基于DeviceNet現場總線的船用分布式液壓控制系統*

聞宏志

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

?

基于DeviceNet現場總線的船用分布式液壓控制系統*

聞宏志

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

針對船用控制系統通常面對的控制目標設備多,分散布置于全船區域,以及工作環境惡劣、可靠性要求高等使用要求。論文提出了一種基于設備網現場總線的典型分布式液壓控制系統方案,可有效實現對最多不超過63個控制目標設備的分布式控制。并實現了樣機研制,驗證了方案的可行性,可為船用分布式液壓控制系統研制提供參考。

設備網; 現場總線; 液壓控制

Class Number TP271.31

1 引言

DeviceNet是由RockWell公司在CAN總線基礎上推出的一種低成本、高可靠性的設備層現場總線,它將基本工業設備如開關、傳感器、電機啟動器和操作員接口等連接到網絡,簡化了傳統系統昂貴、繁瑣的布線工作量,使系統檢測和控制單元的分布更趨合理[1]。與傳統控制系統相比,具有響應快、可靠性高、抗干擾能力強、易于擴展等優點。各控制節點通過開放網絡,將底層各設備直接和上層控制器相連。支持最多可達64個節點、多支線的網絡,并且允許用戶用一根電纜去連接500m以內的PLC用戶端點。

上述特點十分適合多個控制目標設備分散布置、首尾距離較遠,周圍電磁場等環境復雜,可靠性要求高的船舶應用領域。

本文給出了一種基于DeviceNet現場總線的船用分布式液壓控制系統及各組成部分技術方案,并實現了樣機研制,驗證了方案的可行性,為船舶相關控制系統研制提供參考。

2 系統設計要求

本控制系統可滿足的主要設計要求如下:

1) 控制目標設備最多不超過63個,分散布置于全船區域,總線電纜總長度接近500m[3]。

2) 控制目標設備均布置于艙面,為保證在鹽霧、高濕和震動等環境下的設備工作可靠性,選用獨立液壓系統作為控制目標設備的執行機構動力源。

3) 要求所有控制目標的主要設備狀態、控制指令、執行機構動作執行情況和故障報警等信息均可通過網口接入船上信息系統網絡。

3 系統總體配置方案

DeviceNet是最適用于制造工業自動化的現場總線,一個基本的DeviceNet現場總線由下列部分組成[2]:

1) 主控器(支持DeviceNet的PLC或PC);

2) 現場輸入/輸出模塊,用于連接控制系統中各種現場裝置;

3) 具有DeviceNet接口的現場裝置;

4) 線纜及網絡附件。

本系統主要由上位機、PLC主控站、I/O輸出站(含電磁閥)、I/O輸入站(含動作到位傳感器)電纜附件和執行機構(含液壓回路和管路附件)等組成。該系統最大可以帶64個節點[8]。用主單元與從單元通信實現遠程控制。控制系統結構圖詳見圖1。

圖1 控制系統結構圖

1) 最上層為上位機部分,由計算機和集線器組成。計算機主要進行遠程監控。

2) PLC主站:選用ROCKWELL公司的PLC做主站[8]。主要的模塊包括CPU模塊1769-L32E,數字量輸人模塊1734-IB8,數字量輸出模塊1734-OB8-E,DeviceNet掃描模塊1769-SDN,電源模塊1769-PA2和底座1734-TB等。DeviceNet掃描模塊1769-SDN負責底層DeviceNet網絡的通信[9～10]。PLC主站的兩個機箱配置如圖2和圖3所示。

圖2 PLC主站機箱1配置圖

圖3 PLC主站機箱2配置圖

3) I/O功能層:I/O輸出站主要由1769-SDN和繼電器輸出模塊組成,I/O輸入站主要由1769-SDN和數字量輸人模塊1734-IB8組成。I/O輸入站配置如圖4所示。

圖4 I/O輸入站機箱1配置圖

4) 設備層:主要指數十個控制目標部位的相關設備。除執行機構和液壓回路外,采用OMROM公司的MY4J-24VDC中間繼電器,完成對應部位執行動作到位信息的采集。執行機構部分如圖5所示。

圖5 執行機構部分結構圖

5) 電纜附件:粗纜用于DeviceNet主控站與各個I/O站之間的干線,細纜用于各個I/O站與傳感器等之間的支線。

本系統由船電提供1路三相380V 50Hz電源和1路單相220V 50Hz電源。其中,三相380V 50Hz供給液壓泵站的電機和電加熱器。單相220V 50Hz供給PLC主控站,在PLC主控站內將220V 50Hz分配給AC/DC電源模塊和PLC電源模塊;AC/DC電源模塊將220V 50Hz轉換為24VDC電源提供給電磁閥組,PLC電源模塊將220V 50Hz轉換為5VDC供CPU和各種I/O等PLC模塊使用[4]。

執行機構(含液壓回路和管路附件)部分的技術狀態,如:液壓泵站功率[5～6]、液壓站容積、液壓管路和執行機構具體形式等均需根據控制目標的外形、載荷、數量和分布情況等進行設計,本文不再詳述。

