羅克韋爾自動化平臺在管式輸送機中的應(yīng)用

鄧華效

（江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

羅克韋爾自動化平臺在管式輸送機中的應(yīng)用

鄧華效

（江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

應(yīng)用羅克韋爾自動化集成架構(gòu)平臺構(gòu)成的管式輸送機變頻調(diào)速智能控制系統(tǒng)，采用ControlLogix冗余控制器和工業(yè)以太網(wǎng)冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)；基于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的IMCC智能電機控制中心，應(yīng)用于管式輸送機的智能化電機控制和管理；采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和SynchLink光纖同步的多電機驅(qū)動功率平衡方案驅(qū)動控制2臺電機同步。整個系統(tǒng)為管式輸送機提供了良好的驅(qū)動控制和保護解決方案，大大提高了碼頭運輸系統(tǒng)的信息化管理水平和生產(chǎn)效率。

管式輸送機；工業(yè)以太網(wǎng)冗余通訊；SynchLink光纖同步；多驅(qū)動功率平衡；IMCC智能電機控制

1 引言

圖1　管式長皮帶實景圖

江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司隸屬于江西銅業(yè)集團公司，具有20萬t鉛鋅的生產(chǎn)能力。其來料主要依靠湖口縣水運碼頭與生產(chǎn)廠區(qū)之間的一條長度近6km的管式輸送機。主要的工藝流程為物料從水運碼頭卸船機卸下后經(jīng)1#和2#轉(zhuǎn)運皮帶進入管式輸送機，先后通過近6km的管式皮帶（圖1）、3#轉(zhuǎn)運皮帶、4#轉(zhuǎn)運皮帶、下料皮帶機和各倉卸料器輸送到鉛精礦倉和鋅精礦倉。

2 系統(tǒng)組成

2.1系統(tǒng)簡介

采用羅克韋爾自動化集成架構(gòu)為江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司物料長皮帶輸送系統(tǒng)設(shè)計了一套全面自動化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)解決方案，系統(tǒng)構(gòu)建實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對管式輸送機主輔環(huán)節(jié)的所有關(guān)鍵點進行實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、存儲與輸出打印，對電機、膠帶、傳動進行實時調(diào)整，對管式輸送機系統(tǒng)進行遠程集中監(jiān)控，形成融合生產(chǎn)、安全與節(jié)能的最優(yōu)系統(tǒng)，如圖2。

圖2　管式長皮帶自動化集成架構(gòu)圖

管式輸送機系統(tǒng)集控室位于水運碼頭控制室機房，包含2個操作員站和1個工程師站；系統(tǒng)采用A-B ControlLogix冗余控制器進行分布式控制，設(shè)1個原輔料倉遠程I/O站；ControlLogix冗余控制器作為主控制器安裝于碼頭控制室內(nèi)的中央控制柜，包含UPS和工業(yè)以太網(wǎng)冗余環(huán)網(wǎng)光纖適配器。ControlLogix冗余控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)冗余環(huán)網(wǎng)與各遠程I/O站以及8臺膠帶驅(qū)動電機變頻調(diào)速柜進行分布式控制；通過IMCC DeviceNet對給煤機進行網(wǎng)絡(luò)智能控制；管式輸送機拉繩、跑偏等綜合保護裝置通過RS485接入各遠程I/O站［1］。

2.2控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計和實施中，充分考慮各種設(shè)備的不同特點和網(wǎng)絡(luò)要求，采用了不同的網(wǎng)絡(luò)對策，按照國際開放式通訊規(guī)約進行工作，以實現(xiàn)最佳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置，確保整個系統(tǒng)間可靠、快速通訊。系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，主干由水運碼頭控制室至原輔料倉遠程I/O站采用單模光纜環(huán)網(wǎng)傳輸，由各遠程I/O站控制柜內(nèi)光纖適配器轉(zhuǎn)為同軸電纜，接入遠程I/O站和各變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。

工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)今先進的、開放性的實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之一，該網(wǎng)絡(luò)是一種高速的確定性網(wǎng)絡(luò)，具有5Mpbs的高速數(shù)據(jù)傳輸速率，靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可設(shè)計成環(huán)形、樹形和星形等總線結(jié)構(gòu)，具有簡單的網(wǎng)絡(luò)編程組態(tài)等特點。在管式輸送機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，為各子系統(tǒng)提供了冗余的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)接口，在管式輸送機機道鋪設(shè)光纜主干環(huán)網(wǎng)，貫穿沿線各子系統(tǒng)，水運碼頭控制室和原輔料倉遠程站之間使用1783-ETAP2F進行光纖傳輸，并提供冗余的接口，水運碼頭和原輔料倉及變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機1783-US08T和1763-L16BWA轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議進行通訊。此外，各子系統(tǒng)還可以通過這些1783-US08T接口擴充新的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，使管式輸送機系統(tǒng)具備了靈活的可擴充性。

