翻车机总线控制系统升级改造

2014-12-25杨孟江

设备管理与维修 2014年12期

杨孟江

（秦皇岛港股份有限公司第二港务分公司河北秦皇岛）

一、概述

秦皇岛港煤一期1#、2#翻车机系统于2004年完成升级改造，其中电气控制系统采用Profibus DP与AS-i的两层总线的结构体系，经多年运行，总线出现了一些问题，比较典型的有：①网关出现配置错误，屏幕显示多种故障代码；②有时某个网关下的若干总线模块供电出现故障；③出现总线通信故障不好排查。因为总线是翻车机电控系统的主要信息交换方式，一旦出现问题或者故障无法快速排查，容易导致长时间的停车，严重影响生产，必须找到有效、可靠的方法解决上述问题。

二、系统分析

秦皇岛港煤一期1#、2#翻车机电气控制系统在结构上完全一致，均采用施耐德Quantum系列PLC，主要分为分给料器和翻车机两部分。

给料器控制系统由一个单独的PLC进行控制，是翻车机电控系统的一个子系统，通过MODBUS PLUSE网络与翻车机PLC建立通信连接。给料器PLC及翻车机PLC各自带一个Profibus DP模块，并下挂AS-i网关，AS-i网关是Profibus DP的子站，又作为AS-i的主站下挂各种输入输出模块、编码器等AS-i从站设备，其总线构成如下。

1.给料器

给料器的控制点分为入口与出口两部分，通过AS-i输入输出模块接入，分别下挂在入口网关和出口网关下。两个网关作为Profibus的子站，建立与PLC的通信连接。

（1）给料器入口。由一个安装在给料器控制柜内的版本为2.0的网关作为AS-i总线主站，网关下接入口给料器现场检测用的5只AS-i总线编码器、输入模块、四输出模块、四输入四输出模块、二输入二输出模块。

（2）给料器出口。由一个安装在给料器控制柜内的版本为2.0的网关作为AS-i总线主站，网关下接出口给料器现场检测用AS-i总编码器、输入模块、四输入四输出模。给料器网络拓扑与器件位置如示意图1所示。

图1 给料器改造前总线结构

2.翻车机

翻车机通过1个Profibus DP模块和翻车机主控制PLC相连。根据现场传感器的分布情况及与网关的连接方式，又分为翻车机入口地面部分、拨车机部分、翻车机部分、推车机及翻车机出口地面部分。

（1）翻车机入口地面部分。由一个安装在控制柜内的版本为2.0的网关作为AS-i主站，下接输入模块、二输入二输出模块、四输入四输出模块构成。

（2）拨车机部分。由一个安装在控制柜内版本为2.0的网关作为AS-i主站，下接编码器、输入模块、二输入二输出模块构成。

（3）翻车机部分。由一个安装在控制柜内版本为2.0的网关作为AS-i主站，下接编码器、输入模块、四输出模块构成。

（4）推车机及翻车机出口地面部分。由一个安装在控制柜内版本为2.0的网关作为AS-i主站，下接编码器、输入模块、四输入四输出模块、二输入二输出模块构成。翻车机部分的网络拓扑结构与器件位置如示意图2所示。段网络上的器件全部报错的故障，所以较为理想的情况下是少用或者不用中继器。现有系统中，AS-i网关数量较少，控制点只分了简单几组，过于集中，如果一段网络瘫痪，将涉及多个控制点，很难缩小故障查找范围，无法进行快速查找与处理。

（3）部分器件版本过时。翻车机电控系统两个部分采用2.0的AS-i网关，下接的传感器、执行器模块的版本均为2.0，而目前市场上提供的全是3.0版本的器件。3.0网关器件可以向下兼容，但是不能向上兼容，即高版本的网关可以下挂低版本的模块，高版本的模块不能连接到低版本的网关上，因此一旦模块损坏，无法采购到新的备件，有可能因此而影响生产。另外，原系统中的输入输出模块采用传统的接线方式，每次更换需要拆卸多个接点，既不方便也容易出错，不利于维护与故障的快速处理。

（4）部分器件老化。一般来说，AS-i通信电缆对现场要求不高，出现问题几率很小，但是随着系统的长时间运行，通信电缆或者器件连接头会出现老化或者接触不良，容易形成故障隐患，而且一旦出现很难发现，无法确定故障位置，处理起来也无从下手。

图2 翻车机改造前总线结构

3.系统存在的问题

（1）拓扑结构不足。AS-i总线主要应用在控制器（主站）和传感器/执行器（从站）之间进行双向的信息交换，属于底层的监控网络系统，如果与Profibus DP总线组网使用，AS-i主站即AS-i网关作为Profibus DP现场总线的从站，直接挂接现场的输入输出模块和AS-i编码器，可以根据现场设备的位置灵活配置AS-i总线的拓扑结构。目前的翻车机总线控制中，PLC的Pofibus DP网关下直接挂接的AS-i网关都集中在电气室中，使得这套两层总线体系中，AS-i占据了95%以上，而Profibus DP总线长度基本忽略不计，整个总线网络基本上是AS-i网络，未能体现Profibus DP总线的优势，失去了利用Profibus DP总线的意义。

