岸边集装箱起重机富士电控输入输出点数限制解决方案

朱春峰

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

随着岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)电控系统中的输入输出点数不断增多，对于电控系统中PLC的要求也越来越高。但在采用富士电控系统的设备中，常用的通讯总线的输入输出点数有一定的限制，无法继续使用以往传统的设计方案，需要解决输入输出点数限制的问题。

2 富士电控系统组成

富士电控系统主要由PLC、驱动器、电机以及低压元器件等组成[1]。PLC采用的是MICREX-SX系列，通讯协议是富士电控系统专用的SX总线；驱动器配备高性能矢量控制型变频器FRNNIC-VG系列，通过SX总线和PLC建立通讯；电机接入变频器，由PLC通过SX总线控制变频器，最终由变频器输出以控制电机；其他低压元器件、辅助设备等通过各种输入输出模块，通讯模块等和PLC连接[2]。目前，富士电控系统在岸桥上的配置中使用SX总线通讯协议，部分不支持SX总线通讯协议的辅助设备及子系统等则需通过其他通讯协议和富士PLC进行通讯，如Profibus-DP，T-link，RS485等[3]。

岸桥上的富士电控系统一般在电气房内的各个柜体内安装PLC模块、整流单元、逆变单元，同时在司机室、俯仰室等的柜体内也需要安装PLC模块。所有需要PLC模块的柜体内都需要安装基板，基板的最左侧是2个SX总线通讯口，用于各个站点之间的通讯，每个基板都需配置1块电源模块，在其后方才能再安装其他模块。基板共有5种型号可供选择，除去电源模块后可以分别安装1、4、6、9、11块其他模块[4]。

每个SX总线通讯系统中必须至少有1块CPU模块，一般安装于电气房PLC柜内的基板上，这个基板被称之为主站，其余的则被称为从站或者远程站[5]。CPU后面一般都会配置以太网通讯模块，用于和工控机、CCTV系统等通讯，而且PLC的编程软件也可以通过以太网连接并进行监控；有一些需要DP通讯的设备或子系统则需要另外配置DP通讯模块，数量视实际情况而定，一般不超过3块；光缆通讯模块也可以安装于主站基板上，用于和俯仰室、司机室等距离较远的远程站建立通讯，数量一般不超过5块。

电气房PLC柜内一般还会有一块基板用于安装一些必要的输入输出模块，用于和其他从站如低压控制柜、辅助控制柜、起升控制柜、小车控制柜、俯仰控制柜和大车控制柜内各基板连接。整流单元以及逆变单元需要配置具备SX总线功能的通讯卡，此通讯卡上同样有2个SX总线通讯口，和之前的总线系统连接在一起，最终组成电气房内的一个回路。

通常情况下，岸桥配置大约20个PLC站，3个整流单元，3个逆变单元，占据了大部分的输入输出点数，而通过其他通讯协议连接的设备及子系统等也需要占用一定数量的输入输出点数，如Profibus-DP通讯协议、T-link通讯协议等。SX总线系统对于一条总线回路中的输入输出点数有一定的限制，对于远程控制岸桥以及自动化岸桥来说，子系统以及其他辅助设备也会越来越多，所需的输入输出点数也会越来越多，达到甚至超出目前CPU模块的输入输出点数的极限，因此须找到可行且经济的升级方案。

3 系统的升级方案及分析

SX总线系统的输入输出点数可能无法应对岸桥的发展，必须有升级方案去解决这一问题，从现有的富士产品来看，主要有以下3种升级方案。

3.1 通过CPU的输入输出点数扩展功能实现扩展

首先使用具有输入输出点数扩展功能的CPU模块。相关的T-Link通讯主模块和Profibus-DP通讯主模块应具备输入输出扩展功能，并配套有T-Link通讯子模块或接口模块以及Profibus-DP通讯子模块或接口模块。

在进行系统配置时，将主模块配置成为输入输出点数扩展功能。此时，当有多个T-Link通讯主模块或者Profibus-DP通讯主模块时，只有输入输出点数最多的那个主模块的点数才会占用整个系统总线的输入输出点数，主模块的数量最多可以为8块，即输入输出点数最多可扩展至原来的8倍(具体视实际情况而定)。

如果选用的是通讯子模块，回路中应增加1块CPU模块。此时，可选择1块CPU模块与整流单元、逆变单元以及主要功能等通讯，另1块CPU模块连接各子系统、保护限位和辅助功能等。2块CPU模块分别独立运行并控制各自连接的设备，再进行主从通讯。主要的逻辑控制、各种连锁保护等需在主CPU模块中，而且两者之间的通讯点数需要避免过多。但这个方案有个弊端，即2块CPU模块必须有各自独立的程序，这会给调试以及后续的维修保养带来一些不便利。

如果选用的是通讯接口模块，则各个通讯接口模块的回路中只能有一些基本的输入输出模块，无法接入其他类型的模块，如以太网、串口通讯模块等。因此，子系统必须接入至主回路中，所有接口模块一般会用到一些只有输入输出点数的地方，如俯仰室内的PLC站、各个操作站的PLC站等，而绝大多数的输入输出点数还是在主回路中，因此，这个方案能够扩展的输入输出点数比较有限。

