腈綸紡絲生產(chǎn)線驅(qū)動系統(tǒng)冗余設(shè)計

葛鎖良, 潘 威

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

腈綸紡絲生產(chǎn)線驅(qū)動系統(tǒng)冗余設(shè)計

葛鎖良, 潘 威

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章針對腈綸紡絲生產(chǎn)對可靠性的要求,提出驅(qū)動系統(tǒng)冗余方案。設(shè)置備用變頻器和備用整流器對生產(chǎn)線相應(yīng)工位的變頻器或整流器進(jìn)行備用,并采用PROFIBUS-DP總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該文介紹了驅(qū)動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、基于MPI總線和PROFIBUS-DP總線3層控制網(wǎng)絡(luò)、主備切換的機(jī)制和軟件實現(xiàn)方法?，F(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明,驅(qū)動系統(tǒng)冗余設(shè)計有效地解決了生產(chǎn)線因設(shè)備故障而導(dǎo)致的長時間停工現(xiàn)象,提高了經(jīng)濟(jì)效益。

腈綸紡絲;冗余技術(shù);PROFIBUS-DP總線;MPI總線;可編程邏輯控制器

隨著工業(yè)制造水平的不斷提高,人們對可靠性的要求越來越高,但是在工業(yè)生產(chǎn)中,控制系統(tǒng)的可靠性取決于所采用的控制設(shè)備的質(zhì)量以及設(shè)計方案等,只要有某個設(shè)備發(fā)生故障,即會導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)發(fā)生故障,造成生產(chǎn)線無法正常工作,嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。于是在設(shè)計控制系統(tǒng)時,很有必要設(shè)計冗余方案來避免生產(chǎn)線因設(shè)備故障而導(dǎo)致的長時間停工現(xiàn)象[1-4]。

某腈綸紡絲生產(chǎn)線驅(qū)動系統(tǒng)建于1993年,原系統(tǒng)采用YASKAWA公司自行研制的專用系統(tǒng),開放性差,后期維護(hù)難度大;并且經(jīng)過多年使用設(shè)備老化,故障率增高,經(jīng)常因故障造成長時間的停工,嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。目前需要對其進(jìn)行改造并新加一套驅(qū)動設(shè)備冗余系統(tǒng),縮短生產(chǎn)線因設(shè)備故障而導(dǎo)致的停工時間,提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

腈綸紡絲生產(chǎn)線驅(qū)動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,共有6條生產(chǎn)線。每條生產(chǎn)線都有17個工位,由17臺變頻器拖動控制。每條生產(chǎn)線分為前紡和后紡2個部分,前紡變頻器為F1、F2、F4～F10、F12、F13～F15,由整流器1供電;后紡變頻器為F16、F17、F18、F20,由整流器2供電。整個系統(tǒng)采用共直流母線的驅(qū)動方案,可將處于發(fā)電狀態(tài)的電動機(jī)的能量回饋到共直流母線上,被其他處于電動狀態(tài)的電動機(jī)消耗,既減小能耗,又增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

腈綸紡絲生產(chǎn)線中,整流器和變頻器都屬于薄弱環(huán)節(jié),因此需要對此進(jìn)行冗余。備用線也安裝了17臺變頻器和2臺整流器,均采用“六用一備”的原則進(jìn)行備用,即6條生產(chǎn)線同一工位共享1臺備用變頻器或者備用整流器。6條生產(chǎn)線同一工位與備用線接觸器開關(guān)實現(xiàn)互鎖。當(dāng)生產(chǎn)線某個工位故障,迅速進(jìn)行主備切換,保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

腈綸紡絲控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為3層,第1層為監(jiān)控級,第2、第3層為現(xiàn)場級[6-7]。第1層網(wǎng)絡(luò)采用簡單經(jīng)濟(jì)的MPI總線,實現(xiàn)7#PLC(programmable logic controller)[8-9]與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信;第2層網(wǎng)絡(luò)中7#PLC作為主站,1#～6#PLC以及備用變頻器(圖2中TDS-PA01為變頻器側(cè)的通訊適配器)作為從站,采用實時性強(qiáng)的PRIFIBUS-DP總線,實現(xiàn)7#總站PLC與各個子站PLC的通信。第3層網(wǎng)絡(luò)中各生產(chǎn)線PLC采用PROFIBUS-DP總線與變頻器進(jìn)行通信。

