基于现场总线的散货码头变频控制系统

潘俊峰，李江宁（交通运输部水运科学研究院，北京 100088）

基于现场总线的散货码头变频控制系统

潘俊峰，李江宁（交通运输部水运科学研究院，北京 100088）

本文介绍了ControlNet现场总线和工业以太网在防城港20-22#泊位中央控制系统的应用。描述了变频控制系统的网络结构和控制方案，并对系统的可靠性设计做了重点研究，大大提高了系统的稳定性。

ContolNet；工业以太网；PLC；变频控制系统；散货码头

1　引言

防城港20~22#泊位为散货专业码头，输送物料主要为煤炭兼铁矿。防城港20~22#泊位主要工艺设备有皮带输送机、输送辅助设备、卸船机、装船机、斗轮堆取料机、装车楼等。为响应国家节能减排号召，三个泊位皮带输送机机均为变频驱动。

2　系统结构

对于系统结构设计，根据本工程工艺系统的特点及ControlNet总线的优势，按照国际自动化技术和现场总线控制系统的发展趋势，本着系统结构简单实用、技术先进、系统扩展方便、操作安全可靠、易于管理和维护等原则，设计成一个由计算机、PLC、变频器、现场总线、工业以太网等组成的多级、开放式集散型数据采集和监控管理系统。

防城港20~22#泊位中央控制系统控制网络采用三层网络结构。最上层为管理信息层，采用IEEE802.3标准协议，传输层基于TCP/IP以太网协议，主要连接工程师站、操作员站以及监控服务器，来实现与PLC的通信和数据交换、对生产过程进行监控，同时可用于企业信息网。本系统网络结构图如图1所示。

图1　系统网络结构图

控制层采用工业以太网和ControlNet现场总线两种方式。工业以太网负责PLC与5台斗轮机、4台卸船机、2台装船机、装车楼以及污水站的通讯，用来实现信号联锁、数据交换、信息共享等。ControlNet现场总线用来实现PLC与远程I/O模块、变频器、皮带秤等设备的通讯。对于距离较短的远程站，主站与远程站之间采用同轴电缆作为通讯介质；为了保证通讯的可靠性，对于距离较长的远程站，主站与远程站采用光纤作为通讯介质，通过光纤中继器和光端机来完成光电信号的转换，以实现主从通讯。远程站内PLC与变频器，以及各个变频器之间采用同轴电缆连接起来。ControlNet现场总线网络结构如图2所示。件组态后才能建立ControlNet通讯。

图2　现场总线结构图

变频器有两种控制方式：本地控制和远程控制。通过变频柜前面板的转换开关来选择控制方式。“本地”控制方式时，通过变频柜面板的启/停按钮来启动或停止皮带机，此方式只满足本机基本的保护需求（如拉线保护），无法与上下游设备建立联锁关系。远程控制方式为主要控制方式。远程控制方式下，PLC通过与变频器的通讯来控制变频器的启/停以及读取变频器的状态信息和数据信息。

变频器硬件控制回路包括DI和DO两部分。DI包括启/停信号、故障复位信号以及宏切换。启/停信号用来启动、停止变频器。故障复位信号用于当变频器发生可复位的故障时，对故障进行复位。宏切换用来切换变频器的控制地，选择变频器由本地操作或远程操作。DO用来向PLC输出变频器运行信号、故障信号。控制回路如图3所示。

3　系统软、硬件设计

3.1PLC系统

本工程选用Rockwell公司的ControlLogix L72系列PLC实现中控系统控制功能。系统中PLC主站1套（包括本地站）和I/O站6套。PLC本地站设在22A变电站电气室内，主机为双CPU热备冗余。其余6个电气室内各设有远程I/O站。通过主从通讯采集设备状态，控制设备启停，实现工艺流程高效运转，实现物料快捷准确输送。

3.2变频系统

本系统变频器用来驱动皮带输送机，变频器选用ABB公司ACS800系列。ACS800变频器选配RCNA-01 ControlNet适配器配件，通过该适配器实现PLC与ACS800变频器之间的ControlNet通讯。变频器、适配器和PLC通过RsnetWorks for ControlNet配置软

