基于EtherNet/IP的卸船機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在現(xiàn)代港口碼頭物流領(lǐng)域，卸船機(jī)扮演著至關(guān)重要的角色。這些大型設(shè)備負(fù)責(zé)高效地卸載船只上的貨物，而其精確操作的關(guān)鍵在于先進(jìn)的“控制系統(tǒng)”。隨著工業(yè)4.0的興起，EtherNet/IP協(xié)議成為連接控制系統(tǒng)與設(shè)備的關(guān)鍵通信橋梁，它確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和設(shè)備的無縫協(xié)作。在這一過程中，PLC（可編程邏輯控制器）發(fā)揮著核心作用，其以強(qiáng)大的邏輯處理能力和靈活性，保障卸船機(jī)的可靠運(yùn)行和高效作業(yè)，推動(dòng)港口碼頭貨物裝卸的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新?，F(xiàn)就基于EtherNet/IP的卸船機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探究和分析。

關(guān)鍵詞：卸船機(jī)；控制系統(tǒng)；EtherNet/IP；PLC

中圖分類號(hào)：U653.928+.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）22-0051-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.013

0" " 引言

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求也水漲船高，作為發(fā)電的主力軍和壓艙石，火力發(fā)電在支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)民生需求方面發(fā)揮著重要作用。在我國(guó)，煤炭是火力發(fā)電的第一大能源，這就對(duì)散貨裝卸機(jī)械提出了更高的要求。鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)具有污染小、作業(yè)效率高、具備自動(dòng)化能力等優(yōu)點(diǎn)，適用于煤炭、鐵礦石等散裝貨物裝卸，在國(guó)內(nèi)外得到了長(zhǎng)期的使用和持續(xù)性的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電廠和散貨裝卸碼頭。得益于PLC（可編程邏輯控制器）強(qiáng)大的邏輯處理能力和靈活性，再加上起到橋梁作用、實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與設(shè)備通信的EtherNet/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸和設(shè)備的互相協(xié)作成為可能，使得鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)實(shí)現(xiàn)了靈活精確操作。

1" " EtherNet/IP的相關(guān)情況

1.1" " EtherNet/IP簡(jiǎn)介

Earthnet/IP（EtherNet/IP）是一種工業(yè)協(xié)議，它允許設(shè)備通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。Ethernet/IP由ODVA組織定義，以CIP框架為基礎(chǔ)，旨在實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互操作性。Ethernet/IP協(xié)議使用TCP/IP作為其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，而其應(yīng)用層則使用CIP。這種協(xié)議廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)和工業(yè)環(huán)境中，允許不同制造商的設(shè)備相互通信和集成。

1.2" " EtherNet/IP與其他常見通信協(xié)議的比較

多種通信協(xié)議均支持羅克韋爾自動(dòng)化公司（AB）的PLC系列，以下是常用的幾種：ControlNet、DeviceNet、EtherNet/IP。

1）在ControlNet網(wǎng)絡(luò)中，常見的傳輸介質(zhì)是同軸電纜和光纖，節(jié)點(diǎn)數(shù)目不能超過99個(gè)，一旦節(jié)點(diǎn)數(shù)超過限制，將會(huì)出現(xiàn)無法預(yù)測(cè)的故障，即使節(jié)點(diǎn)數(shù)未超過99，但過多也會(huì)影響網(wǎng)速，造成網(wǎng)絡(luò)遲滯[1]。

2）DeviceNet網(wǎng)絡(luò)最多能連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)，只適用于小型網(wǎng)絡(luò)的需求，可用的通信波特率分別為500、250、125 kb/s三種[2]；DeviceNet網(wǎng)絡(luò)無法支持高速數(shù)據(jù)傳輸，組網(wǎng)設(shè)備價(jià)格也較為昂貴。