圖2 腈綸紡絲控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 主備切換機(jī)制

根據(jù)腈綸紡絲生產(chǎn)線工藝要求,各個工位需采用速度同步控制。一旦某條生產(chǎn)線變頻器或整流器出現(xiàn)故障,PLC會立即給出報警信號,同時會導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停車。經(jīng)人工檢查,若發(fā)現(xiàn)設(shè)備損壞,需要維修或更換時,可以將備用線相應(yīng)工位設(shè)備切換到生產(chǎn)線上來,生產(chǎn)線又能夠恢復(fù)生產(chǎn),從而縮短停工時間。完成設(shè)備切換后,生產(chǎn)線PLC通過PROFIBUS-DP總線與備用線PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,由生產(chǎn)線PLC控制備用線設(shè)備在該生產(chǎn)線上工作。

2.1 主備切換過程

在腈綸紡絲生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中,7#PLC通過PRIFIBUS-DP總線與6個子站PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。7#PLC實時地接收并保存各子站PLC上傳的變頻器頻率、電流、起停等狀態(tài)信息,并將這些數(shù)據(jù)通過MPI總線上傳給上位機(jī),反映在Wincc組態(tài)畫面上。

一旦某條生產(chǎn)線某個工位設(shè)備出現(xiàn)故障,7#PLC與生產(chǎn)線PLC通過數(shù)據(jù)交換相互協(xié)調(diào)可使生產(chǎn)線重新工作。

現(xiàn)以1#生產(chǎn)線F1變頻器出現(xiàn)故障為例來說明具體實現(xiàn)過程:1#生產(chǎn)線F1變頻器出現(xiàn)故障并給出報警信號,整條生產(chǎn)線就會進(jìn)入停工狀態(tài)。手動選擇該工位進(jìn)入到備用工作模式,在1#PLC和7#PLC通信握手成功,確定滿足切換條件之后,1#PLC就會發(fā)出命令斷開生產(chǎn)線F1變頻器輸出接觸器,接通備用線F1變頻器的輸出接觸器。1#生產(chǎn)線重新啟動,1#PLC控制F2～F20變頻器運(yùn)行,同時將F1變頻器正常的運(yùn)行頻率、起停信號等數(shù)據(jù)實時地傳送給7#PLC,由7#PLC控制備用F1變頻器在1#生產(chǎn)線下運(yùn)行,于是這17臺變頻器一起運(yùn)行,實現(xiàn)同步加速并運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)。

主備站PLC的數(shù)據(jù)通信對實時性和可靠性的要求相對較高，因此這里選擇了PROFIBUS-DP總線。由于PROFIBUS-DP總線采用主從站令牌傳遞機(jī)制,速度快、實時性強(qiáng),基本可以忽略1#PLC與7#PLC的數(shù)據(jù)傳遞時延而導(dǎo)致的備用線變頻器控制不及時的問題,同時也保證了數(shù)據(jù)交換的可靠性。

2.2 主備切換軟件實現(xiàn)

