多功能天車S LC 500控制系統(tǒng)和人機(jī)界面的升級(jí)改造

楊永剛

（蘭州鋁業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

ECL多功能天車是由法國(guó)ECL公司生產(chǎn)的鋁電解專用設(shè)備，又稱鋁電解多功能機(jī)組，適用于現(xiàn)代預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解工藝生產(chǎn)，可完成打殼、更換陽(yáng)極、覆蓋氧化鋁和電解質(zhì)、槽上部氟化鹽加料、吊運(yùn)陽(yáng)極母線提升框架、吊運(yùn)上部機(jī)構(gòu)和下部槽殼、完成廠房零星吊運(yùn)和維修作業(yè)。

電解二廠200 kA 電解鋁項(xiàng)目法國(guó)ECL 多功能天車于2001年投入使用，天車的控制系統(tǒng)采用美國(guó)Rockwell生產(chǎn)的SLC 500系列PLC控制系統(tǒng)，天車的人機(jī)交互界面采用Rockwell 2711-T10C10系列人機(jī)界面，控制網(wǎng)絡(luò)采用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)。本地控制部分是天車控制系統(tǒng)的核心，由型號(hào)為1746-A10的2個(gè)PLC 機(jī)架組成，機(jī)架上安裝了電源、CPU、輸入輸出模塊和通信模塊，主機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間由專用線纜連接。擴(kuò)展機(jī)架上的通信模塊1747-SDN 通過(guò)DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)將天車的本地控制系統(tǒng)與5 個(gè)遠(yuǎn)程站適配器1794-ADN和人機(jī)界面2711-T10C10連接到一起，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的交換傳遞（圖1）。

圖1 升級(jí)前控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

SLC 500 系列PLC 控制系統(tǒng)和人機(jī)界面已使用20多年，由于高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、腐蝕性氣體等使用環(huán)境的影響，控制系統(tǒng)輸入輸出模塊和通信模塊嚴(yán)重老化，系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)故障頻繁，人機(jī)界面操作不靈敏，而且多功能天車使用的SLC 500 系列控制系統(tǒng)各類模塊和人機(jī)界面2711-T10C10 已停產(chǎn)多年，如果控制系統(tǒng)硬件和人機(jī)界面損壞將無(wú)備件更換。針對(duì)存在的問(wèn)題，分析選型控制系統(tǒng)和人機(jī)界面的類型，研究多功能天車運(yùn)行控制邏輯，制定多功能天車控制系統(tǒng)和人機(jī)界面升級(jí)改造方案，對(duì)原控制系統(tǒng)和人機(jī)界面硬件更換升級(jí)并重新編寫(xiě)控制程序和畫(huà)面。

1 多功能天車控制系統(tǒng)和人機(jī)界面升級(jí)方案的設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

多功能天車SLC 500 控制系統(tǒng)的升級(jí)改造，系統(tǒng)選型時(shí)考慮到模塊電壓等級(jí)、模塊點(diǎn)位數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)連接和通信、兼容性和穩(wěn)定性等因素，決定選用通用性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、故障率較低的ControlLogix 系統(tǒng)。ControlLogix 系統(tǒng)不僅是一個(gè)PLC系統(tǒng)，而且它的結(jié)構(gòu)體系更是一個(gè)技術(shù)先進(jìn)的控制平臺(tái)。和傳統(tǒng)的PLC不同，ControlLogix 系統(tǒng)在任何大小規(guī)模上都是模塊化的，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)選擇合適的存儲(chǔ)容量、處理器的個(gè)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)類型和1/O 模塊[1]。ControlLogix系統(tǒng)既可以連接先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如以太網(wǎng)、ControlNet 和DeviceNet，也可以在A-B PLC 的核心網(wǎng)絡(luò)如DH+、遠(yuǎn)程I/O鏈路之間實(shí)現(xiàn)橋接。

ControlLogix系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接。易于和已有的PLC 系統(tǒng)集成，網(wǎng)絡(luò)上的處理器可以透明地互相收發(fā)數(shù)據(jù)。

（2）高速處理。ControlLogix 系統(tǒng)背板提供高速的無(wú)源多主數(shù)據(jù)傳輸總線，為框架上所有模塊間的信息交換提供了傳遞的通道，實(shí)現(xiàn)無(wú)需處理器的網(wǎng)絡(luò)橋接；同時(shí)，在同一個(gè)框架內(nèi)可以放置多個(gè)處理器，與通信模塊、I/O模塊任意組合，高速的處理器實(shí)現(xiàn)高速的傳輸控制。