需要特别注意的的是：在使用输入输出点数扩展功能时，系统响应时间可能会和通讯主模块连接台数成正比地延长，从而影响控制效率。

3.2 通过系统总线的升级实现扩展

富士MICREX-SX系列有一种新的系统总线，即E-SX总线，直连输入输出点数是SX总线的8倍，更新性能相比SX总线提高到16倍，传输速度是SX总线的4倍，通讯线路距离更长，总长度是SX总线的40倍，且断线还能继续运行，能够应对更加复杂、大规模的设备。

有E-SX总线功能的CPU模块分别有以太网通讯接口和2组E-SX总线通讯接口。以太网通讯接口一般用于和PC连接，用于编程以及监控使用。但可以通过E-SX总线直接通讯的产品比较少，主要原因为：没有基板、输入输出模块和通讯模块等；CPU模块须安装于SX总线的基板上，造成E-SX总线无法完全独立使用。CPU模块可以连接输入输出单元、高速计数单元、集中式接口模块、电源辅助单元、整流单元和逆变单元。基板上的SX总线通讯接口可以和其他SX总线的基板或者其他具有SX总线通讯功能的产品连接。

3.2.1 数字输入输出单元

E-SX总线的数字输入输出单元只有各1款，点数是32点，电压等级只能是24 VDC，安装尺寸基本是13槽基板的一半，而13槽的底板一般可以安装11块16点数或者32点数的输入输出模块(由于接线便利性及柜体空间原因，一般岸桥上不使用32点数的输入输出模块)，因为使用输入输出单元则需要至少原来3倍左右的空间。如果岸桥使用交流控制电用于输入输出模块，虽然没有直接对应的适配产品，但仍可继续使用输入输出单元，通过继电器进行转换后再接入输入输出单元，此时将会增加成本和空间。

3.2.2 模拟输入输出单元

与数字输入输出单元一样，模拟输入输出单元也只有各1款，且都是只有2个通道，一般岸桥上需要至少各9个通道的模拟输入和模拟输出，模拟输入输出单元各需要5个，其中1个单元的安装空间是SX总线中使用的模拟输入输出模块的5倍左右，因此需要原来50倍左右的安装空间。

3.2.3 高速计数单元

岸桥的小车驱动形式一般可以分为牵引式和自行式，通常只有小车驱动形式为自行式的岸桥的小车电机编码器需要使用高速计数功能，用于小车行走位置的精准计算。1个高速计数单元的安装尺寸是SX总线中的高速计数模块的4倍左右，即需要增加4倍的安装空间。

3.2.4 集中式接口模块

此模块需安装在SX总线的基板上，可以将本模块管理的SX总线连接设备作为E-SX总线上的模块使用。最多可以使用8台，而每台点数最多是8 192点。此模块可以管理SX总线的输入输出模块、富士生产的故障触摸屏、整流单元和逆变单元等，但不能管理CPU、通讯模块以及远程输入输出模块。

3.2.5 电源辅助单元

电源辅助单元是一种辅助设备，为E-SX总线电缆供应24VDC的另设单元，从CPU模块的E-SX总线连接器上连接5台以上E-SX总线对应单元时使用，在电源辅助单元后面可以连接最多10台单元。因此，CPU模块上的E-SX总线单个通讯口最多直连不超过5台设备，超出时必须配置电源辅助单元，否则在系统配置时会失败。

3.2.6 整流单元和逆变单元

整流单元和逆变单元都有对应的E-SX总线通讯卡，有2种模式可以选择，区别在于各自通讯字数：8个字输入+8个字输出；16个字输入+16个字输出。使用方式可以参考SX总线。

综上所述，E-SX总线基本可以独立使用，即整个总线系统中只用1块基板，只安装CPU模块和一些E-SX总线不支持的模块，其余则可用E-SX总线直连，但安装空间会超过单独使用SX总线时的安装空间。为了解决安装空间问题，可以使用集中式接口模块，除了CPU模块所在的主站以外的其他从站或者远程站都安装1块集中式接口模块，结合电源辅助单元就能实现E-SX总线通讯。

3.3 通过2种系统总线结合实现扩展

将原来SX总线使用的CPU模块更换成具有E-SX总线通讯协议的CPU模块，整流单元和逆变单元的通讯卡用E-SX总线通讯卡来代替原来的SX总线通讯卡，同时考虑到整流单元和逆变单元的总台数会超过5台，而E-SX总线CPU一般都有2组通讯口，分别为输入口1、2和输出口1、2，一般岸桥上整流单元和逆变单元各自都不超过4台，将整流单元连接至E-SX总线的输入口1，逆变单元连接至E-SX总线的输出口1，则可以不使用电源辅助单元。当需要兼容更多台数时，可以分别在E-SX总线的输入口2和输出口2上连接，或者增加1块或者更多的集中式接口模块，分担一些输入输出点数。

4 结语

使用富士电控的E-SX总线，可解决原SX总线对于输入输出点数的限制问题，为远程岸桥、自动化岸桥、未来更高性能的岸桥使用富士电控奠定基础。