2.3水運碼頭控制室終端

水運碼頭控制室操作終端包含2個操作員站和1個工程師站，操作員站安裝FactoryTalk View SE上位HMI軟件，工程師站安裝HMI開發(fā)包和RS Logix5000編程軟件以及網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包；操作員站HMI畫面包含管式輸送機系統(tǒng)工藝流程、狀態(tài)、操作、報警，各工藝、電氣的故障實時報警，各工藝、電氣數(shù)據(jù)的事實趨勢和歷史趨勢，生產(chǎn)報表、事件報表等；工程師站可對操作員站HIM畫面進行開發(fā)、變更，網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包可對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行組態(tài)、規(guī)劃和診斷，使用RS Logix5000對系統(tǒng)冗余控制器程序進行開發(fā)編程和診斷［2］，對各遠程I/O站進行硬件配置和診斷，還可對變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)進行組態(tài)設(shè)置和診斷。

2.4系統(tǒng)冗余控制器

管式輸送機系統(tǒng)采用冗余的ControlLogix作為主控制器，配置1756-L62 CPU模塊、1756-EN2T通訊模塊和1756-RM冗余模塊，控制器擁有4M內(nèi)存和64M的存儲卡。冗余系統(tǒng)由2個獨立的控制器組成，通過光纖進行高速實時同步。

2.5原輔料倉遠程I/O站

遠程I/O站采用ControlLogix I/O模塊，配置冗余工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊，通過單模光纖接口接入主干環(huán)網(wǎng)；各遠程I/O站配置一塊RS485 MODBUS通訊模塊1763-L16BWA，通過MOSBUS與10kV繼電保護監(jiān)測模塊進行通訊，采集供電系統(tǒng)狀態(tài)信息，為地面生產(chǎn)系統(tǒng)維護人員提供有效信息；各遠程I/O站通過RS485與膠帶機綜合保護系統(tǒng)進行通訊，對管式輸送機系統(tǒng)進行可靠的安全連鎖保護；各遠程I/O站通過DI/DO模塊對制動器、拉緊裝置、翻板等進行連鎖控制。

3 控制策略

3.1變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)

變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)采用A-B PowerFlex750系列變頻器［3］，電壓等級為690V，功率200～630kW，全部按重載選配；每臺變頻器均配有動態(tài)制動單元和制動電阻，作為停車時的電氣制動；變頻器采用12脈沖整流方式，由三繞組變壓器供電，變壓器次級的2個繞組間為30°相位差，從而消除大部分的5次和7次諧波，大幅降低整流的諧波含量。

變頻器配置脈沖編碼器反饋接口，對電機進行閉環(huán)矢量控制，滿足管式輸送機零速和低速時150%轉(zhuǎn)矩輸出的要求。PowerFlex750變頻器帶有冗余的工業(yè)以太網(wǎng)總線通訊模塊，所有的控制、調(diào)節(jié)和反饋功能均通過工業(yè)以太網(wǎng)與ControlLogix相連接實現(xiàn)，提供智能網(wǎng)絡(luò)化的控制，實現(xiàn)變頻器和ControlLogix控制器之間大量可靠、高速的數(shù)據(jù)的傳輸，使系統(tǒng)能夠監(jiān)視到變頻器及電機所有的狀態(tài)信息，提供最佳的驅(qū)動解決方案［4］。見圖3。

圖3　A-B PowerFlex750系列變頻器安裝實圖

本項目管式輸送機系統(tǒng)中為2臺電機同軸驅(qū)動，因此采取轉(zhuǎn)矩跟隨的主從同步方式，主驅(qū)動接收ControlLogix的速度給定值，對電機進行速度和轉(zhuǎn)矩控制，通過安裝在電機主軸上的編碼器反饋進行速度閉環(huán)控制，通過矢量控制模式進行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制；從驅(qū)動為轉(zhuǎn)矩控制模式，通過主驅(qū)動SynchLink光纖給定的轉(zhuǎn)矩信號，進行轉(zhuǎn)矩跟隨控制，并進行自身的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制［5］。見圖4。

