ROCKWELL PLC在卸船机控制系统设计中的应用

徐斌

（华电重工股份有限公司，北京 100160）

ROCKWELL PLC在卸船机控制系统设计中的应用

徐斌

（华电重工股份有限公司，北京 100160）

结合某电厂码头桥式抓斗卸船机的具体案例，分析了ROCKWELL可编程控制器（PLC）的特点和应用优势。在设计中充分利用NetLinx开放式网络架构，为控制系统构建了信息、控制、设备3层网络结构，实现了控制和管理功能；同时，根据受控对象的功能要求，对PLC的软件结构、数据文件以及专业控制模块做出了整体规划和具体设计。

ROCKWELL PLC；卸船机；NetLinx网络架构；软件结构；数据文件；专业控制模块

0 引言

桥式抓斗卸船机是港口码头散料接卸的主要设备。卸船机电气系统的主要部分常采用标准三级控制模式：变频控制、可编程控制器（PLC）控制、监控系统。PLC是桥式抓斗卸船机控制系统的核心部件，除承担全部控制尤其是抓斗自动控制任务之外，还为管理系统提供控制信息。目前国内桥式抓斗卸船机设备上，相对高端的PLC控制系统厂商主要是SIEMENS公司和SCHNEIDER公司，这两个品牌的PLC控制系统在桥式抓斗卸船机的应用比较普遍和成熟。ROCKWELL作为另一个世界级自动化设备及解决方案的供应商，进入国内桥式抓斗卸船机控制系统的市场较晚，但它在整体集成架构方面具有独特的优势。

1 基于NetLinx网络架构的PLC控制系统

随着现场总线技术的普及，基于网络的控制理念逐渐深入人心。ROCKWELL自动化公司提出了集成架构（Intergrated Architecture）的概念，将原有的控制器、现场总线、人机界面、运动／传动系统整合到一个统一的框架下，以NetLinx技术的开放现场总线网络为核心，配合FactoryTalk企业实时数据交换技术，采用统一的控制器和可视化平台，实现控制系统、人机界面、批处理、运动／传动系统的数据共享和信息无缝连接。

NetLinx网络架构在各个网络的应用层中都采用了统一的通用工业协议，从而实现了网络之间信息路由和无缝连接，构造了一个从设备底层到管理信息层的开放与集成的网络平台。NetLinx网络架构中最为显著的特点就是采用了DeviceNet，Control-Net，EtherNet／IP这3层网络，以满足不同设备对网络功能的要求。

华电重工股份有限公司设计的印尼龙湾电厂码头桥式抓斗卸船机的额定出力为2 000 t／h，该设备控制系统即为上述3层网络结构，依次为设备层、控制层和信息层，网络结构如图1所示。

1.1 基于DeviceNet的设备层

DeviceNet作为现场总线技术的工业开放标准网络，实现了现场设备与控制系统的简单连接。DeviceNet作为NetLinx的一部分，其数据能够在整个NetLinx网络系统中进行无缝路由。例如，Ethernet上的计算机无需其他编程就可以经由Ethernet访问DeviceNet，对ControlNet网络上的设备进行组态和监控，极大地方便了上位机对现场设备的数据采集。

卸船机控制系统的设备层包括各主机构调速器、驱动电机、检测元器件、操作站及传感器等，实现了现场设备与控制系统的简单连接。

1.2 基于ControlNet的控制层

作为IEC国际标准的现场总线，ControlNet能够提供强大的网络通信功能，在控制器与现场监测设备、人机界面之间建立起一个稳定、可靠的高速通信链路。ControlNet上设备的共同特点是要求传送的数据量比较大，可靠性高，对时间有苛刻要求，因此，ControlNet网络的成本也较DeviceNet高一些。

卸船机控制系统的控制层将PLC控制器与分布式I／O、触摸屏等连接在一起，提供高速可靠的数据传输和控制服务。

1.3 基于EtherNet／IP的信息层

EtherNet作为商用通信系统中最为常见的通信形式，有着极好的硬件和软件平台的支持，其网络构建成本低于ControlNet和DeviceNet，近年来在控制系统中得到了广泛应用。但是，EtherNet也有自身的缺陷，不能直接用于传输对时间有苛刻要求的数据，但是对编程、设备组态、系统监控等应用来说，完全可以满足要求。

图1 卸船机驱动与控制系统网络

卸船机控制系统的信息层通过工业以太网交换机将PLC控制器、工控机以及电厂管理系统连接起来，完成了生产班组与工厂企业级的信息管理。本文所述卸船机控制系统还装设了专用的3G数据通信模块，以手机数据通信的方式接入Internet。厂家技术支持人员可通过Internet对卸船机的PLC进行直接访问，从而实现远程监控和维护，极大地降低售后服务成本。

