多段式客運索道協同控制系統通訊網絡設計

段 琰 賈睿璽 馮顯宗 陳 虎 鄭 泓

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

隨著國內旅游資源的持續、深度開發和滑雪場雪道的升級迭代，市場對超長運距索道的需求日益增加。在脫掛索道技術成熟的基礎上，對由多段索道組成的超長運距索道電控方案進行了設計研發，本文著重介紹其中通信網絡的設計方案。

作為多段式索道電控系統的關鍵環節，通訊網絡設計實現了多段索道被控設備聯動的協同控制、分段管理、數據實時監控以及系統通訊狀態實時監測功能。為控制系統的可靠性和設備運轉平穩度提供有力保障。

1 多段式索道特點

單段式客運索道由1個驅動站及1個迂回站組成，由驅動設備完成該段索道運載任務，索道驅動能力受到該段索道長度限制；多段式索道即將多個單段式索道級聯成為一個整體，每段索道均由獨立的驅動站和迂回站組成。多段式索道既可以作為多個單段式索道獨立運轉，也可以作為整體設備聯動運轉。

以2段式索道為例，其線路示意如圖1所示。可知，索道主要由1段索道驅動站1、2段索道驅動站2、以及1段和2段索道迂回站3即中間站組成。1段和2段索道既可獨立運轉又能聯動。其聯動工作方式由1段和2段驅動站電動機6協同驅動2段索道鋼絲繩4及吊廂5運轉，從而實現2段索道協同運行。

圖1 2段式索道線路示意圖

2 通訊網絡結構設計

圖2所示為多段式索道驅動設備的通訊網絡結構示意。該設計以監控系統終端PC為管理中心，由PC向聯動系統發送指令，驅動控制器將電動機反饋數據傳送至PLC，對每段索道設備實時監控，完成由PC進行管理及協調多段索道設備協同運行的工作。

圖2 通訊網絡結構示意圖

PC與驅動控制器以及遠程I/O組成網絡，設備信息反饋給遠程I/O，設計基于羅克韋爾自動化ControlLogix控制平臺，該平臺將順序控制、過程控制、傳動控制及運動控制集成為一體。其特點是允許多個網絡模塊、I/O模塊任意組合，并可通過EtherNet/IP，ControlNet，DeviceNet，DH+，DH-485等網絡進行通訊。

圖3所示為基于2個驅動站設備的多段式索道控制系統通訊網絡設計圖。該控制系統網絡設計分為3層：以太網層EtherNet、控制網絡層ControlNet以及設備網絡層DeviceNet。設計以監控終端PC為核心，PC與PLC以及1段驅動控制、2段驅動控制器分別通過EtherNet網絡進行通訊，由PLC與各自遠程I/O等設備組成ControlNet網絡，1段和2段驅動控制器與就地傳感器組成設備網絡層。

圖3 通訊網絡設計示意圖

2.1 ControlNet網絡特點

ControlNet是符合IEC-61158《現場總線標準》的網絡，采用CIP協議，用于控制信息傳輸。其基礎是一種開放網絡技術的創新解決方案。它允許網絡中的所有節點同時獲取來自同一數據源的數據，即實時I/O讀取、編程操作、對等報文傳輸可以在同一條ControlNet鏈路上實現，其可重復的性能保證網絡傳輸時間不會因網絡設備添加和刪除而改變。在ControlNet網絡架構中，信息處理和更新不需要處理器的干預，可提高過程控制對時間要求苛刻的傳輸效率。

ControlNet通訊模塊通過橋接ControlNet傳遞信息給以太網、ControlNet以及DH+等網絡設備，其通訊速率5 Mbps，最多連接模塊數量64，通訊介質為同軸電纜，可帶冗余接口及監控窗口。

2.2 EtherNet網絡特點

EtherNet網絡設計符合IEEE802.3標準，允許商務和工業應用并存，其通訊速率10/100 Mbps。它使用傳輸層控制協議/網絡層協議，即TCP/IP來傳遞顯性信息，如上傳和下載程序。而實時的I/O隱形信息傳遞，則使用用戶數據報協議即UDP傳輸協議，它可以提供2個設備之間傳輸數據包能力，如在PLC與遠程I/O及PLC與驅動控制器之間的數據包傳輸。

