ControlLogix系統(tǒng)在大型順序（散糧筒倉）控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

一、前言
　　羅克韋爾自動化公司的自動化產(chǎn)品十幾年來在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是其順序控制產(chǎn)品從PLC-3到ControlLogix系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到全國各行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中。

　　2002年，在秦皇島港散糧碼頭筒倉改擴(kuò)建工程中采用了羅克韋爾自動化的ControlLogix系 統(tǒng)針對原有的控制系統(tǒng)（PLC-3）進(jìn)行了改造，并增加了新建的筒倉控制系統(tǒng)，使原有筒倉和新建筒倉的設(shè)備在ControlLogix控制平臺下進(jìn)行統(tǒng)一 控制。該系統(tǒng)從硬件改造到工藝控制流程都體現(xiàn)了ControlLogix系統(tǒng)的優(yōu)越性。

二、項(xiàng)目介紹
　　秦皇島港散糧碼頭筒倉系統(tǒng)于1991年由日本三菱公司建成，主要承擔(dān)散糧貨物的進(jìn)出口及臨時倉儲任 務(wù)，每年能達(dá)到120萬噸的吞吐量，建成之初在亞洲堪稱第一大散糧碼頭，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展該碼頭逐漸不能滿足現(xiàn)在的需要，所以秦皇島港務(wù)局決定在原 有筒倉的基礎(chǔ)上進(jìn)行改擴(kuò)建。

　　原控制系統(tǒng)分為筒倉控制部分、出口線控制部分（由天津電氣傳動所于1995年增加的）、卸船機(jī)控制部 分和稱重單元控制部分，其中筒倉控制部分采用的是羅克韋爾自動化公司的A-B PLC-3處理器和PLC-5系列I/O，該部分為此次項(xiàng)目改造的主要部分；卸船機(jī)部分和稱重單元控制部分采用的是A-B PLC-5/15處理器，這兩部分需要與原有的筒倉部分進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；出口線控制部分采用的是A-B PLC-5/25處理器，該部分原設(shè)計(jì)時沒有和其他三部分控制系統(tǒng)進(jìn)行控制上的連接。（硬件結(jié)構(gòu)示意圖見附圖一）

　　此次項(xiàng)目改建在原有的78個小筒倉（總?cè)萘?.5萬噸）的基礎(chǔ)上，增加了7個大筒倉（總?cè)萘?萬 噸），全部新老系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)到了12000點(diǎn)。新增加的筒倉的控制系統(tǒng)采用了ControlLogix系統(tǒng)I/O，并采用Logix5550處理器對 所有I/O進(jìn)行控制，替代原來的PLC－3處理器，通過DHRIO模板與原有的PLC－5系列的I/O進(jìn)行通訊。

三、硬件系統(tǒng)
　　在該項(xiàng)目中，由于要保留原來老筒倉系統(tǒng)的I/O設(shè)備，同時采用最新ControlLogix的控制平臺。 先進(jìn)的ControlLogix控制平臺具有下列特點(diǎn)：

無縫連接 － 易于與現(xiàn)有的PLC集成；現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的用戶可以與其它網(wǎng)絡(luò)上的程序控制器透明的收發(fā)信息。
快速性 － ControlLogix平臺通過背板提供了高速的數(shù)據(jù)傳輸，而ControlLogix系列處理器提供了高速的控制平臺。
可升級 － 根據(jù)實(shí)際需要增加或減少處理器或通訊模板的個數(shù)，可在一個框架內(nèi)使用多個處理器；選擇滿足應(yīng)用需求的控制器內(nèi)存容量。
工業(yè)化 － 提供了一個硬件平臺，可耐受振動、高溫和各種工業(yè)環(huán)境下的電氣干擾。
集成化 － 建立了一個集成多種技術(shù)的系統(tǒng)平臺，包括順序控制、運(yùn)動控制、傳動控制和過程應(yīng)用。
結(jié)構(gòu)緊湊 － 適用于高度分散控制并且配電盤空間有限的場合。

　　經(jīng)改造后的系統(tǒng)在硬件上保留了原PLC－5系統(tǒng)的I/O模板和Remote I/O適配器（包括筒倉部分和出口線部分），增加了新筒倉部分的ControlLogix系統(tǒng)的I/O及處理器。