（2）网关的过于集中。根据AS-i的使用要求，总线电缆长度应＜100 m，若要延长需增加中继。通过对器件的了解以及多年的应用经验，由于现场环境的差异，并不能保证中继器具有手册中说明的理想通信效果。实际应用中发现，随着AS-i电缆长度的增加，故障率会相应增高；另外，中继器增加意味着在AS-i网络上的故障环节增加，容易产生因为端头接触不良而导致的某

（5）故障信息读取。根据对现场情况考察，以及对故障处理的过程，发现系统一旦出现故障，现有的信息不能很快确认故障点，处理起来也无从下手，大部分情况是采用更换设备、插拔器件、上电下电启停的方式进行处理，带有碰运气的成分，毫无针对性。即便能暂时处理好了恢复生产，事实上也没有真正清楚故障发生的原因和位置，如果再次出现，还是无法准确、快速处理。

三、解决办法及实施方案

1.主要措施

针对总线系统中存在的问题，从完善拓扑结构，优化网络系统、升级器件等几个环节进行技术改造与更新，以提高总线网络通信的稳定性，减少故障发生率。

（1）完善总线拓扑结构。AS-i总线作为底层的传感器网络的信息交换系统，而Profibus DP是控制层信息交换网络，两种总线属于不同的网络层次，只有发挥两者各自的优点，才能最大效率地保证网络通信，减少故障率。针对目前总线系统中AS-i总线过长，Profibus DP总线过于简单的问题，拟采用直接通过Profibus DP总线将AS-i网关级的控制层推到现场的操作箱或者模块箱中，减少AS-i的传输距离。从电气室到现场模块箱之间的通信采用Profibus DP总线，这样既减少了AS-i总线传输，又充分利用Profibus DP总线的传输抗干扰的优点，提高系统通信可靠性。

（2）优化网络系统。优化网络系统主要从增加AS-i网关以及重新分配网关挂接模块入手。针对应用中，随着AS-i电缆长度的增加，故障率会增高的问题，考虑到一旦出现故障，最好能快速确定故障点所在位置，拟将系统的输入输出点，根据所属子系统重新细分成多个AS-i网络段，将同一部分的输入输出模块，挂在一个AS-i网关下，这样多个AS-i网关分成多个独立的段，而且各网关相互不影响，不会发生某一个模块出问题而导致整个AS-i网络瘫痪的现象，而且发生故障时可以缩小检修范围，便于维修维护。另外，增加AS-i网关的数量，相应的减少了每一段的AS-i电缆的长度，减少或者直接取消某些中继器，使得每一段通信都建立一个较短的网络段中，大大提高了通信的可靠性。

（3）器件升级。在完善总线拓扑结构、优化网络系统的前提下，更新部分器件也可以提高通信质量，减少故障发生。

2.方案实施步骤

翻车机电控系统分地面和给料器两个独立的部分，根据上述改造升级方案，拟采用的具体步骤如下：控制接线箱。⑥给料器部分网关1。取消给料器现场控制箱中的中继器，把网关1移至此处，敷设Profibus总线电缆从室内给料器柜至给料器现场控制箱。⑦给料器部分网关2。给料器液压站模块和现场控制箱模块挂在网关2，在给料器现场增加一个网关3，连接出口编码器。增加一个网关箱1安装网关3和电源。

给料器与翻车机总线系统改造后的结构体系如图3、图4所示。

图3 给料器改造后总线结构

图4 翻车机改造后总线结构

（1）网关拓扑结构与网络系统优化。①地面部分网关1。网关1和电源从室内电气柜移至夹轮器1、2模块箱处，现场AS-i总线模块重新敷设电缆至夹轮器1、2模块箱，敷设Profibus DP总线电缆从室内电器柜至夹轮器1、2模块箱。②地面部分网关2。取消拨车机机下控制接线箱处的中继器，把网关2和电源从室内电气柜移至此处，敷设Profibus DP总线电缆从室内电器柜至拨车机机下控制接线箱。③地面部分网关3。取消翻车机液压站、动力站模块箱处的中继器，把网关3和电源从室内电气柜移至此处，敷设Profibus DP总线电缆从网关箱1至翻车机液压站、动力站模块箱。④地面部分网关4。取消推车机机下控制接线箱处的中继器，把网关4和电源从室内电气柜移至此处，敷设Profibus DP总线电缆从翻车机液压站、动力站模块箱至拨车机机下控制接线箱。⑤地面部分网关5。增加一个网关5（在夹轮器3模块箱处），把原网关4下的夹轮器3机侧操作箱、夹轮器3模块箱和出口转换机侧操作箱中的模块接到网关5下，敷设Profibus DP总线电缆从推车机机下控制接线箱至拨车机机下

（2）器件升级与更新。根据要求，需要对器件进行更新换代，现系统中的中继器、直流AS-i电源、输入模块底座、输入/输出模块底座没有最新产品出现，可以暂时不考虑更换，而网关、交流电源、输入模块、输出模块、输入/输出模块则必须升级。新的模块采用航空插头连接方式，旧的网关和电源通过标准导轨固定，新型的网关和电源安装需要用螺栓固定在控制柜的底板上。