主備切換過程軟件流程如圖3所示。

圖3 主備切換過程軟件流程

現(xiàn)以1#生產(chǎn)線F1變頻器出現(xiàn)故障進(jìn)行主備切換為例介紹具體實現(xiàn)過程。首先判斷主從站PLC之間是否出現(xiàn)通信故障,如果1#PLC與7#PLC之間出現(xiàn)了通信故障就撤銷請求信號以便7#PLC接受其他生產(chǎn)線發(fā)出的切換請求信號;如果通信正常就向7#PLC發(fā)出請求信號,7#PLC收到1#PLC發(fā)送的請求信號后判斷備用線F1變頻器是否處于空閑狀態(tài)、能否滿足啟動條件,當(dāng)這些條件都滿足后,表明備用線F1變頻器已經(jīng)準(zhǔn)備就緒,可以響應(yīng)請求,同時將請求標(biāo)志置1,拒絕其他生產(chǎn)線的請求信號;1#PLC接收到7#PLC發(fā)送來的響應(yīng)信號后,將生產(chǎn)線F1變頻器的輸出接觸器斷開,同時將備用線F1變頻器的輸出接觸器接通,完成F1變頻器主備切換。7#PLC接收1#PLC發(fā)來的信號便可以控制備用F1變頻器在1#生產(chǎn)線下工作。因此軟件實現(xiàn)過程主要是生產(chǎn)線PLC和備用線PLC相互問答和數(shù)據(jù)交換的過程。

為了提高性價比,本系統(tǒng)采用“六用一備”的冗余方案,6條生產(chǎn)線共享1套備用設(shè)備。

為及時準(zhǔn)確地實現(xiàn)備用,采用以下措施解決生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題。

(1) 當(dāng)多條生產(chǎn)線的同一工位同時出現(xiàn)故障并向備用線發(fā)出切換請求時,就會出現(xiàn)切換請求沖突。采用時間優(yōu)先原則,即先提出切換請求的生產(chǎn)線,給予優(yōu)先響應(yīng)。一旦備用設(shè)備響應(yīng)切換請求投入到某條生產(chǎn)線的工作中,就不再響應(yīng)其他生產(chǎn)線的請求。等到該生產(chǎn)線故障排除后,就解除對備用線該工位設(shè)備的占用。備用線該工位設(shè)備重回空閑狀態(tài),等待響應(yīng)下一個切換請求。

(2) 某條生產(chǎn)線某工位出現(xiàn)故障,需要向備用線提出主備切換請求,如果此時出現(xiàn)了通信故障,那么該工位需要撤銷切換請求,這樣不會影響其他生產(chǎn)線向備用線申請主備切換。

(3) 在備用線某設(shè)備投入工作中,如果此時出現(xiàn)了通信中斷,整條生產(chǎn)線停止下來,那么備用設(shè)備需要自動退出,重新回歸空閑狀態(tài),等待響應(yīng)其他生產(chǎn)線的切換請求。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計腈綸紡絲生產(chǎn)線驅(qū)動冗余系統(tǒng),采用變頻器和整流器“六用一備”的硬件冗余方案,生產(chǎn)線與備用線PLC通過PROFIBUS-DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,在軟硬件的相互協(xié)調(diào)下完成切換,提高了系統(tǒng)的可靠性。

本文所設(shè)計的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開放性好、實時性強(qiáng),具有很大的借鑒意義?，F(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明,在腈綸紡絲控制系統(tǒng)中引入驅(qū)動系統(tǒng)冗余,有效地解決了生產(chǎn)線因故障而導(dǎo)致的長時間停工現(xiàn)象,提高了經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 柯程虎,張輝.光伏控制系統(tǒng)中冗余技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].西安理工大學(xué)學(xué)報，2014,30(4),415-414.

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[9] 劉鍇,周海.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

(責(zé)任編輯 張 镅)

Design of redundancy scheme of drive system in acrylic fiber spinning production line

GE Suoliang, PAN Wei

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Aiming at the requirement of reliability in the acrylic fiber spinning production, the redundancy scheme of drive system is put forward. The standby inverter and standby rectifier are set up for the corresponding inverter and rectifier on the production line, and the PROFIBUS-DP bus is used to realize the data exchange. The drive system hardware architecture, three-level control network based on MPI bus and PROFIBUS-DP bus, active-standby switch mechanism and software implementation method are introduced. The running results show that the design of redundancy scheme of drive system effectively solves the phenomena of long downtime of the production line caused by equipment failure, and it increases the economic benefit.

acrylic fiber spinning; redundancy technique; PROFIBUS-DP bus; MPI bus; programmable logic controller(PLC)

2015-09-10；

2015-11-25

葛鎖良(1964-),男,江蘇丹陽人,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.011

TP273.1

A

1003-5060(2017)02-0197-04