　　整個系統(tǒng)通過3條Remote鏈路與老筒倉部分（28個Remote I/O站點(diǎn)）和出口線部分I/O（8個Remote I/O站點(diǎn)）進(jìn)行通訊連接；通過冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)與新筒倉部分的I/O進(jìn)行通訊（8個ControlNet節(jié)點(diǎn)）；通過DH+鏈路與原系統(tǒng) 的卸船機(jī)和新筒倉的集塵控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；在中控室我們將Remote I/O鏈路、DH＋鏈路、ControlNet鏈路和Ethernet鏈路通過相應(yīng)的通訊模板集中在一個1756－A10建立了一個Gateway，并通 過Ethernet與人機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行通訊，同時預(yù)留了一個DH+通訊口，方便用戶通過Gateway（Ethernet－DH）與6臺秤控PLC－5進(jìn) 行通訊調(diào)試。（詳細(xì)系統(tǒng)配置圖見附圖二）。

硬件系統(tǒng)特點(diǎn)
　　繼續(xù)采用原有老筒倉系統(tǒng)的I/O，降低了用戶的硬件成本。
　　保留了原有老筒倉系統(tǒng)Remote I/O適配器（1771－ASB）的配置及其它的所有配置，只是將原有的處理器更新，最低限度的減少了改造老系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)性。
　　將獨(dú)立的出口線部分的I/O聯(lián)接到整個系統(tǒng)來，實(shí)現(xiàn)了全部I/O統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的功能，改變了原來使用出口線需要強(qiáng)制老筒倉機(jī)械設(shè)備信號的情況（使用出口線時需要用到老筒倉系統(tǒng)中的設(shè)備）。
　　采用一個1756－L55M14處理器，其強(qiáng)大的功能保證了多流程同時操作的處理能力和速度。
　　Gateway平臺將各種通訊形式匯集到一起，方便了處理器訪問所有I/O，保證了全部控制的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性。同時方便了不同網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備間的通訊和工程師站對不同網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備維護(hù)、（程序）修改工作。（見數(shù)據(jù)流向示意圖）

　　利用1756－DHRIO上的DH+接口，為用戶維護(hù)現(xiàn)有的6臺稱控PLC－5/15提供了方便（只需將通訊電纜聯(lián)接到該端口上即可在工程師站通過Gateway（Ethernet）對稱控PLC實(shí)現(xiàn)維護(hù)）。
　　Gateway平臺框架中預(yù)留的槽架為用戶將來進(jìn)行其他功能的擴(kuò)展提供了方便。
　　經(jīng)過改造后的控制系統(tǒng)，整合了新老筒倉全部的控制功能，整體的解決了各個系統(tǒng)之間對其他系統(tǒng)的信號需求的要求，使所有設(shè)備從控制角度實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的調(diào)度控制，改變了原出口線部分操作的時候需要外部人工參與的情況，提高了生產(chǎn)效率。

四、軟件系統(tǒng)
4．1系統(tǒng)編程軟件
　　在軟件編制過程中，我們采用了與ControlLogix系統(tǒng)配套的RSLogix5000系列編程 環(huán)境。RSLogix5000系列編程環(huán)境，提供了易于使用且符合IEC 1131－3標(biāo)準(zhǔn)的接口，采用結(jié)構(gòu)和數(shù)組的符號化編程，以及專用的順序控制、運(yùn)動控制、傳動控制和過程控制場合的指令集，大大的提高了編程效率。

　　靈活的繼電器梯形圖和功能塊圖編輯器，使用戶創(chuàng)建應(yīng)用程序變得輕松自如。在梯形圖和功能塊編輯器中，用戶能看到標(biāo)準(zhǔn)的、易于使用的且直觀的操作界面。其以下的先進(jìn)功能幫助程序編制人員方便的編制程序。