（3）集成化。提供了一個(gè)集中多技術(shù)的平臺(tái)，包括順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)和過(guò)程控制。

（4）工業(yè)化。提供了高強(qiáng)度的應(yīng)用平臺(tái)，可耐受震動(dòng)、高溫及各種工業(yè)環(huán)境下的電氣干擾。

（5）結(jié)構(gòu)緊湊。適用于控制高度分散而空間有限的應(yīng)用場(chǎng)合。

（6）帶電插拔。模塊放置和更換無(wú)需斷開(kāi)系統(tǒng)供電，便于安裝和維護(hù)。

多功能天車ControlLogix 系統(tǒng)升級(jí)，主要硬件選型如下：PLC 控制器：1756-L55-M12；PLC 機(jī)架：1756-A13；PLC電源：1756-PA75；模擬量輸出模塊：1756-OF4；數(shù)字量輸入模塊：1756-IB16I；掃描模塊：1756-DNB；以太網(wǎng)通信模塊：1756-ENBT；數(shù)字量輸出模塊：1756-OW16I。控制系統(tǒng)升級(jí)時(shí)需拆除原SLC500控制系統(tǒng)各模塊及PLC機(jī)架，在原位置安裝1756 系列PLC 機(jī)架，1756 系列PLC 各I/O 模塊按原SLC500模塊位置安裝，保證原有電氣控制線路將不做大的改動(dòng)，多功能天車全車控制系統(tǒng)保持原有控制電壓等級(jí)不變，原有I/O點(diǎn)數(shù)分布及性質(zhì)不變，遠(yuǎn)程I/O不做變動(dòng)（圖2）。

圖2 升級(jí)后控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)查閱資料，工業(yè)以太網(wǎng)就是應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，它在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEC802.3 標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性等方面作了改進(jìn)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要[2]。工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以，在數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開(kāi)放性高和支持設(shè)備多等方面的優(yōu)勢(shì)。選用以太網(wǎng)還有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）Ethernet 是全開(kāi)放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不同廠商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

（2）以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。

（3）以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，軟硬件成本相對(duì)較低。

（4）通信速率高，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。

經(jīng)分析研究，決定采用工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)實(shí)現(xiàn)2個(gè)PLC機(jī)架之間以及和人機(jī)界面的網(wǎng)絡(luò)通信。

1.2 人機(jī)界面的選型設(shè)計(jì)

PanelView 控制器終端是羅克韋爾自動(dòng)化公司生產(chǎn)的一種人機(jī)操作界面（HMI），它具有防塵、防爆等優(yōu)良性能，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作。它可通過(guò)軟件進(jìn)行編程，可以代替現(xiàn)場(chǎng)數(shù)以百計(jì)的開(kāi)關(guān)，省去了非常繁瑣且昂貴的硬接線，同時(shí)它還可以編輯現(xiàn)場(chǎng)仿真畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制過(guò)程更加安全可靠[3]。人機(jī)界面升級(jí)，選用性能更加穩(wěn)定的Rockwell新款人機(jī)界面PanelView Plus 2711P-T12C4A8 替換原有的人機(jī)界面2711-T10C10。 2711P-T12C4A8型人機(jī)界面易于和ControlLogix RS Logix5000 系列可編程控制器進(jìn)行組態(tài)，人機(jī)界面操作員界面支持串口通信，有以太網(wǎng)通信接口和2個(gè)USB接口，可用于傳輸文件或更新固件，該人機(jī)界面可提供更快速的響應(yīng)和更高質(zhì)量的圖形。

PanelView Plus 2711P-T12C4A8 人機(jī)界面升級(jí)，采用EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)作為多功能天車的通信控制。此外，多功能天車控制系統(tǒng)本地機(jī)架和人機(jī)界面之間如果直接使用網(wǎng)線連接會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)270°的駕駛室旋轉(zhuǎn)拖鏈，網(wǎng)絡(luò)線在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生磨破或拉斷故障，因此考慮在控制系統(tǒng)本地機(jī)架和人機(jī)界面之間加裝一套無(wú)線發(fā)射與接收裝置，用工業(yè)無(wú)線以太網(wǎng)通信傳輸數(shù)據(jù)，具體方法是在PLC機(jī)架上新增以太網(wǎng)通信模塊1756-ENBT，PLC 機(jī)架通過(guò)以太網(wǎng)通信模塊→工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)→全向發(fā)射裝置→定向接受裝置→人機(jī)界面進(jìn)行控制信號(hào)的交換傳遞。

