基于現場總線的散貨碼頭變頻控制系統

潘俊峰，李江寧（交通運輸部水運科學研究院，北京 100088）

基于現場總線的散貨碼頭變頻控制系統

潘俊峰，李江寧（交通運輸部水運科學研究院，北京 100088）

本文介紹了ControlNet現場總線和工業以太網在防城港20-22#泊位中央控制系統的應用。描述了變頻控制系統的網絡結構和控制方案，并對系統的可靠性設計做了重點研究，大大提高了系統的穩定性。

ContolNet；工業以太網；PLC；變頻控制系統；散貨碼頭

1　引言

防城港20~22#泊位為散貨專業碼頭，輸送物料主要為煤炭兼鐵礦。防城港20~22#泊位主要工藝設備有皮帶輸送機、輸送輔助設備、卸船機、裝船機、斗輪堆取料機、裝車樓等。為響應國家節能減排號召，三個泊位皮帶輸送機機均為變頻驅動。

2　系統結構

對于系統結構設計，根據本工程工藝系統的特點及ControlNet總線的優勢，按照國際自動化技術和現場總線控制系統的發展趨勢，本著系統結構簡單實用、技術先進、系統擴展方便、操作安全可靠、易于管理和維護等原則，設計成一個由計算機、PLC、變頻器、現場總線、工業以太網等組成的多級、開放式集散型數據采集和監控管理系統。

防城港20~22#泊位中央控制系統控制網絡采用三層網絡結構。最上層為管理信息層，采用IEEE802.3標準協議，傳輸層基于TCP/IP以太網協議，主要連接工程師站、操作員站以及監控服務器，來實現與PLC的通信和數據交換、對生產過程進行監控，同時可用于企業信息網。本系統網絡結構圖如圖1所示。

圖1　系統網絡結構圖

控制層采用工業以太網和ControlNet現場總線兩種方式。工業以太網負責PLC與5臺斗輪機、4臺卸船機、2臺裝船機、裝車樓以及污水站的通訊，用來實現信號聯鎖、數據交換、信息共享等。ControlNet現場總線用來實現PLC與遠程I/O模塊、變頻器、皮帶秤等設備的通訊。對于距離較短的遠程站，主站與遠程站之間采用同軸電纜作為通訊介質；為了保證通訊的可靠性，對于距離較長的遠程站，主站與遠程站采用光纖作為通訊介質，通過光纖中繼器和光端機來完成光電信號的轉換，以實現主從通訊。遠程站內PLC與變頻器，以及各個變頻器之間采用同軸電纜連接起來。ControlNet現場總線網絡結構如圖2所示。件組態后才能建立ControlNet通訊。

圖2　現場總線結構圖

變頻器有兩種控制方式：本地控制和遠程控制。通過變頻柜前面板的轉換開關來選擇控制方式。“本地”控制方式時，通過變頻柜面板的啟/停按鈕來啟動或停止皮帶機，此方式只滿足本機基本的保護需求（如拉線保護），無法與上下游設備建立聯鎖關系。遠程控制方式為主要控制方式。遠程控制方式下，PLC通過與變頻器的通訊來控制變頻器的啟/停以及讀取變頻器的狀態信息和數據信息。

變頻器硬件控制回路包括DI和DO兩部分。DI包括啟/停信號、故障復位信號以及宏切換。啟/停信號用來啟動、停止變頻器。故障復位信號用于當變頻器發生可復位的故障時，對故障進行復位。宏切換用來切換變頻器的控制地，選擇變頻器由本地操作或遠程操作。DO用來向PLC輸出變頻器運行信號、故障信號。控制回路如圖3所示。

3　系統軟、硬件設計

3.1PLC系統

本工程選用Rockwell公司的ControlLogix L72系列PLC實現中控系統控制功能。系統中PLC主站1套（包括本地站）和I/O站6套。PLC本地站設在22A變電站電氣室內，主機為雙CPU熱備冗余。其余6個電氣室內各設有遠程I/O站。通過主從通訊采集設備狀態，控制設備啟停，實現工藝流程高效運轉，實現物料快捷準確輸送。

3.2變頻系統

本系統變頻器用來驅動皮帶輸送機，變頻器選用ABB公司ACS800系列。ACS800變頻器選配RCNA-01 ControlNet適配器配件，通過該適配器實現PLC與ACS800變頻器之間的ControlNet通訊。變頻器、適配器和PLC通過RsnetWorks for ControlNet配置軟