2.3 DeviceNet網絡特點

DeviceNet網絡是基于CAN總線網絡設計，符合中國國家標準和IEC標準。數據傳輸采用CIP協議，特別適合應用項目中設備層網絡的使用。其最高傳輸速率為500 Kbps。

3 通訊網絡硬件設計

PLC主框架模塊分別為處理器、ControlNet網絡模塊和EtherNet網絡模塊，簡稱CPU、CNET、ENET。遠程I/O框架模塊由ControlNet網絡模塊及多種1756輸入/輸出模塊組成，其硬件結構設計如圖4所示。

圖4 通訊網絡硬件設計示意圖

PLC的ENET模塊主要功能是執行管理系統需要的操作。用物理媒介將PC機、HMI，通過交換機與PLC連接起來。

1段驅動控制器的RETA通訊模塊將PLC主框架與1段驅動控制器鏈接在一起，實現PLC與驅動控制器之間數據傳輸及反饋信號采集。RETA模塊硬件結構如圖5所示。

圖5 RETA模塊結構示意圖

PLC主框架與1段、2段遠程I/O框架通過CNET模塊連接在一起形成ControlNet網絡，每個連接到ControlNet網絡節點上的物理設備具有唯一的網絡地址，設備節點之間通過分接器和同軸電纜連接，集合組成鏈路，鏈路之間通過網橋進行信息傳遞。ControlNet網絡連接方法及介質如圖6所示。

圖6 ContrloNet網絡連接方法示意圖

4 軟件設計

控制系統軟件調試及通訊設置所涉及的軟件包括 Studio5000、RSLinx Classic、RSNetworx、BOOTP Server、ControlFLASH、Application Manager。Studio5000及RSNetworx、BOOTP Server分別為編程軟件和組態軟件，為開放式標準網絡(包括ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP)提供設計和組態管理服務，以完成每個網絡層的程序執行以及數據傳送任務。

4.1 為控制器與遠程I/O建立通訊

如圖7所示，打開Studio 5000項目，點擊I/O Configuration，打開菜單，選擇New Module、CNB模塊，點擊OK，填寫模塊所安裝位置的槽號，并選擇模塊是否與控制器進行通信，點擊Finish。

圖7 I/O Configuration菜單示意圖

4.2 創建ControlNet網絡通訊

打開File菜單，選擇New。從Nerwork菜單中，選擇Online。選擇ControlNet網絡。打開Edits Enabled，在屬性欄中填寫表1參數，點擊OK完成。

表1 ControlNet網絡屬性列表

4.3 RETA模塊通訊設定

打開RSlogix 5000軟件中I/O配置對話框，選擇New Module、RETA模塊，如圖8所示。右鍵點開RETA模塊屬性，設置IP地址，舉例為10.0.0.6，點擊OK，完成RETA模塊通訊創建，如圖9所示。

圖8 RETA模塊通訊建立示意圖

圖9 設置RETA模塊IP地址示意圖

4.4 驅動控制器指令傳送

在PLC程序掃描周期內，PC將速度控制指令同時發送至2個控制器，如圖10a、圖10b所示，圖10c所示為PLC數據通訊IP地址，此處為10.0.0.6。2個驅動控制器接收到指令后，進行同步運轉，再將電動機轉速、轉矩等數據實時反饋至相應的I/O模塊，實現兩段驅動器對負載的協同控制。

圖10 控制傳送指令

5 結語

多段式客運索道協同控制通訊網絡，其核心是將多段驅動設備連為一體，由監控終端PC向控制系統發出控制指令，使得多段驅動設備協同運轉。該設計實現了多段索道協同驅動控制功能，可實時監控每段索道設備運轉數據，并帶有心跳機制，可實時判斷通訊故障；可就地或遠程在管理層PC靈活進行系統參數配置。其設計難點在于將多個遠端驅動設備、遠程I/O接入通訊網絡平臺，最終實現多段索道驅動設備實時可控，可靠協同且平穩運行。