多段式客運索道協(xié)同控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

段 琰 賈睿璽 馮顯宗 陳 虎 鄭 泓

北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

隨著國內(nèi)旅游資源的持續(xù)、深度開發(fā)和滑雪場雪道的升級迭代，市場對超長運距索道的需求日益增加。在脫掛索道技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，對由多段索道組成的超長運距索道電控方案進(jìn)行了設(shè)計研發(fā)，本文著重介紹其中通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案。

作為多段式索道電控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實現(xiàn)了多段索道被控設(shè)備聯(lián)動的協(xié)同控制、分段管理、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控以及系統(tǒng)通訊狀態(tài)實時監(jiān)測功能。為控制系統(tǒng)的可靠性和設(shè)備運轉(zhuǎn)平穩(wěn)度提供有力保障。

1 多段式索道特點

單段式客運索道由1個驅(qū)動站及1個迂回站組成，由驅(qū)動設(shè)備完成該段索道運載任務(wù)，索道驅(qū)動能力受到該段索道長度限制；多段式索道即將多個單段式索道級聯(lián)成為一個整體，每段索道均由獨立的驅(qū)動站和迂回站組成。多段式索道既可以作為多個單段式索道獨立運轉(zhuǎn)，也可以作為整體設(shè)備聯(lián)動運轉(zhuǎn)。

以2段式索道為例，其線路示意如圖1所示。可知，索道主要由1段索道驅(qū)動站1、2段索道驅(qū)動站2、以及1段和2段索道迂回站3即中間站組成。1段和2段索道既可獨立運轉(zhuǎn)又能聯(lián)動。其聯(lián)動工作方式由1段和2段驅(qū)動站電動機6協(xié)同驅(qū)動2段索道鋼絲繩4及吊廂5運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)2段索道協(xié)同運行。

圖1 2段式索道線路示意圖

2 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2所示為多段式索道驅(qū)動設(shè)備的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意。該設(shè)計以監(jiān)控系統(tǒng)終端PC為管理中心，由PC向聯(lián)動系統(tǒng)發(fā)送指令，驅(qū)動控制器將電動機反饋數(shù)據(jù)傳送至PLC，對每段索道設(shè)備實時監(jiān)控，完成由PC進(jìn)行管理及協(xié)調(diào)多段索道設(shè)備協(xié)同運行的工作。

圖2 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

PC與驅(qū)動控制器以及遠(yuǎn)程I/O組成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備信息反饋給遠(yuǎn)程I/O，設(shè)計基于羅克韋爾自動化ControlLogix控制平臺，該平臺將順序控制、過程控制、傳動控制及運動控制集成為一體。其特點是允許多個網(wǎng)絡(luò)模塊、I/O模塊任意組合，并可通過EtherNet/IP，ControlNet，DeviceNet，DH+，DH-485等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

圖3所示為基于2個驅(qū)動站設(shè)備的多段式索道控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖。該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計分為3層：以太網(wǎng)層EtherNet、控制網(wǎng)絡(luò)層ControlNet以及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層DeviceNet。設(shè)計以監(jiān)控終端PC為核心，PC與PLC以及1段驅(qū)動控制、2段驅(qū)動控制器分別通過EtherNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，由PLC與各自遠(yuǎn)程I/O等設(shè)備組成ControlNet網(wǎng)絡(luò)，1段和2段驅(qū)動控制器與就地傳感器組成設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層。

圖3 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計示意圖

2.1 ControlNet網(wǎng)絡(luò)特點

ControlNet是符合IEC-61158《現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)》的網(wǎng)絡(luò)，采用CIP協(xié)議，用于控制信息傳輸。其基礎(chǔ)是一種開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的創(chuàng)新解決方案。它允許網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點同時獲取來自同一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，即實時I/O讀取、編程操作、對等報文傳輸可以在同一條ControlNet鏈路上實現(xiàn)，其可重復(fù)的性能保證網(wǎng)絡(luò)傳輸時間不會因網(wǎng)絡(luò)設(shè)備添加和刪除而改變。在ControlNet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，信息處理和更新不需要處理器的干預(yù)，可提高過程控制對時間要求苛刻的傳輸效率。

ControlNet通訊模塊通過橋接ControlNet傳遞信息給以太網(wǎng)、ControlNet以及DH+等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其通訊速率5 Mbps，最多連接模塊數(shù)量64，通訊介質(zhì)為同軸電纜，可帶冗余接口及監(jiān)控窗口。

2.2 EtherNet網(wǎng)絡(luò)特點

EtherNet網(wǎng)絡(luò)設(shè)計符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，允許商務(wù)和工業(yè)應(yīng)用并存，其通訊速率10/100 Mbps。它使用傳輸層控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，即TCP/IP來傳遞顯性信息，如上傳和下載程序。而實時的I/O隱形信息傳遞，則使用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議即UDP傳輸協(xié)議，它可以提供2個設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)包能力，如在PLC與遠(yuǎn)程I/O及PLC與驅(qū)動控制器之間的數(shù)據(jù)包傳輸。

