基于EtherNet/IP的卸船机控制系统设计与实现

0引言

伴随着社会经济的快速发展,电力需求也水涨船高,作为发电的主力军和压舱石,火力发电在支持社会经济发展和维护民生需求方面发挥着重要作用。在我国,煤炭是火力发电的第一大能源,这就对散货装卸机械提出了更高的要求。链斗式连续卸船机具有污染小、作业效率高、具备自动化能力等优点,适用于煤炭、铁矿石等散装货物装卸,在国内外得到了长期的使用和持续性的发展,广泛应用于电厂和散货装卸码头。得益于PLC(可编程逻辑控制器)强大的逻辑处理能力和灵活性,再加上起到桥梁作用、实现控制系统与设备通信的EtherNet/IP协议,数据的及时传输和设备的互相协作成为可能,使得链斗式连续卸船机实现了灵活精确操作。

1 EtherNet/IP的相关情况

1.1 EtherNet/IP简介

Earthnet/IP(EtherNet/IP)是一种工业协议,它允许设备通过以太网进行通信。Ethernet/IP由ODVA组 织定义,以CIP框架为基础,旨在实现设备间的互操作性。Ethernet/IP协议使用TCP/IP作为其网络层协议,而其应用层则使用CIP。这种协议广泛应用于自动化控制系统和工业环境中,允许不同制造商的设备相互通信和集成。

1.2 EtherNet/IP与其他常见通信协议的比较

多种通信协议均支持罗克韦尔 自动化公司(AB)的PLC系列,以下是常用的几种:ControlNet、DeviceNet、EtherNet/IP。

1)在ControlNet网络中,常见的传输介质是同轴电缆和光纤,节点数目不能超过99个,一旦节点数超过限制,将会出现无法预测的故障,即使节点数未超过99,但过多也会影响网速,造成网络迟滞^[1]。

2)DeviceNet网络最多能连接64个节点,只适用于小型网络的需求,可用的通信波特率分别为500、250、125 kb/s三种^[2];DeviceNet网络无法支持高速数据传输,组网设备价格也较为昂贵。

3)EtherNet/IP建立在广泛使用的以太网和IP协议之上,确保了与现有技术的兼容性。通过CIP协议, EtherNet/IP能够支持实时数据交换,满足工业自动化中对时间敏感的应用需求,具有实时性。EtherNet/ IP支持多种网络拓扑结构,便于扩展,适应不同的行业环境和规模。通过Ethernet/IP可以实现不同厂商的设备之间的交流,从而提高了系统的灵活性。Ethernet/ IP安全性能良好,支持多种安全机制。

2 应用对象

2.1概述

本次控制系统的应用对象是一种额定出力可达1 500 t/h,可实现连续不间断作业的链斗式连续卸船机,其在我国沿海火力发电厂应用较为普遍,适用于 35 000~150 000 t级海轮卸载作业。

2.2 主要构成

链斗式连续卸船机主要由链斗式提升机、提升机转体机构、悬臂式皮带机、悬臂式俯仰机构、悬臂式转体机构、门架式皮带机、门架式切换机构、大车行走机构等组成^[3]。由于船舱一般为上窄下宽,传统的抓斗式卸船机难以伸到边角位置,为了解决这一难题,将煤炭从船上接卸并转运至码头皮带上,链斗式提升机取料头部分被设计成了“L”型,通过小回转液压系统和顶部滑环的配合,在机械结构和电缆连接两方面不影响提升机完成360°回转的动作,提升机的上升或下降则依靠俯仰液压缸的伸缩来实现,使得提升机可以抵达船舱内任意位置进行卸煤,最终煤炭将依次经过提升机、悬臂式皮带机、门架式皮带机运往码头皮带上输送至煤场。

2.3控制系统

控制系统采用可编程控制器进行控制,可对整机进行无坐标手动控制、无坐标半自动控制、带坐标自动控制;还可实现联锁检查、状态显示和故障报警。在卸船机上部设置有驾驶室,操作人员可通过驾驶室内的操纵台来操作卸船机,也可通过无线电遥控装置在船舱甲板或码头面进行操作。控制系统采用隔离稳压电源,单独供电。所有控制电缆都使用屏蔽阻燃的电缆。

2.4 PLC系统

PLC装置上安装了具有控制卸船机各机构动作功能的电源、处理器、数字量和模拟量的输入和输出卡件。PLC编程采用笔记本电脑(专用工具)。PLC系统用于操作控制、状态监测、主机/液压系统及电气系统的故障显示、自动报警、联锁装置与安全装置监控。

3控制系统设计

3.1网络拓扑

某电厂卸船机原控制系统使用年数已久,硬件老化严重,经常出现网络不稳定的问题,导致系统数据中断,给生产带来一定的不便,严重影响生产安全。该控制系统使用的PLC是罗克韦尔自动化公司 AB 1756系列,编程软件使用的是RSLogix5000的16.0版本,AB控制系统软硬件厂家均已更新,替代型号在安装尺寸上无法完全适配,导致现有型号备品储备起来比较困难。控制系统网络采用ControlNet通信协议,利用同轴电缆和光纤作为介质将各远程子站连接起来。一旦中间环节出现故障,将导致后续几个子站同时出现问题,检查起来也颇为麻烦,耗时耗力,需要从尾部逐个往前用终端电阻排查每个站点,而且同轴电缆使用久后抗干扰能力下降,这些都会增加消缺时长,影响卸煤。因此,有必要重新设计网络拓扑。

