堆場單機高性能行走控制系統設計與實現

姜來福

神華黃驊港務有限公司 滄州 061113

0 引言

國內某港口煤炭堆場分布著眾多取料機及堆料機，承擔著煤炭堆料和取料裝船的任務。目前，隨著堆場智能化作業模式逐步取代人工手動操作，要求單機必須具備高精度實時行走控制功能。雖然堆場單機行走配有GPS定位，但長期使用中無法滿足單機自動化作業對行走數據實時性、穩定性以及精度的要求。為此，在GPS定位裝置的基礎上，本文設計了一種高精度單機行走控制系統，與GPS互為冗余，行走指令發出后，根據目標位置和速度要求，由變頻器控制電機動作。系統工作過程中，絕對值編碼器向PLC發送實時位置和速度數據，通過RFID系統校正后的位置數據及速度值來實現單機的各種行走和保護功能，并對重要的數據檢測，防止出現數據檢測真空。

1 系統設計要求

對于示例堆場，一般情況下，堆場單機沿東西方向長約1 300 m的軌道行走，軌道兩側分布多個矩形煤炭堆場，每個堆場都有固定的坐標及煤堆模型。自動化模式作業后，需要行走系統提供高精度的單機位置數據來滿足堆場的建模以及自動取料堆料作業、HMI人機交互以及極限限位保護。

2 系統總體設計

通過對系統要求的分析，利用PLC、SICK絕對值編碼器、電機變頻控制、RFID技術、工業以太網技術、集成架構、設備級環網技術等，設計了一套包括主控裝置、行走裝置、校正裝置、保護裝置、HMI人機界面等的高精度行走控制系統，系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

其工作原理是：操作界面發出作業指令給主控PLC系統，主控系統根據指令內容通過變頻器啟動電機帶動行走輪轉動，同時絕對值編碼器開始實時向主控系統傳送位置和速度數據，通過RFID校正單元校正后，完成相應的行走動作及保護功能。

3 硬件系統設計

系統硬件部分采用ControlLogix5000控制器為控制核心，運算后完成對各部分裝置的運行協調和控制。其硬件系統主要由主控系統、行走裝置、編碼器裝置、RFID校正裝置、通訊模塊等組成。

3.1 系統主控裝置的選型和設計

系統主控裝置采用某處理器中適合大型企業控制平臺的1756-L73作為主控制器。該控制器適合上千個I/O點的控制系統，通過網關作用的背板可以連接系統的所有網絡。該系統是模塊與模塊之間的通信，幾乎所有的模塊都是智能化且具備通訊能力的，I/O模塊與控制器之間的數據交換也以通信的方式實現。在RSLinx連接軟件上瀏覽，看到的各個擬模塊設備是真實的物理連接，而它們之間的邏輯連接關系可通過組態定義實現。在RSLogix5000編程軟件的I/O Configuration下，可基于真實的物理連接來組態控制器所屬的I/O模塊，便可實現模塊之間數據交換通道。

該控制系統采用17槽邏輯機架，機架自供電源。系統采用EtherNet/IP通信模式，即對應網絡模塊1756-EN2T實現與編碼器、RFID的以太網通訊；采用DeviceNet通信模式對應的網絡模塊1756-DNB實現和行走變頻器的設備網通信。上位機可通過內置的RS-232串口和遠程以太網通訊實現程序的調試和修改。其他操作按鈕和顯示單元直接和PLC的I/O單元相連接。

3.2 變頻行走裝置選型及設計

堆場單機的行走裝置主要由2臺總功率為90 kW的變頻器及2臺總功率為70 kW的變頻器、26臺單功率為5.5 kW的三相行走電機、行走制動器、驅動輪及從動輪等組成。行走電機分成2組，分布在兩側行走軌道上，負責單機的正反轉行走和制動的執行。三相電機通過變頻器與PLC相連，PLC和變頻器之間通過1個設備網通信模塊1756-DNB進行通信，實現對電機的變頻控制。

