段 琰 賈睿璽 馮顯宗 陳 虎 鄭 泓

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

隨著國(guó)內(nèi)旅游資源的持續(xù)、深度開(kāi)發(fā)和滑雪場(chǎng)雪道的升級(jí)迭代，市場(chǎng)對(duì)超長(zhǎng)運(yùn)距索道的需求日益增加。在脫掛索道技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，對(duì)由多段索道組成的超長(zhǎng)運(yùn)距索道電控方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)研發(fā)，本文著重介紹其中通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。

作為多段式索道電控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多段索道被控設(shè)備聯(lián)動(dòng)的協(xié)同控制、分段管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控以及系統(tǒng)通訊狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。為控制系統(tǒng)的可靠性和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)度提供有力保障。

1 多段式索道特點(diǎn)

單段式客運(yùn)索道由1個(gè)驅(qū)動(dòng)站及1個(gè)迂回站組成，由驅(qū)動(dòng)設(shè)備完成該段索道運(yùn)載任務(wù)，索道驅(qū)動(dòng)能力受到該段索道長(zhǎng)度限制；多段式索道即將多個(gè)單段式索道級(jí)聯(lián)成為一個(gè)整體，每段索道均由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)站和迂回站組成。多段式索道既可以作為多個(gè)單段式索道獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以作為整體設(shè)備聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

以2段式索道為例，其線路示意如圖1所示。可知，索道主要由1段索道驅(qū)動(dòng)站1、2段索道驅(qū)動(dòng)站2、以及1段和2段索道迂回站3即中間站組成。1段和2段索道既可獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)又能聯(lián)動(dòng)。其聯(lián)動(dòng)工作方式由1段和2段驅(qū)動(dòng)站電動(dòng)機(jī)6協(xié)同驅(qū)動(dòng)2段索道鋼絲繩4及吊廂5運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)2段索道協(xié)同運(yùn)行。

圖1 2段式索道線路示意圖

2 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示為多段式索道驅(qū)動(dòng)設(shè)備的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意。該設(shè)計(jì)以監(jiān)控系統(tǒng)終端PC為管理中心，由PC向聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)控制器將電動(dòng)機(jī)反饋數(shù)據(jù)傳送至PLC，對(duì)每段索道設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成由PC進(jìn)行管理及協(xié)調(diào)多段索道設(shè)備協(xié)同運(yùn)行的工作。

圖2 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

PC與驅(qū)動(dòng)控制器以及遠(yuǎn)程I/O組成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備信息反饋給遠(yuǎn)程I/O，設(shè)計(jì)基于羅克韋爾自動(dòng)化ControlLogix控制平臺(tái)，該平臺(tái)將順序控制、過(guò)程控制、傳動(dòng)控制及運(yùn)動(dòng)控制集成為一體。其特點(diǎn)是允許多個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊、I/O模塊任意組合，并可通過(guò)EtherNet/IP，ControlNet，DeviceNet，DH+，DH-485等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

圖3所示為基于2個(gè)驅(qū)動(dòng)站設(shè)備的多段式索道控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖。該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分為3層：以太網(wǎng)層EtherNet、控制網(wǎng)絡(luò)層ControlNet以及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層DeviceNet。設(shè)計(jì)以監(jiān)控終端PC為核心，PC與PLC以及1段驅(qū)動(dòng)控制、2段驅(qū)動(dòng)控制器分別通過(guò)EtherNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，由PLC與各自遠(yuǎn)程I/O等設(shè)備組成ControlNet網(wǎng)絡(luò)，1段和2段驅(qū)動(dòng)控制器與就地傳感器組成設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層。

圖3 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)示意圖

2.1 ControlNet網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

ControlNet是符合IEC-61158《現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)》的網(wǎng)絡(luò)，采用CIP協(xié)議，用于控制信息傳輸。其基礎(chǔ)是一種開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的創(chuàng)新解決方案。它允許網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)獲取來(lái)自同一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，即實(shí)時(shí)I/O讀取、編程操作、對(duì)等報(bào)文傳輸可以在同一條ControlNet鏈路上實(shí)現(xiàn)，其可重復(fù)的性能保證網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間不會(huì)因網(wǎng)絡(luò)設(shè)備添加和刪除而改變。在ControlNet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，信息處理和更新不需要處理器的干預(yù)，可提高過(guò)程控制對(duì)時(shí)間要求苛刻的傳輸效率。

ControlNet通訊模塊通過(guò)橋接ControlNet傳遞信息給以太網(wǎng)、ControlNet以及DH+等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其通訊速率5 Mbps，最多連接模塊數(shù)量64，通訊介質(zhì)為同軸電纜，可帶冗余接口及監(jiān)控窗口。

2.2 EtherNet網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

EtherNet網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，允許商務(wù)和工業(yè)應(yīng)用并存，其通訊速率10/100 Mbps。它使用傳輸層控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，即TCP/IP來(lái)傳遞顯性信息，如上傳和下載程序。而實(shí)時(shí)的I/O隱形信息傳遞，則使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議即UDP傳輸協(xié)議，它可以提供2個(gè)設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)包能力，如在PLC與遠(yuǎn)程I/O及PLC與驅(qū)動(dòng)控制器之間的數(shù)據(jù)包傳輸。