2 PLC控制系统配置方案

在确定了选用具有独特网络控制优势的ROCKWELL品牌的PLC后，根据系统3层网络配置原则和对各控制对象的功能要求，确定PLC的系统配置方案。

PLC系统采用主站和分布式I／O的配置形式，主站机架设置电源、中央处理器（CPU）、DeviceNet通信模块、ControlNet通信模块、EtherNet通信模块和高速计数器模块；分布式机架配置电源、Control-Net通信模块、开关／模拟量输入输出模块等。

PLC主站通过ControlNet通信模块与各分布式I／O和触摸屏建立通信联系，以实现控制层的网络功能。PLC系统控制层网络机架及型号见表1。

其中，司机室与PLC主站相距较远（电缆敷设距离为150m左右），而且电缆要经过电缆拖令小车承受频繁折弯，为保证总线通信的可靠性，采用野战软光缆作为通信介质。

表1 PLC系统控制层网络机架及型号

PLC主站通过DeviceNet通信模块与各机构逆变器上的DeviceNet通信适配器建立通信联系，以实现设备层的网络控制功能。

PLC主站配置的EtherNet通信模块，通过以太网交换机与机上电气房内的工控机（工程师站）、厂级管理系统工控机和3G远程通信模块连接在一起构成信息层，实现信息管理功能。

3 PLC软件的结构设计

3.1 RSLogix 5000组件

RSLogix 5000编程软件是Logix平台的通用编程环境，可对ControlLogix控制器进行编程，提供离线、在线编辑程序和程序上传、下载功能，支持梯形图（LD）、顺序功能流程图（SFC）、功能块（FBD）和结构化文本（ST）4种编程语言，开发人员可以方便地选择适合项目的语言进行开发，节省了开发的时间和成本。

RSLogix5000组件主要由任务、程序和例程组成，有的项目中还包括上电处理程序和控制器故障程序，这些组成部分之间按照下列方式配合工作。

（1）Task（任务）：提供由一个或多个Program（程序）组成的Program集的规划和优先级信息，分为连续型（Continuous）、周期型（Periodic）和事件型（Event）3种类型的任务。

（2）Program：每个Task都至少需要一个Program，每个Program有其自己的Program Tag、主Routine（例程）、其他Routine和可选的Fault Routine，一个Program只能在一个Task中规划，不能在多个Task之间共享一个Program。

（3）Routine：为控制器中的项目提供可执行的代码，每个Routine都用特定的编程语言（如梯形图、顺序功能流程图、功能块和结构化文本）。

（4）Main Routine（主例程）：当一个Program执行时，它的Main Routine首先执行。使用Main Routine通过“跳转至Sub Routine（子例程）”指令来调用其他子Routine。

（5）Sub Routine：除Main Routine和Fault Routine以外的任何Routine。要执行一个Sub Routine，需在另一个Routine（如Main Routine）中使用“跳转至Sub Routine”指令来调用。

3.2 数据文件和程序文件的设计

在进行本文所述卸船机PLC程序设计时，根据卸船机电控系统的功能和抓斗控制软件的客观要求，对系统的数据文件和程序文件都做了规划设计。3.2.1 数据文件

在进行数据文件设计时，除了定义简洁明了的标签外，大量使用数组和自定义的结构体，以方便编程和设备维护。例如，在开闭机构的自定义结构体中，将相关联的成员变量都加入到结构体中，如开闭编码器实时累加值、开闭速度给定输出值、开闭电流限制值等；再例如，在关于偏差的自定义结构体中，成员包括开闭编码器减支持编码器的实时差值、电流（负载）平衡的差值、开斗位置、开斗减速位置等。这样，在引用标签时，与之有关的变量都在这个结构体中，非常清晰。

卸船机控制系统的实际I／O数量在1 000点左右，有必要在整个程序范围内预先规划“通用程序字位表”。具体来说就是在程序变量（Controller Tags）范围内建立一个BOOL型的数组，命名为M。事先做好定义，哪一个变量在整个程序范围内就代表了哪种特定的状态。这样，无论是在各机构的控制逻辑中，还是在调用专业控制模块的实际参数时，都可以通过简洁明确的变量名建立起直接联系，这样做同时也提高了程序的可读性。表2列出了该设备按机构划分的通用程序字位。