3.3 位置檢測及矯正裝置設計

堆場單機的中心選在回轉平臺的中心處，編碼器和RFID的讀數根據其安裝位置到回轉中心的水平距離進行偏置量疊加，編碼器到回轉中心的水平距離約為200 cm，讀寫頭到回轉中心的距離為370 cm。在行走過程中，行走輪會發生一定程度的堵轉和滑移的現象，造成編碼器數據產生一定的累積誤差，無法滿足自動取料要求的精度。為進一步適應自動化作業的要求，本系統中位置檢測統一采用以太網絕對值編碼器，安裝在單機的行走從動輪的同心軸上，再輔以RFID校正系統，通過這樣的方式基本可避免上述累計誤差。編碼器選用Sick絕對值多圈編碼器，內置以太網通訊模塊，單圈分辨率和總圈數可組態設置。把編碼器的以太網接口先連到匯總交換機，交換機的接口再連到本地機架的1756-EN2T上與PLC實現數據交換。

位置校正裝置采用射頻識別系統（RFID），硬件包括網關、數字量輸入輸出模塊、載碼體、RFID接口模塊、讀寫頭。其中載碼體（標簽）按照間隔10 m的距離沿一側軌道從東到西依次安裝固定，RFID讀寫頭固定在單機上。讀寫頭到標簽的垂直距離在10～15 cm范圍內，以保證單機以0.5 m/s的速度行走時進行可靠讀寫。單機在行走過程中，由讀寫頭依次讀取各個載碼體，將讀取的數據送到PLC進行程序運算。

3.4 以太網通訊設計與組態

示例港口堆場控制系統原先的DeviceNet網絡、ControlNet網絡、串口通訊等處于多種協議混雜共存的狀態，而設備網與以太網混用使得系統鏈路較復雜、維護困難。為此，系統采用集成架構理念，將原系統中的多種通訊統籌為以太網通訊，為后續的5G通訊、設備的配置管理、升級維護提供便利。堆場單機行走控制系統網絡配置如圖2所示。

圖2 系統網絡配置圖

設備級環網（DLR）（見圖3）是一種單點故障容錯環形網絡，其具有拓撲結構簡單、網絡上發生單點故障時能快速恢復的優點。PLC控制器通過環形網絡與1794系列Flex I/O通訊組成設備級環網結構，并通過環形網絡與編碼器、RFID、雷達及變頻器設備實現通訊。

圖3 DLR環網下的遠程I/O通訊

1）PLC與遠程I/O的以太網通訊 為提高整套系統的后期推廣性，優先選用1794系列Flex-I/O作為遠程站的形式接入PLC系統。PLC控制器和遠程I/O的通訊，通過1756-EN2TR和1794-AENTR模塊來實現。只需用將各通訊模塊連接成環網，并在1794-AENTR通訊模塊配置面板上將IP地址撥碼設好，然后通過編程軟件實現PLC和遠程I/O之間的信息交互。

2）人機交互界面HMI設計 采用可開發人機交互應用項目的組態軟件FactoryTalk View Studio設計HMI界面；用可與服務器上應用項目交互的軟件FactoryTalk View SE Client設計客戶端；用FactoryTalk View SE Server存儲HMI工程組件，并提供給客戶。

根據生產特點，本系統設計成網絡分布式和本地站點兩種界面模式，兩種模式的監控界面和內容基本相同，前者主要用在遠程集中控制，后者用在單機上實現人機交互。通過人機界面實現單機工作模式的選擇，遠程故障復位、指令設置、故障顯示等。

4 軟件系統設計

4.1 系統功能總體設計

根據現場工藝，系統的軟件設計主要采用梯形圖語言實現，系統軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件總體設計流程

系統通電后進行初始化，之后PLC進入周期循環掃描，在主程序和子任務之間進行巡查和調用。系統的初始化包括PLC自檢、通信協議初始化、模塊狀態初始化、寄存器初始化、I/O端口初始化等。初始化完成后，編碼器向PLC發送實時編碼值，根據編碼值判斷單機當前位置，同時系統與人機界面進行交互，一旦確認界面發出指令，PLC判斷電機行走速度和方向，并把數據發給行走變頻器，由變頻器控制三相電機動作并帶動編碼器旋轉。電機轉動過程中，編碼器向PLC發行實時編碼值。在到達目標值之前，FRID讀寫頭每掃描一個載碼體，就把當前編碼器值和載碼體的值進行比較，若30 cm＞差值＞10 cm，對編碼器中間量進行加偏置，若＞30 cm，PLC報編碼器故障，并控制電機停止。當編碼器的值=目標位置值時，PLC發送指令給變頻器控制電機停止，同時使能制動器。