在線幫助，包括概述信息，編程信息，屏幕信息和參考信息，以及在線參考書，包括電子版的相關(guān)參考手冊和用戶手冊
容易組態(tài)，包括圖形化的控制器管理器，I/O組態(tài)對話框，運(yùn)動組態(tài)工具和點(diǎn)擊組態(tài)方法
完善的數(shù)據(jù)處理，采用數(shù)組和用戶定義結(jié)構(gòu)，可提供必要的靈活性滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求，而不是強(qiáng)迫它去適應(yīng)特殊的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，如控制器的數(shù)據(jù)表內(nèi)存
易于使用的I/O尋址方法
一個自由格式操作的梯形圖編輯器，可以讓用戶同時修改多個邏輯梯級，也可以通過點(diǎn)擊界面或ASCII輸入提示輸入梯級
靈活的，易于使用的功能塊圖編輯器
拖放編輯和導(dǎo)航功能，可以快速地從一個數(shù)據(jù)文件移動數(shù)據(jù)元素到另一個數(shù)據(jù)文件，從一個子程序或項(xiàng)目中把梯級移動到另一個，或從梯級將指令移動到另一個梯級，或在一個項(xiàng)目內(nèi)的指令在功能塊圖之間相互移動
包括繼電器梯形圖和功能塊指令的指令集
診斷監(jiān)控能力，包括控制器的狀態(tài)顯示，程序驗(yàn)證功能和強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)監(jiān)控器

4．2系統(tǒng)工藝描述
　　散糧筒倉是以散糧裝卸為主的散糧專業(yè)碼頭，其接卸能力為2×600噸/小時，設(shè)計(jì)年通過能力為120萬噸。其控制部分采用的是ControlLogix系列的可編程序控制器控制。

　　散糧筒倉工藝流程主要包括：船 至 車（卸船）、船 至 倉（卸船）、倒倉（倉 至 倉，翻倉）、(火)車 至 倉（卸車）、倉(火) 至 車（裝車）、倉 至 船（轉(zhuǎn)船）、余料返回等七大類流程。散糧筒倉系統(tǒng)主要包括大型設(shè)備（大型設(shè)備是指輸送糧食的刮板機(jī)、皮帶機(jī)、斗提機(jī)等大型設(shè)備）、除塵器、閘閥三類設(shè)備。

　　為了防止在物料輸送過程中發(fā)生堵料、重載停車和堆料等事故，要求流程最基本的控制方式：啟動時逆料流 順序啟動；流程停止時順料流順序停止；當(dāng)流程運(yùn)行過程中，如果流程內(nèi)某一設(shè)備出現(xiàn)故障，那么流程上游設(shè)備應(yīng)該緊急停止，下游設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，以免發(fā)生物料的 堵塞，從而造成糧食的撒漏或設(shè)備的損壞；當(dāng)故障排除后，再按照逆料流的順序依次起動流程內(nèi)的設(shè)備。

　　由于物料在輸送過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，為防止粉塵引發(fā)安全事故，在大型輸送設(shè)備的兩兩連接處還安裝 了除塵器。要求在流程啟動前5分鐘啟動除塵器，流程設(shè)備停止后除塵器接著運(yùn)行5分鐘。如果在流程啟動或者運(yùn)行中除塵器發(fā)生故障，那么要求除塵器所關(guān)聯(lián)的設(shè) 備要立刻停止，并且由此引發(fā)該設(shè)備的上游設(shè)備立刻停止。除塵器在控制上的特點(diǎn)是每個除塵器的啟停都可以用唯一的一個大型設(shè)備的運(yùn)行（選中狀態(tài)）來選擇運(yùn) 行。

　　所需要控制的閘閥包括三通閘（TW）、開關(guān)閥（AG）和與除塵系統(tǒng)相關(guān)的氣動、電動閥門。閘閥控制上的特點(diǎn)是可由上下游兩個大型設(shè)備或除塵器就可以確定閘閥的開啟或開閉方向。

　　整個系統(tǒng)可以允許同時4條流程作業(yè)。由以上工藝可以看出，散糧運(yùn)輸儲存控制系統(tǒng)是典型的順序控制系統(tǒng)。

4．3控制功能實(shí)現(xiàn)
　　在散糧筒倉的工藝流程中，所有的控制動作以流程的方式體現(xiàn)出來，即糧食運(yùn)送的路徑。所以根據(jù)工藝的控 制的需要，將流程控制分為流程選取、流程啟動、流程運(yùn)行、流程停止、故障處理等幾個主要功能部分。我們根據(jù)這幾個主要功能部分，針對每個大型設(shè)備分為啟 動、運(yùn)行、停止、故障處理等幾個控制部分，每個設(shè)備的各個功能由上下游關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行啟動、運(yùn)行、停止、故障處理的控制。下面就其中幾個主要部分分別進(jìn)行介 紹。