3）EtherNet/IP建立在廣泛使用的以太網(wǎng)和IP協(xié)議之上，確保了與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性。通過CIP協(xié)議，EtherNet/IP能夠支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，滿足工業(yè)自動(dòng)化中對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用需求，具有實(shí)時(shí)性。EtherNet/IP支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)展，適應(yīng)不同的行業(yè)環(huán)境和規(guī)模。通過Ethernet/IP可以實(shí)現(xiàn)不同廠商的設(shè)備之間的交流，從而提高了系統(tǒng)的靈活性。Ethernet/IP安全性能良好，支持多種安全機(jī)制。

2" " 應(yīng)用對(duì)象

2.1" " 概述

本次控制系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象是一種額定出力可達(dá)1 500 t/h，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷作業(yè)的鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)，其在我國(guó)沿海火力發(fā)電廠應(yīng)用較為普遍，適用于35 000～150 000 t級(jí)海輪卸載作業(yè)。

2.2" " 主要構(gòu)成

鏈斗式連續(xù)卸船機(jī)主要由鏈斗式提升機(jī)、提升機(jī)轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)、懸臂式皮帶機(jī)、懸臂式俯仰機(jī)構(gòu)、懸臂式轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)、門架式皮帶機(jī)、門架式切換機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)等組成[3]。由于船艙一般為上窄下寬，傳統(tǒng)的抓斗式卸船機(jī)難以伸到邊角位置，為了解決這一難題，將煤炭從船上接卸并轉(zhuǎn)運(yùn)至碼頭皮帶上，鏈斗式提升機(jī)取料頭部分被設(shè)計(jì)成了“L”型，通過小回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)和頂部滑環(huán)的配合，在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電纜連接兩方面不影響提升機(jī)完成360°回轉(zhuǎn)的動(dòng)作，提升機(jī)的上升或下降則依靠俯仰液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)，使得提升機(jī)可以抵達(dá)船艙內(nèi)任意位置進(jìn)行卸煤，最終煤炭將依次經(jīng)過提升機(jī)、懸臂式皮帶機(jī)、門架式皮帶機(jī)運(yùn)往碼頭皮帶上輸送至煤場(chǎng)。

2.3" " 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用可編程控制器進(jìn)行控制，可對(duì)整機(jī)進(jìn)行無坐標(biāo)手動(dòng)控制、無坐標(biāo)半自動(dòng)控制、帶坐標(biāo)自動(dòng)控制；還可實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖檢查、狀態(tài)顯示和故障報(bào)警。在卸船機(jī)上部設(shè)置有駕駛室，操作人員可通過駕駛室內(nèi)的操縱臺(tái)來操作卸船機(jī)，也可通過無線電遙控裝置在船艙甲板或碼頭面進(jìn)行操作。控制系統(tǒng)采用隔離穩(wěn)壓電源，單獨(dú)供電。所有控制電纜都使用屏蔽阻燃的電纜。

2.4" " PLC系統(tǒng)

PLC裝置上安裝了具有控制卸船機(jī)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作功能的電源、處理器、數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出卡件。PLC編程采用筆記本電腦（專用工具）。PLC系統(tǒng)用于操作控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、主機(jī)/液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的故障顯示、自動(dòng)報(bào)警、聯(lián)鎖裝置與安全裝置監(jiān)控。

3" " 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1" " 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

某電廠卸船機(jī)原控制系統(tǒng)使用年數(shù)已久，硬件老化嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)中斷，給生產(chǎn)帶來一定的不便，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。該控制系統(tǒng)使用的PLC是羅克韋爾自動(dòng)化公司AB 1756系列，編程軟件使用的是RSLogix5000的16.0版本，AB控制系統(tǒng)軟硬件廠家均已更新，替代型號(hào)在安裝尺寸上無法完全適配，導(dǎo)致現(xiàn)有型號(hào)備品儲(chǔ)備起來比較困難。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用ControlNet通信協(xié)議，利用同軸電纜和光纖作為介質(zhì)將各遠(yuǎn)程子站連接起來。一旦中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致后續(xù)幾個(gè)子站同時(shí)出現(xiàn)問題，檢查起來也頗為麻煩，耗時(shí)耗力，需要從尾部逐個(gè)往前用終端電阻排查每個(gè)站點(diǎn)，而且同軸電纜使用久后抗干擾能力下降，這些都會(huì)增加消缺時(shí)長(zhǎng)，影響卸煤。因此，有必要重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