2 控制系統(tǒng)升級(jí)改造

2.1 拆除SLC500控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)升級(jí)改造，首先拆除SLC500控制系統(tǒng)各模塊，然后按照機(jī)架上模塊的位置順序在接線端子上做好標(biāo)記，防止線路混亂，最后再拆除PLC機(jī)架。

2.2 安裝1756系列控制系統(tǒng)并接線

在原機(jī)架位置安裝固定1756系列PLC機(jī)架，將所有1756 系列PLC 控制系統(tǒng)模塊組件按要求安裝到機(jī)架上，1756 系列PLC 各I/O 模塊按原SLC500 模塊位置安裝，安裝完成后根據(jù)做好的順序標(biāo)記，逐個(gè)將各信號(hào)線拆下來(lái)接到新的模塊接線端子上，接完所有控制線后再仔細(xì)復(fù)核一下接線是否正確。

2.3 編程

根據(jù)ControlLogix 系列PLC RS Logix5000 編程規(guī)范和指令，對(duì)照天車原SLC 500 程序編寫(xiě)ControlLogix 系列RS Logix5000程序。

2.3.1 新建程序

PLC 編程選用Rockwell RSLogix5000 系列軟件，打開(kāi)軟件新建RSLogix5000工程文件，定義處理器的類型、名稱、PLC 機(jī)架的型號(hào)、處理器所在的槽號(hào)、創(chuàng)建的文件路徑等[4]。處理器類型選擇1756-L55，PLC 機(jī)架選擇1756-A13，槽號(hào)0 槽，路徑選擇桌面。在程序頁(yè)面點(diǎn)擊Controller Tags，在打開(kāi)的標(biāo)簽編輯器中對(duì)照SLC 500程序控制標(biāo)簽逐個(gè)新建標(biāo)簽，填寫(xiě)標(biāo)簽描述內(nèi)容等，定義標(biāo)簽時(shí)要選對(duì)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)類型（base 基本類型包括：BOOL 布爾型、SINT短整型、INT整型、DINT雙整型、REAL實(shí)型）以及標(biāo)簽作用域，需指定標(biāo)簽是作為程序標(biāo)簽（局部）還是作為控制器標(biāo)簽（全局）。依次按要求創(chuàng)建完所有標(biāo)簽，為編程做好準(zhǔn)備。

2.3.2 編寫(xiě)程序

在RS Logix5000 程序軟件界面，主任務(wù)（Main Task）已經(jīng)被定義為連續(xù)任務(wù)，進(jìn)入主程序（Main Program）編寫(xiě)界面，根據(jù)SLC 500原程序以及天車各功能部件控制要求編寫(xiě)各段控制程序[5]。程序編寫(xiě)完成后再仔細(xì)核對(duì)并進(jìn)行程序編譯，保證編寫(xiě)的控制系統(tǒng)程序準(zhǔn)確無(wú)誤，能夠安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

2.4 下載程序并調(diào)試

編程完成后PLC 控制系統(tǒng)送電，將編寫(xiě)好的程序下載到1756 系列PLC 控制器中，配置掃描模塊（1756-DNB）參數(shù)，將2組機(jī)架上的以太網(wǎng)通信模塊（1756-ENBT）IP 地址設(shè)置到同一網(wǎng)段，最后，通過(guò)交換機(jī)將2 個(gè)以太網(wǎng)通信模塊連接到同一網(wǎng)絡(luò)，以便于2組機(jī)架和人機(jī)界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和控制器運(yùn)行狀態(tài)調(diào)試正常后，電腦在線對(duì)程序中的每一個(gè)輸入、輸出點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)試。

2.5 運(yùn)行觀察

下載程序并按照多功能天車操作要求反復(fù)操作天車各項(xiàng)功能，觀察天車大車、小車運(yùn)行方向、高低速切換是否正常，空壓機(jī)、液壓站、工具部位啟停動(dòng)作是否正常，急停、限位等保護(hù)功能是否正常，各功能部位運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警是否正常，根據(jù)具體情況不斷調(diào)整完善。

3 人機(jī)界面升級(jí)

人機(jī)界面升級(jí)，由于采用的Rockwell 新款人機(jī)界面2711P-T12C4A8 與原有人機(jī)界面2711-T10C10版本型號(hào)不一樣，編程軟件和編程方法上也有很大差別，兩者不能直接通用。同時(shí)，人機(jī)界面升級(jí)考慮到操作者的使用習(xí)慣，在不改變?cè)腥藱C(jī)界面布局和操作方式的前提下，重新制作新款人機(jī)界面程序。