4 系統軟件結構及信息接口

本控制系統軟件包括系統狀態顯示程序和PLC控制程序,系統狀態顯示程序主要用于完成系統運行和故障等信息的顯示和存儲,PLC控制程序主要用于實現系統的控制邏輯。

其中,系統狀態顯示程序運行于上位機,采用MCGS組態軟件開發。主要軟件模塊包括:

1) 上行通信模塊:實現與全船信息網絡系統進行信息交互;

2) 下行通信模塊:實現與PLC控制器進行實時數據交換;

3) 數據管理模塊:實現控制裝置狀態信息、設備狀態信息以及故障報警等信息的顯示、記錄和查詢。

PLC控制程序程序固化在PLC控制器ComPactLogix 1769-L32E中,通過Logix5000開發平臺,采用梯形圖編程。主要功能模塊包括:

1) 硬件配置模塊:對各站點模塊的地址等信息進行配置,通過RSNetWorx網絡組態軟件,對CAN網絡內各節點,包括硬件站點地址、輸入和輸出數據地址進行地址分配,完成組網設計。例如:硬件站點地址分配見表1。

表1 硬件站點地址分配表

2) 工況選擇及操作模塊:接收工況選擇開關位置確定工況和相關操作按鈕的信息。

3) 采集顯示模塊:完成控制目標設備狀態信息的采集和顯示。

4) 控制輸出模塊:由I/O輸出站通過繼電器輸出模塊向液壓分系統輸出控制指令。

5) 報警及故障診斷模塊:接收并上報各節點的報警和故障診斷信息采集。

PLC控制程序和系統狀態顯示程序的RSLinX組件通過以太網接口,采用基于TCP/IP協議實現數據同步;系統狀態顯示程序內部采用基于OPC協議實現與RSLinX組件信息交換[7]。軟件接口關系如圖6所示。

圖6 軟件接口關系框圖

5 系統典型控制流程

本控制系統接通兩路船電后,首先啟動液壓泵站和各PLC站點,在各PLC站點和液壓回路壓力正常情況下,通過PLC主控站上的控制按鈕等,將控制指令經PLC控制器1769-L32E、I/O輸出站、相應部位電磁閥,執行機構(此處為液壓驅動轉角油缸,通過齒條帶動齒輪來實現數十個控制目標的回轉運動);在執行機構動作到位后,傳感器MY4J-24VDC(固定安裝于執行機構)將相關信息經I/O輸入站傳回PLC控制器1769-L32E;同時,相關動作和設備狀態信息通過網絡接口上傳至上位機顯示和存儲,并可進一步由上位機接入全船信息網絡系統,完成本控制系統的一個典型控制流程。控制流程詳見圖7。

圖7 系統典型控制流程框圖

6 結語

針對船用控制系統通常存在的控制目標設備多且分散布置于全船區域,以及工作環境惡劣、可靠性要求高等的使用要求,本文提出了一種基于DeviceNet現場總線的船用分布式液壓控制系統,可有效實現對最多不超過63個控制目標點的分布式控制。本控制系統樣機主要由上位機、PLC主控站、I/O輸出站(含電磁閥)、I/O輸入站(含動作到位傳感器)電纜附件和執行機構(含液壓回路和管路附件)等組成,本文給出了各組成部分的硬件配置方案和系統軟件結構,并實現了樣機研制,已驗證了該方案的可行性,為船用分布式液壓控制系統研制提供參考。

[1] 曾輝,霍墨.DeviceNet現場總線在屏清洗流水線上的應用[J].低壓電源,2004,01:32-36.

[2] 蘇平.DeviceNet現場總線在汽車混流焊裝生產線控制系統中的應用[J].現場總線專欄,2007,03:12-13,24.

[3] 江秀漢.可編程序控制器原理及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,1996.

[4] 宋德玉.可編程序控制器原理及應用系統設計技術[M].北京:冶金工業出版社,1999.

[5] 王春行.液壓控制系統[M].北京:機械工業出版社,2004.

[6] 黎啟柏.液壓元件手冊[M].北京:機械工業出版社,1998.

[7] 邱公偉.可編程序控制器網絡通信及應用[M].北京:清華大學出版社,2000.

[8] 凌空,蔣式勤.基于DeviceNet的小區監控[J].微計算機信息,2003,09:27-28.

[9] 美國RockwellAutomation設備網(DeviceNet)產品概貌.

[10] 美國Rockwell 1769CompactLogix控制器選型指南[S].

The Distributed Hydraulic Control System Based on DeviceNet Field Bus

WEN Hongzhi

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

The control system used in ships usually accounts for some matters, including the amount of objects that be controlled, the objects disperse abroad, atrocious conditions and upper reliability etc. The paper proposes a scheme of distributed hydraulic control system based on DeviceNet Field Bus. The paper implements the system manufacture, validates the feasibility of the scheme, and provides a reference for study or manufacture for distributed hydraulic control system used in ships.

devicenet, field bus, hydraulic control

2015年6月3日,

2015年7月19日

聞宏志,男,高級工程師,研究方向:船舶電子。

TP271.31

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.027