4.2 絕對值編碼器的軟件組態

編碼器是行走控制的核心檢測裝置，軟件組態是實現其功能的關鍵。首先是對其通訊進行配置，本文使用固定IP設定的方式，通過3個旋轉編碼開關，分別設定 IP 地址最后一個字節的百位、十位和個位，有效設定范圍為 1～254；IP 地址：192.168.1.XXX；第二步，進行Rockwell軟件配置，即在RSLogix5000軟件I/O Configuration里添加一個Generic Ethernet module，填寫編碼器IP地址，輸入輸出Instance和所需字節長度。在Offline 模式下雙擊Controller tags，在Encoder_Travelling:C.Data中為編碼器分配控制參數，Encoder_Travelling:C.Data的第4、5、6、7字節代表單圈分辨率CPR，第8、9、10、11字節代表多圈分辨率CMR，令 C.Data(4)=00 h，C.Data(5)=20 h，C.Data(8)=C.Data(9)=C.Data(10)=00 h，C.Data(11)=02 h則CPR=2 000 h=8192，CMR=8 000 h=33 554 432；因此可以根據從動輪周長算出編碼器單位線數對應的長度，即標簽P10R[3]=0.241 461 6 mm/bit；然后啟用Scaling 功能，令 C.Data(13)=01 h，將參數下載，則編碼器每次上電后將自動按照新的配置返回位置值；第三步，為實現對編碼器數據的讀寫，可以導入AFX60 Ethernet IP addon instructions，利用此功能塊，如圖5所示，可實現編碼器當前位置設定即初始化對應標簽St_Data_Travel，讀取當前編碼器的速度值以及位置數據等。

圖5 Sick編碼器在ControlLogix5000PLC中的編程實現

4.3 位置檢測及矯正裝置軟件設計

行走位置檢測及矯正裝置軟件設計，判斷電機的速度，限位保護，編碼器校正以及實現快速精確動作。RFID行走校正的實現，通過讀寫頭對載碼體從西向東依次寫入1到116，對應PLC中標簽名為RFID_Num；根據GPS提前測出每個載碼體的中心位置，分別錄入PLC對應的標簽RFID_PositionQue[150]中。當單機行走時，讀寫頭讀取載碼體的數值并上傳給PLC，再由PLC查詢到對應的位置參數，然后與編碼器數值進行比較校正，實時保證編碼器數值的正確性。軌道從西到東約1 300 m，單機行走到距離軌道前后終點一定距離如50 m時，即編碼器的值≤50 m或≥1 250 m時，PLC會控制變頻器降低為全速的10%運行，以防止單機沖出軌道，保證設備自身安全，其軟件設計流程如圖6所示。

圖6 軟件具體設計流程

4.4 冗余系統設計

目前示例港口堆場全面實現自動化作業模式，年吞吐量近2億t，要求所有的大型生產設備必須具備連續性工作，一旦某臺單機出現故障停機將影響整條流程的生產運行效益。為此，在GPS定位的基礎上，結合行走位置自矯正系統設計了一種互為冗余的模式，以高性能行走位置系統為主，GPS定位裝置為輔。系統正常工作期間，主要由高性能行走控制系統提供數據支持，當系統檢測出自身故障包括：通訊故障、編碼器故障、RFID矯正系統故障以及數據誤差超過一定閾值時自動切換到GPS定位裝置，由GPS定位裝置提供臨時數據支持，當高性能行走控制系統恢復正常后，自動返回到由其提供行走數據的狀態。

5 結語

目前，該高性能行走控制系統已應用在3個堆場區域，包含取料機、堆料機和堆取料機共26臺單機上，該系統能夠完成長距離行走的位置校正、前后限位保護、編碼器故障報警以及與HMI人機界面之間的交互。應用后，各單機行走速度穩定，通信質量好，校正精度高、冗余切換方便，完全滿足單機自動化作業的要求。目前，該技術已推廣應用到煤炭碼頭裝船機行走系統中，提升了裝船機的行走操控性能，為裝船機自動化作業提供了保障。