2.3 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)特點

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)傳輸采用CIP協(xié)議，特別適合應(yīng)用項目中設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的使用。其最高傳輸速率為500 Kbps。

3 通訊網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

PLC主框架模塊分別為處理器、ControlNet網(wǎng)絡(luò)模塊和EtherNet網(wǎng)絡(luò)模塊，簡稱CPU、CNET、ENET。遠(yuǎn)程I/O框架模塊由ControlNet網(wǎng)絡(luò)模塊及多種1756輸入/輸出模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 通訊網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計示意圖

PLC的ENET模塊主要功能是執(zhí)行管理系統(tǒng)需要的操作。用物理媒介將PC機、HMI，通過交換機與PLC連接起來。

1段驅(qū)動控制器的RETA通訊模塊將PLC主框架與1段驅(qū)動控制器鏈接在一起，實現(xiàn)PLC與驅(qū)動控制器之間數(shù)據(jù)傳輸及反饋信號采集。RETA模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 RETA模塊結(jié)構(gòu)示意圖

PLC主框架與1段、2段遠(yuǎn)程I/O框架通過CNET模塊連接在一起形成ControlNet網(wǎng)絡(luò)，每個連接到ControlNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的物理設(shè)備具有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，設(shè)備節(jié)點之間通過分接器和同軸電纜連接，集合組成鏈路，鏈路之間通過網(wǎng)橋進(jìn)行信息傳遞。ControlNet網(wǎng)絡(luò)連接方法及介質(zhì)如圖6所示。

圖6 ContrloNet網(wǎng)絡(luò)連接方法示意圖

4 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件調(diào)試及通訊設(shè)置所涉及的軟件包括 Studio5000、RSLinx Classic、RSNetworx、BOOTP Server、ControlFLASH、Application Manager。Studio5000及RSNetworx、BOOTP Server分別為編程軟件和組態(tài)軟件，為開放式標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(包括ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP)提供設(shè)計和組態(tài)管理服務(wù)，以完成每個網(wǎng)絡(luò)層的程序執(zhí)行以及數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。

4.1 為控制器與遠(yuǎn)程I/O建立通訊

如圖7所示，打開Studio 5000項目，點擊I/O Configuration，打開菜單，選擇New Module、CNB模塊，點擊OK，填寫模塊所安裝位置的槽號，并選擇模塊是否與控制器進(jìn)行通信，點擊Finish。

圖7 I/O Configuration菜單示意圖

4.2 創(chuàng)建ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊

打開File菜單，選擇New。從Nerwork菜單中，選擇Online。選擇ControlNet網(wǎng)絡(luò)。打開Edits Enabled，在屬性欄中填寫表1參數(shù)，點擊OK完成。

表1 ControlNet網(wǎng)絡(luò)屬性列表

4.3 RETA模塊通訊設(shè)定

打開RSlogix 5000軟件中I/O配置對話框，選擇New Module、RETA模塊，如圖8所示。右鍵點開RETA模塊屬性，設(shè)置IP地址，舉例為10.0.0.6，點擊OK，完成RETA模塊通訊創(chuàng)建，如圖9所示。

圖8 RETA模塊通訊建立示意圖

圖9 設(shè)置RETA模塊IP地址示意圖

4.4 驅(qū)動控制器指令傳送

在PLC程序掃描周期內(nèi)，PC將速度控制指令同時發(fā)送至2個控制器，如圖10a、圖10b所示，圖10c所示為PLC數(shù)據(jù)通訊IP地址，此處為10.0.0.6。2個驅(qū)動控制器接收到指令后，進(jìn)行同步運轉(zhuǎn)，再將電動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)實時反饋至相應(yīng)的I/O模塊，實現(xiàn)兩段驅(qū)動器對負(fù)載的協(xié)同控制。

圖10 控制傳送指令

5 結(jié)語

多段式客運索道協(xié)同控制通訊網(wǎng)絡(luò)，其核心是將多段驅(qū)動設(shè)備連為一體，由監(jiān)控終端PC向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，使得多段驅(qū)動設(shè)備協(xié)同運轉(zhuǎn)。該設(shè)計實現(xiàn)了多段索道協(xié)同驅(qū)動控制功能，可實時監(jiān)控每段索道設(shè)備運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并帶有心跳機制，可實時判斷通訊故障；可就地或遠(yuǎn)程在管理層PC靈活進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置。其設(shè)計難點在于將多個遠(yuǎn)端驅(qū)動設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O接入通訊網(wǎng)絡(luò)平臺，最終實現(xiàn)多段索道驅(qū)動設(shè)備實時可控，可靠協(xié)同且平穩(wěn)運行。