重新設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括主控CPU模塊、以太網(wǎng)通信模塊、控制網(wǎng)絡(luò)模塊、總線模塊、操作控制屏及IO模塊，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基于EtherNet/IP通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示，采用單機(jī)遠(yuǎn)程IO通信模式，并通過以太網(wǎng)通信向上位機(jī)輸出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息及接受上位機(jī)遠(yuǎn)程操作控制。為保障通信速度和穩(wěn)定性，需確保每個(gè)子站之間網(wǎng)線長(zhǎng)度不超過70 m，為此特意調(diào)換了站點(diǎn)順序。利用網(wǎng)線+光纖作為介質(zhì)連接通信，將各個(gè)站點(diǎn)形成一個(gè)閉環(huán)，網(wǎng)線與光纖均設(shè)置備用，并且配套更換相應(yīng)的通信模塊，可在粉塵濃度高、電聲/電波干擾、振動(dòng)環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行，抗干擾能力大大提高，通信響應(yīng)及時(shí)。同時(shí)為了保證卸煤有效時(shí)間，減少因遙控器故障導(dǎo)致卸船機(jī)無法動(dòng)作的時(shí)間，本次網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃特地增加了冗余性，即在原有遙控器的基礎(chǔ)上，增加一臺(tái)與現(xiàn)有三臺(tái)卸船機(jī)全部遙控裝置頻率不沖突且具備開機(jī)自檢功能的遙控器，該遙控器上電啟動(dòng)后會(huì)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，結(jié)果正常后才能工作，一旦出現(xiàn)異常就無法啟動(dòng)。另外，為方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行當(dāng)前報(bào)警查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)查看等，新增一臺(tái)AB最新型號(hào)的就地操作控制屏，安裝在卸船機(jī)上的電氣室。同時(shí)，由于卡件更新?lián)Q代，考慮到兼容性問題，對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)和軟件也需相應(yīng)升級(jí)，CPU組態(tài)軟件運(yùn)行平臺(tái)升級(jí)為原PLC廠家最新組態(tài)軟件，編程軟件RSLogix5000從16.0版本升級(jí)至20.0版本。

3.2" " 硬件部分技術(shù)要求

1）控制器技術(shù)參數(shù)：支持基于EtherNet/IPTM的一體化機(jī)芯、一體化SercosTM機(jī)芯和模擬量機(jī)芯；自帶非易失性記憶體（SD卡），不會(huì)出現(xiàn)程序斷電的情況；支持控制器冗余及拔除，支持不斷電插拔（RIUP）；支持EtherNet/IP、Data Highway PlusTM、Remote I/O、SynchLink和用于通信的第三方設(shè)備網(wǎng)絡(luò)；用于保存控制程序和配置的PLC集成工作內(nèi)存不小于4M字節(jié)，并配有電池或電容，確保程序在斷電后至少一周內(nèi)不丟失；PLC掃描周期最大≤100 ms；最高負(fù)荷不超過40%；當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)部件功能失效、電池電量不足或通信中斷時(shí)，控制器應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行自我診斷、通信檢測(cè)和所有部件的診斷，并發(fā)出警報(bào)。

2）觸摸屏技術(shù)參數(shù)：12英寸TFT顯示屏，支持以太網(wǎng)及Enterprise通信協(xié)議。

3）電源模塊技術(shù)參數(shù)：輸入電壓為交流220 V，輸出電壓為直流24 V，額定電流2 A。

4）以太網(wǎng)卡通信模塊技術(shù)參數(shù)：通信速率10/

100 Mb/s，TCP/TP連接128，Logic連接256。

5）以太網(wǎng)適配器技術(shù)參數(shù)：以500 kb/s的通信速率連接網(wǎng)橋，64個(gè)節(jié)點(diǎn)。

6）Profibus總線模塊技術(shù)參數(shù)：通信方式Profibus D-Sub Female，100%向下兼容，現(xiàn)場(chǎng)總線模塊安裝在本地機(jī)架上，支持1 984字節(jié)的輸入和1 968字節(jié)的輸出，支持所有Profibus波特率，其中包括45.45 kb/s。