3.1 人機(jī)界面編程

人機(jī)界面編程選用Rockwell FactoryTalk View Site Edition V5.0 軟件，文件類型為View Machine Edition，畫(huà)面大小為PVPlus 700/1000（640×480），編程時(shí)參考2711-T10C10 版人機(jī)界面，在新建畫(huà)面中創(chuàng)建指令按鈕、I/O 狀態(tài)指示圖標(biāo)，設(shè)置鏈接地址和控制屬性，逐個(gè)畫(huà)面制作新款人機(jī)界面程序。

3.2 人機(jī)界面程序調(diào)試

人機(jī)界面程序編寫(xiě)完成后，將2711P-T12C4A8人機(jī)界面IP 地址設(shè)置成PLC 機(jī)架以太網(wǎng)模塊同一網(wǎng)段，再將人機(jī)界面程序下載到2711P-T12C4A8人機(jī)界面，人機(jī)界面與定向接收裝置連接，定向接收裝置與全向發(fā)射裝置通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形式傳輸信號(hào)，全向發(fā)射裝置通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與PLC 機(jī)架以太網(wǎng)模塊交換數(shù)據(jù)。在人機(jī)界面程序中打開(kāi)Communication Setup，連線后就可以展開(kāi)網(wǎng)絡(luò)路徑并添加指向。PLC控制器與人機(jī)界面間網(wǎng)絡(luò)調(diào)試正常后，對(duì)人機(jī)界面程序每個(gè)畫(huà)面中的按鈕、輸入輸出狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行逐一測(cè)試，觀察各信號(hào)在0 和1 時(shí)的狀態(tài)變化，測(cè)試正常后進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)試。

4 升級(jí)后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特性

（1）PLC機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間通信采用EtherNet/IP 實(shí)現(xiàn)底層I/O 總線網(wǎng)絡(luò)。在2 個(gè)機(jī)架上新增以太網(wǎng)通信模塊1756-ENBT，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)架之間互連。

（2）PLC 機(jī)架和人機(jī)界面之間通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。

（3）PLC 和遠(yuǎn)程I/O 之間通過(guò)1756-DNB 通信模塊與原有網(wǎng)絡(luò)適配器1794-ADN進(jìn)行通信。

（4）EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)和DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)共同參與多功能天車的信號(hào)傳遞與控制。

5 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及使用效果

（1）SLC 500控制系統(tǒng)和人機(jī)界面升級(jí)方案，創(chuàng)新性地將EtherNet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)引入多功能天車的控制通信，為后期智能化工廠建設(shè)打好基礎(chǔ)。

（2）ControlLogix 系列PLC 及2711P 系列人機(jī)界面升級(jí)，優(yōu)化和拓展了早期SLC 500 PLC 和人機(jī)界面的性能，讓工業(yè)設(shè)備控制變得輕松、便捷，而且可靠性和效率較之前的傳統(tǒng)控制方式有了很大提高。

（3）升級(jí)后，控制系統(tǒng)及人機(jī)界面完全能夠適應(yīng)多功能天車的正常運(yùn)行和電解鋁生產(chǎn)工藝使用要求，很大程度地降低了設(shè)備故障率，有效提升了多功能天車運(yùn)行效率，多功能天車SLC 500 控制系統(tǒng)和人機(jī)界面升級(jí)方案也為其他設(shè)備的智能升級(jí)提供了新選擇。

（4）多功能天車SLC 500 控制系統(tǒng)和人機(jī)界面升級(jí)后，控制系統(tǒng)各類模塊和人機(jī)界面采購(gòu)問(wèn)題得到有效解決，而且升級(jí)后的備件與大多數(shù)設(shè)備備件通用，降低了備件庫(kù)存和費(fèi)用。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步以及日新月異的技術(shù)革新，很多早期的設(shè)備及其控制系統(tǒng)逐步老化，故障頻繁，備品備件已更新或停產(chǎn)，造成設(shè)備維修難度增大、維修成本增加。多功能天車SLC 500 控制系統(tǒng)和人機(jī)界面升級(jí)，是順應(yīng)社會(huì)技術(shù)進(jìn)步，也是為了企業(yè)發(fā)展的需要。控制系統(tǒng)升級(jí)改造相當(dāng)于給多功能天車更換“心臟”，讓多功能天車重新恢復(fù)生機(jī)和活力，提高了設(shè)備運(yùn)行效率，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。通過(guò)對(duì)多功能天車控制系統(tǒng)和人機(jī)界面的升級(jí)改造，達(dá)到了很好的使用效果，降低了設(shè)備故障率和設(shè)備維修成本，有效提升了多功能天車運(yùn)行效率，保證鋁電解生產(chǎn)的正常進(jìn)行。