表2 通用程序字位

3.2.2 程序文件

ControlLogix控制系统中的程序是通过Task来执行的。ControlLogix包括连续型、周期型及事件型3种类型任务。

（1）连续型任务。连续型任务在后台运行，任何不分配给其他操作的CPU时间，都用于执行连续型任务中的程序。连续型任务始终运行，当完成一次全扫描之后，会立即重新开始扫描，不间断反复运行。

（2）周期型任务。周期型任务按照指定的周期来执行，只要到达周期型任务指定的时刻，该类型的任务就会自动中断所有低优先级的任务，执行一次周期型任务，然后将控制权交回先前正在执行的任务。周期型任务的执行周期默认值是10.0ms，可选范围是0.1～2000.0ms。

（3）事件型任务。事件型任务是在某项特定的事件发生（触发）时才开始执行的，这些触发源可以是数字量输入、模拟量新采样的数据、特定的运动操作、消费者标签、使用Event指令。

综合考虑桥式抓斗卸船机要求机构速度／电流响应快的特点和抓斗软件的需要（为了获得正确的抓斗操作运行，抓斗软件的每个任务周期不能超过20ms），本文所述卸船机控制系统将所有程序的执行归纳到2个周期型任务当中：一个是周期为20ms的快速控制任务（优先级高），另一个是周期为100 ms的普通控制任务（优先级低）。这样，每20ms到达优先级高的任务指定时刻时，系统就会自动中断所有低优先级的任务，优先执行重要的抓斗控制功能，然后将控制权交回低优先级的任务。

在高优先级的抓斗控制任务中，执行的功能和任务以子程序和专业控制模块的形式被系统调用，主要包括抓斗控制软件、通过高速计数器采集的“支持／开闭／小车”机构编码器的数据处理、PLC与驱动器的通信状态监测、DeviceNet总线数据的读写、半自动运行时的轨迹计算／防摇处理等。

低优先级的普通任务中，包含了卸船机其他的所有控制功能：各机构控制逻辑、各机构的故障字处理、配电和保护系统的安全检测、司机各种控制指令的处理、卸船机与上级控制系统的联锁／通信、故障分级管理系统的逻辑控制等。

4 专业控制模块的开发

在桥式抓斗卸船机的PLC软件中，对一些独特的运动工艺、专用的数据处理过程、关键的保护等功能进行整体封装，制作成专业的控制模块，是比较流行的做法。有些公司还将一些与传动有密切联系的专业功能或工艺过程单独封装在传动系统软件内。在程序中使用专业控制模块有以下优点。

（1）业控制模块一般针对某个特定的运动工艺或专用的数据处理过程，程序调用时结构清晰、目的明确，增强了程序的可读性。

（2）专业控制模块在程序中使用前一般都经过充分测试，有助于提高程序运行的可靠性，大幅减少调试人员的现场工作量。

（3）有些专业模块在程序中经常重复调用，提高了程序整体的运行效率。

（4）专业控制模块加密后，能够有效避免用户维护人员软件上的误操作，同时还有利于厂家知识产权的保护。

目前，国内桥式抓斗卸船机PLC控制系统在实际应用中比较普遍的是SIEMENS公司的S7-400系列和SCHNEIDER公司的QUANTUM系列产品。专业人员针对相关传动系统的不同特点，开发了很多功能丰富的专业控制模块。

本文所述卸船机PLC系统采用的是ROCKWELL公司的1756系列PLC，针对抓斗控制软件的具体需求和编程软件的具体特点，设计建立了大量专用控制模块和专用功能模块。这些专业控制模块封装后，均经过充分测试并已投入实际运行，使用效果良好。

5 结束语

先进的控制系统设计是实现桥式抓斗卸船机控制功能的前提。

ROCKWELL PLC在集成网络架构及软件结构方面优势独特，本文根据卸船机电控系统的具体特点，充分利用Netlinx开放式网络架构，构建了信息、控制、设备3层网络结构，高效地实现了控制和管理功能。软件方面，根据卸船机自动控制的需求，对PLC程序结构和相关数据文件做了整体规划和设计，同时针对抓斗自动控制软件的需求，设计和调试了全部专业控制模块。

本文所述卸船机作为某电厂码头唯一的一台卸船机，设备使用率很高，已稳定运行4年多，工程应用效果良好。

［1］钱晓东.循序渐进CMS机器控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］徐雄炳.桥式卸船机抓斗自动控制功能的应用研究［D］.上海：上海交通大学，2004.

（本文责编：刘芳）

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：1674-1951（2015）06-0028-04

徐斌（1975—），男，安徽安庆人，工程师，从事港口行业装卸船机等大型散料装卸设备电气系统的设计开发工作（E-mail：xubin＠chec.com.cn）。

2015-05-26；

2015-06-09