7）其他設(shè)備發(fā)出的工作頻率在距離電子設(shè)備1.5 m以外達(dá)到400～500 MHz，輸出功率達(dá)到5 W或以上的電磁干擾和射頻干擾，應(yīng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常工作造成影響。

8）無線遙控系統(tǒng)采用即時(shí)通信技術(shù)，無論何種原因?qū)е滦盘?hào)中斷持續(xù)0.5 s或以上，遙控接收裝置都會(huì)自動(dòng)關(guān)斷所有輸出，緊急停止所有機(jī)械動(dòng)作。

9）遙控裝置采用數(shù)字編碼與快速GFSK技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)跳頻功能。

10）遙控裝置采用雙CPU互鎖機(jī)構(gòu)：當(dāng)任一顆CPU出現(xiàn)異常時(shí)，另一顆CPU立即啟動(dòng)安全保護(hù)電路，將輸出全部關(guān)閉，機(jī)械動(dòng)作全部停止。

11）遙控裝置系統(tǒng)監(jiān)控電路實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及電源供應(yīng)情況：一旦電池松動(dòng)或其他原因?qū)е码娫椿蛳到y(tǒng)出現(xiàn)異常，立即關(guān)閉接收系統(tǒng)，停止所有機(jī)械動(dòng)作。

3.3" " 調(diào)試

現(xiàn)場(chǎng)光纖、網(wǎng)線鋪設(shè)和其他設(shè)備安裝完成后，通過RSLink軟件連接上就地PLC的CPU模塊，在編程軟件RSLogix5000左側(cè)網(wǎng)絡(luò)樹下依次添加各個(gè)子站，子站的IP地址要與就地以太網(wǎng)通信模塊上的撥碼地址一致，否則將無法匹配加入；隨后各個(gè)子站按照卡槽順序依次添加IO模塊。一切準(zhǔn)備工作完成后，系統(tǒng)上電，各個(gè)站點(diǎn)以太網(wǎng)模塊指示燈雙黃燈常亮，雙綠燈閃爍，證明整體通信正常；接下來現(xiàn)場(chǎng)模擬故障信號(hào)，從程序可觀測(cè)到對(duì)應(yīng)的輸入/輸出點(diǎn)信號(hào)（綠色），證明IO模塊讀取信號(hào)正常。至此調(diào)試完畢。

4" " 結(jié)束語

基于EtherNet/IP的卸船機(jī)控制系統(tǒng)，使用新的卡件使得壽命周期延長(zhǎng)，很多舊卡件廠家已停產(chǎn)，替換下來的部分卡件可作為其他在運(yùn)行卸船機(jī)的備件，降低了備件儲(chǔ)備的難度和成本；對(duì)后續(xù)AB PLC系統(tǒng)同類型設(shè)備的遠(yuǎn)程通信方式升級(jí)優(yōu)化具有良好的借鑒意義，為將來有關(guān)同類型設(shè)備升級(jí)改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)；抗干擾能力提升，通信響應(yīng)快速及時(shí)，提高了穩(wěn)定度、靈敏度和可靠度，故障率大幅度降低，減少了日常檢修維護(hù)工作量，提高了卸煤速率以及檢修維護(hù)人員工作效率，保證了卸船機(jī)的穩(wěn)定生產(chǎn)，保障了電廠機(jī)組充足的燃煤供應(yīng)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 盧仲明.小虎石化碼頭中控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[2] 歐艷新.FF技術(shù)在化工裝置安全生產(chǎn)中的研究及應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[3] 許益民.SST PROFIBUS模塊在連續(xù)卸船機(jī)上的通訊應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2015（6）：90-92.

收稿日期：2024-06-28

作者簡(jiǎn)介：高穎（1995—），男，廣東汕頭人，助理工程師，研究方向：熱工過程控制及其儀表。