4．3．1流程選取部分
　　流程選取部分是整個控制過程中的首要部分，只有選取出要運(yùn)行的流程，相應(yīng)的設(shè)備才能按照工藝要求運(yùn)行 （動作）。在流程選取時主要有兩種方法：向?qū)竭x取法，即根據(jù)選取的首尾設(shè)備由程序自動選擇首尾設(shè)備之間的中間設(shè)備；流程表智能選取法，即根據(jù)選取的首尾 設(shè)備在流程表中選取相應(yīng)的流程。其中，向?qū)竭x取法適合于工藝流程路徑少，流程中設(shè)備數(shù)量少，設(shè)備相關(guān)性唯一的流程；流程表智能選取法適合于工藝流程路徑 多，流程中設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備相關(guān)性復(fù)雜的流程。在秦皇島散糧筒倉系統(tǒng)中對應(yīng)7大類的工藝流程有多達(dá)486條流程可供選擇，為了充分發(fā)揮系統(tǒng)設(shè)備的利 用率，為系統(tǒng)提供全面的流程路徑，我們在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時采取了流程表智能選取法。我們將流程路徑中80多個大型設(shè)備（刮板機(jī)、提升機(jī)、傳送皮帶等）按照順 料流的順序排列（對于不同流程中使用到的設(shè)備按照流程類型的順序排列），并且根據(jù)流程類型將全部486條流程制成流程表，在ControlLogix處理 器中采用二維數(shù)組（486×3Double Word（32Bits））來存儲流程表。對相應(yīng)流程中所要采用的設(shè)備其對應(yīng)位置1，非流程使用設(shè)備其對應(yīng)位置0，詳見下表。

　　ControlLogix處理器通過接受上位機(jī)傳送下來的流程選擇一維數(shù)組，在該數(shù)組中將要進(jìn)行的流 程的首尾設(shè)備及流程唯一的關(guān)鍵設(shè)備（即操作人員在人機(jī)操作界面上通過點(diǎn)擊相應(yīng)的設(shè)備將其數(shù)組內(nèi)對應(yīng)的設(shè)備置1，最多選取4個設(shè)備就能保證流程唯一）標(biāo)志出 來。在ControlLogix處理器接收到流程選擇命令之后將接受的流程選擇一維數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)按位與二維流程表進(jìn)行逐條流程的比較，選出相應(yīng)的流程。同 時比較將繼續(xù)進(jìn)行，以判斷流程是否唯一。如果流程不唯一，則標(biāo)志出流程不唯一，并停止流程選取，同時將該信息傳至人機(jī)操作界面提醒操作人員流程選取錯誤重 新選取流程。

　　當(dāng)流程選取唯一時，流程選取程序?qū)⑴袛嗨x的流程設(shè)備是否存在設(shè)備占用、設(shè)備故障等情況（如果存在這些情況該流程就不能運(yùn)行），并將這些信息反饋回人機(jī)操作界面。

　　在流程設(shè)備一切正常后，流程選取程序?qū)⒈贿x中的設(shè)備的選中標(biāo)志置1，以便設(shè)備得到相應(yīng)的選中命令。

4．3．2流程狀態(tài)控制部分
　　由于整個系統(tǒng)可以最多同時允許4條相同類型或不同類型的流程運(yùn)行，所以每個流程的狀態(tài)對操作人員全面了解整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀況極為重要。我們將每一條流程的狀態(tài)分為：流程選擇中、流程選中、流程啟動中、流程運(yùn)行、流程停止中、流程故障、流程停止等7種狀態(tài)。從流程選擇開始，就針對該條流程的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，包括流程中各個設(shè)備的狀態(tài)、閘閥到位情況、除塵器運(yùn) 行情況等等，并向大型設(shè)備發(fā)出流程啟動和停止信號。在流程選取后，流程狀態(tài)控制程序就像被選中的設(shè)備標(biāo)識被第幾條流程（流程1－4）選中的標(biāo)志，以便選擇 的設(shè)備按照流程規(guī)定的順序運(yùn)行。