图3　PLC硬件控制图

3.3上位软件

本系统上位监控软件选用美国GE公司的Cimplicity HMI软件。上位监控系统是整个控制系统的操作中枢，负责与PLC的通讯和发出所有的控制指令。本系统监控软件界面友好，能够清楚地显示各个设备的状态信息。操作方便，便于操作员准确地发出控制指令。软件系统主要有以下功能：

单机设备的启停控制；

流程的选择、启动、停止；

流程的切换；

全变频控制方式的选择、切换；

输送设备状态信息的显示；

报警信息的显示、处理；

污水处理系统的状态显示和控制；

堆场喷洒水的控制和状态显示。

监控系统主画面如图4所示。

图4　上位监控系统主画面

4　系统可靠性设计

为保证控制系统运行的稳定性和可靠性，建立了高效的冗余控制系统，冗余系统包括三个方面：建立双总线冗余控制网络系统；建立双PLC的冗余控制系统；建立冗余的上位监控系统。

4.1双总线冗余控制网络系统

本系统采用ControlNet冗余控制网络与变频器及远程站进行通讯，系统ControlNet主站接口模块为1756-CN2R，为增强型的ControlNet接口模块，从站接口模块为1756-CNBR。所有模块都有2个独立的ControlNet通道A和B，可连接2个独立的链路，实现介质冗余，也可实现处理器模块的冗余。在通信和控制时，两个冗余链路同时工作，当A链路出现故障时，B链路仍起通信和控制作用，可有效地防止一条通讯介质断掉造成整个控制系统的瘫痪。

4.2双PLC冗余控制系统

ControlLogix冗余系统硬件结构由两个完全一样的控制器机架组成，每个ControlLogix冗余系统机架中包含控制器模块、CN2R通信模块和SRM冗余模块，其产品系列、固件版本、节点地址以及各模块所在槽号完全一致。两个控制器框架之间，依靠系统冗余模块SRM来完成数据同步与交换。进入同步状态的主控制器，自动传送备份数据到从控制器，这些数据无须挑选和编程，只要在主控制器中被程序运行刷新过的数据，都会通过交叉装载传送到从控制器。控制器通过与SRM的连接，确定自己是主控制器还是从控制器，从而决定是传送数据还是接收数据。两个控制器的同步运行使得输出得到无扰切换。

ControlLogix冗余中，当出现主控制器所在框架掉电、拔插主机框架上的任何模块、控制器程序发生主要故障、断开CNBR模块上的ControlNet分接器或电缆等情况，或者收到来自主控制器中用MSG发送的命令、来自Rslinx中SRM模块组态页面操作的命令都会发生无扰冗余切换。PLC冗余可有效防止一台PLC出现故障后，系统无法正常工作。PLC双冗余结构如图5所示。

图5　PLC冗余结构图

4.3冗余的上位监控系统

上位监控系统是整个系统的操作中枢，所有的控制指令都由上位监控系统发出，因此必须保证上位监控系统的稳定。冗余的上位监控系统由两台监控主机组成，两台主机互为热备。两台主机同时工作，当其中一台出现故障，另外一台实时投入运行，保证系统能够正常运行，增加系统的可靠性。

5　结论

系统建成以来，运行稳定可靠。由于全部皮带机均采用变频驱动，有效地降低了码头的单位能耗和企业的生产成本，经济效益显著，极大地提高了码头的核心竞争力。

[1] 梁克. 大型港口皮带机输送管控系统的设计[J]. 自动化应用, 2015 (3) : 13 - 14.

[2] 曲春晓. 秦皇岛港20万吨级矿石码头自动控制系统的研究[J]. 水运科学研究, 2005(1).

[3] 陈忠华. 可编程序控制器与工业自动化系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 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 文章编号：1003-0492（2016）06-0110-03 中图分类号：TP273

潘俊峰（1984-），男，河南洛阳人，工程师，硕士，现就职于交通运输部水运科学研究院，主要研究方向为码头自动化。

李江宁（1991-），男，北京人，工程师，本科，现就职于交通运输部水运科学研究院，主要研究方向为码头自动化。