重新设计后,系统结构包括主控CPU模块、以太网通信模块、控制网络模块、总线模块、操作控制屏及IO模块,控制系统网络基于EtherNet/IP通信协议,网络图如图1所示,采用单机远程IO通信模式,并通过以太网通信向上位机输出设备运行状态信息及接受上位机远程操作控制。为保障通信速度和稳定性,需确保每个子站之间网线长度不超过70m,为此特意调换了站点顺序。利用网线+光纤作为介质连接通信,将各个站点形成一个闭环,网线与光纤均设置备用,并且配套更换相应的通信模块,可在粉尘浓度高、电声/电波干扰、振动环境下连续运行,抗干扰能力大大提高,通信响应及时。同时为了保证卸煤有效时间,减少因遥控器故障导致卸船机无法动作的时间,本次网络规划特地增加了冗余性,即在原有遥控器的基础上,增加一台与现有三台卸船机全部遥控装置频率不冲突且具备开机自检功能的遥控器,该遥控器上电启动后会进行自动检测,结果正常后才能工作,一旦出现异常就无法启动。另外,为方便现场操作人员进行当前报警查询、历史数据查询以及设备运行状态实时查看等,新增一台AB最新型号的就地操作控制屏,安装在卸船机上的电气室。同时,由于卡件更新换代,考虑到兼容性问题,对应的操作系统和软件也需相应升级, CPU组态软件运行平台升级为原PLC厂家最新组态软件,编程软件RSLogix5000从16.0版本升级至20.0版本。

3.2硬件部分技术要求

1)控制器技术参数:支持基于EtherNet/IP^TM的一体化机芯、一体化Sercos^TM机芯和模拟量机芯; 自带非易失性记忆体(SD卡),不会出现程序断电的情况;支持控制器冗余及拔除,支持不断电插拔(RIUP);支持EtherNet/IP、Data HighwayPlus^TM、RemoteI/O 、 SynchLink和用于通信的第三方设备网络;用于保存控制程序和配置的PLC集成工作内存不小于4M字节,并配有电池或电容,确保程序在断电后至少一周内不丢失;PLC扫描周期最大≤ 100 ms;最高负荷不超过40%;当检测到系统部件功能失效、电池电量不足或通信中断时,控制器应能持续进行自我诊断、通信检测和所有部件的诊断,并发出警报。

2)触摸屏技术参数:12英寸TFT显示屏,支持以太网及Enterprise通信协议。

3)电源模块技术参数:输入电压为交流220 V,输出电压为直流24 V,额定电流2 A。

4)以太网卡通信模块技术参数:通信速率10/100 Mb/s,TCP/TP连接128,Logic连接256。

5)以太网适配器技术参数:以500 kb/s的通信速率连接网桥,64个节点。

6)Profibus总线模块技术参数:通信方式ProfibusD-Sub Female,100%向下兼容,现场总线模块安装在本地机架上,支持1 984字节的输入和1 968字节的输出,支持所有Profibus波特率,其中包括45.45 kb/s。

7)其他设备发出的工作频率在距离电子设备1.5m以外达到400~500 MHz,输出功率达到5 W或以上的电磁干扰和射频干扰,应不会对系统正常工作造成影响。

8)无线遥控系统采用即时通信技术,无论何种原因导致信号中断持续0.5s或以上,遥控接收装置都会自动关断所有输出,紧急停止所有机械动作。

9)遥控装置采用数字编码与快速GFSK技术,可实现跳频功能。

10)遥控装置采用双CPU互锁机构:当任一颗 CPU出现异常时,另一颗CPU立即启动安全保护电路,将输出全部关闭,机械动作全部停止。

11)遥控装置系统监控电路实时监控系统运行状态及电源供应情况:一旦电池松动或其他原因导致电源或系统出现异常,立即关闭接收系统,停止所有机械动作。

3.3 调试

现场光纤、网线铺设和其他设备安装完成后,通过RSLink软件连接上就地PLC的CPU模块,在编程软件RSLogix5000左侧网络树下依次添加各个子站,子站的IP地址要与就地以太网通信模块上的拨码地址一致,否则将无法匹配加入;随后各个子站按照卡槽顺序依次添加IO模块。一切准备工作完成后,系统上电,各个站点以太网模块指示灯双黄灯常亮,双绿灯闪烁,证明整体通信正常;接下来现场模拟故障信号,从程序可观测到对应的输入/输出点信号 (绿色),证明IO模块读取信号正常。至此调试完毕。

4结束语

基于EtherNet/IP的卸船机控制系统,使用新的卡件使得寿命周期延长,很多旧卡件厂家已停产,替换下来的部分卡件可作为其他在运行卸船机的备件,降低了备件储备的难度和成本;对后续ABPLC 系统同类型设备的远程通信方式升级优化具有良好的借鉴意义,为将来有关同类型设备升级改造提供了宝贵的经验;抗干扰能力提升,通信响应快速及时,提高了稳定度、灵敏度和可靠度,故障率大幅度降低,减少了日常检修维护工作量,提高了卸煤速率以及检修维护人员工作效率,保证了卸船机的稳定生产,保障了电厂机组充足的燃煤供应,具有显著的经济效益和社会效益。

[参考文献]

[1]卢仲明.小虎石化码头中控系统的设计与实现[D].长春:吉林大学,2014.

[2] 欧艳新.FF技术在化工装置安全生产中的研究及应用[D].上海:上海交通大学,2012.

[3] 许益民.SSTPROFIBUS模块在连续卸船机上的通讯应用[J].自动化博览,2015(6):90-92.

2024年第22期第13篇