圖3　PLC硬件控制圖

3.3上位軟件

本系統上位監控軟件選用美國GE公司的Cimplicity HMI軟件。上位監控系統是整個控制系統的操作中樞，負責與PLC的通訊和發出所有的控制指令。本系統監控軟件界面友好，能夠清楚地顯示各個設備的狀態信息。操作方便，便于操作員準確地發出控制指令。軟件系統主要有以下功能：

單機設備的啟停控制；

流程的選擇、啟動、停止；

流程的切換；

全變頻控制方式的選擇、切換；

輸送設備狀態信息的顯示；

報警信息的顯示、處理；

污水處理系統的狀態顯示和控制；

堆場噴灑水的控制和狀態顯示。

監控系統主畫面如圖4所示。

圖4　上位監控系統主畫面

4　系統可靠性設計

為保證控制系統運行的穩定性和可靠性，建立了高效的冗余控制系統，冗余系統包括三個方面：建立雙總線冗余控制網絡系統；建立雙PLC的冗余控制系統；建立冗余的上位監控系統。

4.1雙總線冗余控制網絡系統

本系統采用ControlNet冗余控制網絡與變頻器及遠程站進行通訊，系統ControlNet主站接口模塊為1756-CN2R，為增強型的ControlNet接口模塊，從站接口模塊為1756-CNBR。所有模塊都有2個獨立的ControlNet通道A和B，可連接2個獨立的鏈路，實現介質冗余，也可實現處理器模塊的冗余。在通信和控制時，兩個冗余鏈路同時工作，當A鏈路出現故障時，B鏈路仍起通信和控制作用，可有效地防止一條通訊介質斷掉造成整個控制系統的癱瘓。

4.2雙PLC冗余控制系統

ControlLogix冗余系統硬件結構由兩個完全一樣的控制器機架組成，每個ControlLogix冗余系統機架中包含控制器模塊、CN2R通信模塊和SRM冗余模塊，其產品系列、固件版本、節點地址以及各模塊所在槽號完全一致。兩個控制器框架之間，依靠系統冗余模塊SRM來完成數據同步與交換。進入同步狀態的主控制器，自動傳送備份數據到從控制器，這些數據無須挑選和編程，只要在主控制器中被程序運行刷新過的數據，都會通過交叉裝載傳送到從控制器。控制器通過與SRM的連接，確定自己是主控制器還是從控制器，從而決定是傳送數據還是接收數據。兩個控制器的同步運行使得輸出得到無擾切換。

ControlLogix冗余中，當出現主控制器所在框架掉電、拔插主機框架上的任何模塊、控制器程序發生主要故障、斷開CNBR模塊上的ControlNet分接器或電纜等情況，或者收到來自主控制器中用MSG發送的命令、來自Rslinx中SRM模塊組態頁面操作的命令都會發生無擾冗余切換。PLC冗余可有效防止一臺PLC出現故障后，系統無法正常工作。PLC雙冗余結構如圖5所示。

圖5　PLC冗余結構圖

4.3冗余的上位監控系統

上位監控系統是整個系統的操作中樞，所有的控制指令都由上位監控系統發出，因此必須保證上位監控系統的穩定。冗余的上位監控系統由兩臺監控主機組成，兩臺主機互為熱備。兩臺主機同時工作，當其中一臺出現故障，另外一臺實時投入運行，保證系統能夠正常運行，增加系統的可靠性。

5　結論

系統建成以來，運行穩定可靠。由于全部皮帶機均采用變頻驅動，有效地降低了碼頭的單位能耗和企業的生產成本，經濟效益顯著，極大地提高了碼頭的核心競爭力。

[1] 梁克. 大型港口皮帶機輸送管控系統的設計[J]. 自動化應用, 2015 (3) : 13 - 14.

[2] 曲春曉. 秦皇島港20萬噸級礦石碼頭自動控制系統的研究[J]. 水運科學研究, 2005(1).

[3] 陳忠華. 可編程序控制器與工業自動化系統[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

The Variable Frequency Control System Based on Fieldbus for Bulk Terminal

This paper introduces application of ControlNet Fieldbus and Industrial Ethernet in the central control system of 20~22# berths at Fangcheng Port, and describes the network structure and control scheme of variable frequency control system. The reliability of the system was mainly studied, which greatly improves the stability of the system.

ControlNet; Industrial Ethernet; PLC; Variable frequency control system; Bulk terminal

B 文章編號：1003-0492（2016）06-0110-03 中圖分類號：TP273

潘俊峰（1984-），男，河南洛陽人，工程師，碩士，現就職于交通運輸部水運科學研究院，主要研究方向為碼頭自動化。

李江寧（1991-），男，北京人，工程師，本科，現就職于交通運輸部水運科學研究院，主要研究方向為碼頭自動化。