4．3．3大型設(shè)備控制部分
　　在全部工藝流程中有80多臺大型設(shè)備，承擔(dān)著糧食的輸送、提升等工作，它們分別為刮板機(jī)、皮帶機(jī)、提升機(jī)等，保證了7大類流程的良好運(yùn)行。每個大型設(shè)備都是按照是否被流程選中的標(biāo)志（并且能標(biāo)志出被那條流程選中），然后其根據(jù)被選中的標(biāo)志 與其上、下游關(guān)聯(lián)設(shè)備的選中標(biāo)志進(jìn)行比較，具有相同流程選中標(biāo)志的設(shè)備為同一條流程上的設(shè)備，大型設(shè)備根據(jù)其下游設(shè)備的啟動情況進(jìn)行順序啟動，根據(jù)其上游 設(shè)備的停止情況進(jìn)行順序停止，并且根據(jù)其下游設(shè)備的故障狀態(tài)立即停止本身設(shè)備及其上游同一條流程的相關(guān)設(shè)備。依據(jù)這種方法，大型設(shè)備不用去清楚其所要服務(wù) 的是什么類型的流程，只要知道其服務(wù)于第幾條流程，第1、2、3或4條流程，極大地簡化了設(shè)備控制的復(fù)雜性。同時，每個大型設(shè)備在控制處理上分為啟動、停止、運(yùn)行、故障等部分，清晰的體現(xiàn)了設(shè)備控制的狀態(tài)和方式。流程中的首尾設(shè)備，根據(jù)流程狀態(tài)控制程序中的對應(yīng)流程的啟動、停止命令進(jìn)行啟動（尾設(shè)備）、停止（首設(shè)備）。

　　ControlLogix系統(tǒng)作為一個高性能的控制平臺，為實(shí)際應(yīng)用提供了靈活的、方便的應(yīng)用。其模 塊化的結(jié)構(gòu)滿足了不同應(yīng)用環(huán)境的要求；強(qiáng)大的處理能力為各種大型系統(tǒng)良好的運(yùn)行提供了保證；Ethernet、ControlNet、DH+等眾多網(wǎng)絡(luò)形 式能隨意的與羅克韋爾自動化各個系統(tǒng)進(jìn)行透明式的通訊，同時第三方廠家提供的其他類型的網(wǎng)絡(luò)接口模板能使ControlLogix系統(tǒng)方便的與 Modbus、Profibus等網(wǎng)絡(luò)良好的鏈接。與ControlLogix系統(tǒng)配套的RSLogix5000編程環(huán)境為開發(fā)人員提供了方便快捷的編 程、調(diào)試手段，本文中介紹的項(xiàng)目由兩位工程師僅僅用了9個月的時間就完成了程序編制、實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試的全部工作。本文中僅介紹了ControlLogix系統(tǒng)強(qiáng)大功能中的一部分 － 順序控制，同時ControlLogix系統(tǒng)還具備運(yùn)動控制、傳動控制和過程應(yīng)用等卓越的功能，以及他們的同時混合使用。所以說ControlLogix 為各種類型的控制提供了一個高性能的控制平臺，是羅克韋爾自動化提供的新一代的優(yōu)秀控制平臺。

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作者簡介
　　孫宏偉，1974年生，1996年畢業(yè)于吉林電氣化高等?？茖W(xué)校工業(yè)企業(yè)電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)就讀于北 京科技大學(xué)MBA專業(yè)，曾供職于北京市新阿塞克自動技術(shù)有限公司、清華同方控制工程公司，從事工業(yè)自動化工作6年多，先后主持了國家催化裂化試驗(yàn)基地自動 控制系統(tǒng)、秦皇島港散糧碼頭大型筒倉改擴(kuò)建工程自動控制系統(tǒng)等大型控制系統(tǒng)項(xiàng)目，具有比較豐富的自動化系統(tǒng)工程項(xiàng)目的技術(shù)、工程、管理等經(jīng)驗(yàn)。于2002 年與交通部水運(yùn)所運(yùn)達(dá)偉業(yè)科貿(mào)有限公司合作實(shí)施了秦皇島港散糧碼頭大型筒倉改擴(kuò)建工程自動控制系統(tǒng)。