(xiàn)

4.3 位置檢測及矯正裝置軟件設(shè)計

行走位置檢測及矯正裝置軟件設(shè)計，判斷電機的速度，限位保護，編碼器校正以及實現(xiàn)快速精確動作。RFID行走校正的實現(xiàn)，通過讀寫頭對載碼體從西向東依次寫入1到116，對應PLC中標簽名為RFID_Num；根據(jù)GPS提前測出每個載碼體的中心位置，分別錄入PLC對應的標簽RFID_PositionQue[150]中。當單機行走時，讀寫頭讀取載碼體的數(shù)值并上傳給PLC，再由PLC查詢到對應的位置參數(shù)，然后與編碼器數(shù)值進行比較校正，實時保證編碼器數(shù)值的正確性。軌道從西到東約1 300 m，單機行走到距離軌道前后終點一定距離如50 m時，即編碼器的值≤50 m或≥1 250 m時，PLC會控制變頻器降低為全速的10%運行，以防止單機沖出軌道，保證設(shè)備自身安全，其軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 軟件具體設(shè)計流程

4.4 冗余系統(tǒng)設(shè)計

目前示例港口堆場全面實現(xiàn)自動化作業(yè)模式，年吞吐量近2億t，要求所有的大型生產(chǎn)設(shè)備必須具備連續(xù)性工作，一旦某臺單機出現(xiàn)故障停機將影響整條流程的生產(chǎn)運行效益。為此，在GPS定位的基礎(chǔ)上，結(jié)合行走位置自矯正系統(tǒng)設(shè)計了一種互為冗余的模式，以高性能行走位置系統(tǒng)為主，GPS定位裝置為輔。系統(tǒng)正常工作期間，主要由高性能行走控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，當系統(tǒng)檢測出自身故障包括：通訊故障、編碼器故障、RFID矯正系統(tǒng)故障以及數(shù)據(jù)誤差超過一定閾值時自動切換到GPS定位裝置，由GPS定位裝置提供臨時數(shù)據(jù)支持，當高性能行走控制系統(tǒng)恢復正常后，自動返回到由其提供行走數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

5 結(jié)語

目前，該高性能行走控制系統(tǒng)已應用在3個堆場區(qū)域，包含取料機、堆料機和堆取料機共26臺單機上，該系統(tǒng)能夠完成長距離行走的位置校正、前后限位保護、編碼器故障報警以及與HMI人機界面之間的交互。應用后，各單機行走速度穩(wěn)定，通信質(zhì)量好，校正精度高、冗余切換方便，完全滿足單機自動化作業(yè)的要求。目前，該技術(shù)已推廣應用到煤炭碼頭裝船機行走系統(tǒng)中，提升了裝船機的行走操控性能，為裝船機自動化作業(yè)提供了保障。