圖4　兩臺電機同軸驅(qū)動控制原理圖

若一臺電機工作在發(fā)電狀態(tài)，另一臺電機工作在電動狀態(tài)。當(dāng)工作在電動狀態(tài)的電機轉(zhuǎn)矩絕對值較大時，說明管式輸送機相對于電機是阻力負載，需要正的牽引力，因此要將發(fā)電狀態(tài)的電機轉(zhuǎn)速逐漸增加，使其進入電動狀態(tài)；當(dāng)工作在發(fā)電狀態(tài)的電機轉(zhuǎn)矩絕對值較大時，說明管式輸送機帶動電機轉(zhuǎn)動，需要制動力，因此要將電動狀態(tài)的電機轉(zhuǎn)速逐漸降低，使其進入發(fā)電狀態(tài)，然后再計算轉(zhuǎn)矩平均值，按上述步驟進行功率平衡調(diào)節(jié)。

3.2安全緊急停車

在輸送系統(tǒng)發(fā)生故障需要緊急停車時，如：膠帶發(fā)生跑偏、縱向撕裂、拉繩、機旁急停開關(guān)時，變頻器通過DriveGuard進行安全關(guān)斷，即切斷IGBT觸發(fā)電源，使電機實現(xiàn)快速、安全的停機，無需切斷系統(tǒng)主電源，符合EN-954-1安全認證標(biāo)準(zhǔn)［6］。

3.3IMCC智能電機控制

IMCC智能電機控制［7］采用DeviceNet通訊網(wǎng)絡(luò)，將智能電機保護器、斷路器、繼電器等設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制信號，實現(xiàn)智能化電機控制和管理。本項目中2座卸礦倉共有50余臺卸料機。我們將這50余臺卸料機進行了智能化的電機控制，采用A-B 的E3 PLUS智能電機保護器，通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)與儲煤場遠程I/O站通訊模塊進行連接，取消了接觸器、斷路器、熱繼電器與I/O模塊之間復(fù)雜的硬線連接，無需另外安裝電機保護器，實現(xiàn)對給煤機的起停控制、開關(guān)狀態(tài)采集、電機電流監(jiān)測、PTC溫度監(jiān)測、接地故障監(jiān)測、熱容量值監(jiān)測、相間不平衡監(jiān)測、脫扣時間監(jiān)測、過載保護、缺相保護、堵轉(zhuǎn)保護、故障記錄等。見圖5。

圖5　IMCC智能電機控制原理圖

4 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)投入使用至今，該管式輸送機在空載、輕載、重載下，起車非常平穩(wěn)，帶載停車過程也非常平穩(wěn)，而且可以根據(jù)現(xiàn)場的需要進行各種起車時間、停車時間的調(diào)整，實現(xiàn)了大功率長距離管式輸送機的各種控制要求。

應(yīng)用羅克韋爾自動化集成架構(gòu)使控制系統(tǒng)從上位到下位、從硬件到軟件，在設(shè)計和使用中可以做到靈活多變，滿足用戶的各種要求。冗余的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定、可靠；基于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的智能電機控制，實現(xiàn)了對多條轉(zhuǎn)運皮帶輸送機全面完善的控制、保護和管理解決方案；通過MODBUS通訊模塊，實現(xiàn)第三方控制系統(tǒng)與ControlLogix控制系統(tǒng)間的無縫、透明數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)全面一體化的控制；先進的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可快速方便地對網(wǎng)絡(luò)進行瀏覽、診斷，通過操作員站、工程師站或任意一點接入網(wǎng)絡(luò)，可對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有本地或遠程設(shè)備進行組態(tài)、編程和維護。變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)了對管式輸送機的S型曲線柔性起動，降低了輸送機的張力，起停時無沖擊，F(xiàn)ORCE矢量控制使輸送機重載起動非常容易和便捷。對于2臺電機驅(qū)動，基于PowerFlex750變頻器SynchLink光纖同步通訊的主從控制，實現(xiàn)了2臺同軸電機的功率平衡，滿載時電機電流相差不到3A。

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Application of Rockwell Automation Platform in Pipe Conveyor

DENG Hua-xiao
（JCC Lead & Zinc Metal Co.， Ltd， Jiujiang 332500， Jiangxi， China）

Intelligent control system of frequency conversion and speed regulation of pipe conveyor constituted Rockwell automation integrated architecture platform， which adopted the ControlLogix Redundant controller and industrial ethernet redundant ring structure；based on IMCC intelligent motor control center of DeviceNet network which applied in the intelligent motor control and management of pipe conveyor； multi motors'drive power balance was applied through industrial ethernet and SynchLink fiber synchronous controls two motor synchronization； The whole system provided a good drive control and protection solutions for the pipe conveyor， which greatly improved the information management level and production efficiency of the terminal transport system.

pipe conveyor；redundant communication of industrial Ethernet；SynchLink fiber synchronization；multi drive power balance；IMCC intelligent motor control

U172.7

B

1009-3842（2016）03-0090-04

2015-12-21

鄧華效（1981-），男，江西瑞金人，主要從事設(shè)備管理與維護工作。E-mail: denghuaxiao@163.com