2.3 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)傳輸采用CIP協(xié)議，特別適合應(yīng)用項(xiàng)目中設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的使用。其最高傳輸速率為500 Kbps。

3 通訊網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

PLC主框架模塊分別為處理器、ControlNet網(wǎng)絡(luò)模塊和EtherNet網(wǎng)絡(luò)模塊，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU、CNET、ENET。遠(yuǎn)程I/O框架模塊由ControlNet網(wǎng)絡(luò)模塊及多種1756輸入/輸出模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 通訊網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)示意圖

PLC的ENET模塊主要功能是執(zhí)行管理系統(tǒng)需要的操作。用物理媒介將PC機(jī)、HMI，通過(guò)交換機(jī)與PLC連接起來(lái)。

1段驅(qū)動(dòng)控制器的RETA通訊模塊將PLC主框架與1段驅(qū)動(dòng)控制器鏈接在一起，實(shí)現(xiàn)PLC與驅(qū)動(dòng)控制器之間數(shù)據(jù)傳輸及反饋信號(hào)采集。RETA模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 RETA模塊結(jié)構(gòu)示意圖

PLC主框架與1段、2段遠(yuǎn)程I/O框架通過(guò)CNET模塊連接在一起形成ControlNet網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)連接到ControlNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的物理設(shè)備具有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)分接器和同軸電纜連接，集合組成鏈路，鏈路之間通過(guò)網(wǎng)橋進(jìn)行信息傳遞。ControlNet網(wǎng)絡(luò)連接方法及介質(zhì)如圖6所示。

圖6 ContrloNet網(wǎng)絡(luò)連接方法示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件調(diào)試及通訊設(shè)置所涉及的軟件包括 Studio5000、RSLinx Classic、RSNetworx、BOOTP Server、ControlFLASH、Application Manager。Studio5000及RSNetworx、BOOTP Server分別為編程軟件和組態(tài)軟件，為開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(包括ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP)提供設(shè)計(jì)和組態(tài)管理服務(wù)，以完成每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的程序執(zhí)行以及數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。

4.1 為控制器與遠(yuǎn)程I/O建立通訊

如圖7所示，打開(kāi)Studio 5000項(xiàng)目，點(diǎn)擊I/O Configuration，打開(kāi)菜單，選擇New Module、CNB模塊，點(diǎn)擊OK，填寫(xiě)模塊所安裝位置的槽號(hào)，并選擇模塊是否與控制器進(jìn)行通信，點(diǎn)擊Finish。

圖7 I/O Configuration菜單示意圖

4.2 創(chuàng)建ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊

打開(kāi)File菜單，選擇New。從Nerwork菜單中，選擇Online。選擇ControlNet網(wǎng)絡(luò)。打開(kāi)Edits Enabled，在屬性欄中填寫(xiě)表1參數(shù)，點(diǎn)擊OK完成。

表1 ControlNet網(wǎng)絡(luò)屬性列表

4.3 RETA模塊通訊設(shè)定

打開(kāi)RSlogix 5000軟件中I/O配置對(duì)話框，選擇New Module、RETA模塊，如圖8所示。右鍵點(diǎn)開(kāi)RETA模塊屬性，設(shè)置IP地址，舉例為10.0.0.6，點(diǎn)擊OK，完成RETA模塊通訊創(chuàng)建，如圖9所示。

圖8 RETA模塊通訊建立示意圖

圖9 設(shè)置RETA模塊IP地址示意圖

4.4 驅(qū)動(dòng)控制器指令傳送

在PLC程序掃描周期內(nèi)，PC將速度控制指令同時(shí)發(fā)送至2個(gè)控制器，如圖10a、圖10b所示，圖10c所示為PLC數(shù)據(jù)通訊IP地址，此處為10.0.0.6。2個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器接收到指令后，進(jìn)行同步運(yùn)轉(zhuǎn)，再將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至相應(yīng)的I/O模塊，實(shí)現(xiàn)兩段驅(qū)動(dòng)器對(duì)負(fù)載的協(xié)同控制。

圖10 控制傳送指令

5 結(jié)語(yǔ)

多段式客運(yùn)索道協(xié)同控制通訊網(wǎng)絡(luò)，其核心是將多段驅(qū)動(dòng)設(shè)備連為一體，由監(jiān)控終端PC向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，使得多段驅(qū)動(dòng)設(shè)備協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多段索道協(xié)同驅(qū)動(dòng)控制功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)控每段索道設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并帶有心跳機(jī)制，可實(shí)時(shí)判斷通訊故障；可就地或遠(yuǎn)程在管理層PC靈活進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于將多個(gè)遠(yuǎn)端驅(qū)動(dòng)設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O接入通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)多段索道驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)可控，可靠協(xié)同且平穩(wěn)運(yùn)行。