多功能天车S LC 500控制系统和人机界面的升级改造

杨永刚

（兰州铝业有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

ECL多功能天车是由法国ECL公司生产的铝电解专用设备，又称铝电解多功能机组，适用于现代预焙阳极铝电解工艺生产，可完成打壳、更换阳极、覆盖氧化铝和电解质、槽上部氟化盐加料、吊运阳极母线提升框架、吊运上部机构和下部槽壳、完成厂房零星吊运和维修作业。

电解二厂200 kA 电解铝项目法国ECL 多功能天车于2001年投入使用，天车的控制系统采用美国Rockwell生产的SLC 500系列PLC控制系统，天车的人机交互界面采用Rockwell 2711-T10C10系列人机界面，控制网络采用DeviceNet网络。本地控制部分是天车控制系统的核心，由型号为1746-A10的2个PLC 机架组成，机架上安装了电源、CPU、输入输出模块和通信模块，主机架与扩展机架之间由专用线缆连接。扩展机架上的通信模块1747-SDN 通过DeviceNet 网络将天车的本地控制系统与5 个远程站适配器1794-ADN和人机界面2711-T10C10连接到一起，实现控制信号的交换传递（图1）。

图1 升级前控制系统网络

SLC 500 系列PLC 控制系统和人机界面已使用20多年，由于高温、强磁场、腐蚀性气体等使用环境的影响，控制系统输入输出模块和通信模块严重老化，系统硬件和网络故障频繁，人机界面操作不灵敏，而且多功能天车使用的SLC 500 系列控制系统各类模块和人机界面2711-T10C10 已停产多年，如果控制系统硬件和人机界面损坏将无备件更换。针对存在的问题，分析选型控制系统和人机界面的类型，研究多功能天车运行控制逻辑，制定多功能天车控制系统和人机界面升级改造方案，对原控制系统和人机界面硬件更换升级并重新编写控制程序和画面。

1 多功能天车控制系统和人机界面升级方案的设计

1.1 控制系统的选型设计

多功能天车SLC 500 控制系统的升级改造，系统选型时考虑到模块电压等级、模块点位数量、网络连接和通信、兼容性和稳定性等因素，决定选用通用性强、稳定性好、故障率较低的ControlLogix 系统。ControlLogix 系统不仅是一个PLC系统，而且它的结构体系更是一个技术先进的控制平台。和传统的PLC不同，ControlLogix 系统在任何大小规模上都是模块化的，可以根据实际应用来选择合适的存储容量、处理器的个数、网络类型和1/O 模块[1]。ControlLogix系统既可以连接先进的网络系统，如以太网、ControlNet 和DeviceNet，也可以在A-B PLC 的核心网络如DH+、远程I/O链路之间实现桥接。

ControlLogix系统具有以下特点：

（1）网络无缝连接。易于和已有的PLC 系统集成，网络上的处理器可以透明地互相收发数据。

（2）高速处理。ControlLogix 系统背板提供高速的无源多主数据传输总线，为框架上所有模块间的信息交换提供了传递的通道，实现无需处理器的网络桥接；同时，在同一个框架内可以放置多个处理器，与通信模块、I/O模块任意组合，高速的处理器实现高速的传输控制。

（3）集成化。提供了一个集中多技术的平台，包括顺序控制、运动控制、传动和过程控制。

（4）工业化。提供了高强度的应用平台，可耐受震动、高温及各种工业环境下的电气干扰。

（5）结构紧凑。适用于控制高度分散而空间有限的应用场合。

（6）带电插拔。模块放置和更换无需断开系统供电，便于安装和维护。

多功能天车ControlLogix 系统升级，主要硬件选型如下：PLC 控制器：1756-L55-M12；PLC 机架：1756-A13；PLC电源：1756-PA75；模拟量输出模块：1756-OF4；数字量输入模块：1756-IB16I；扫描模块：1756-DNB；以太网通信模块：1756-ENBT；数字量输出模块：1756-OW16I。控制系统升级时需拆除原SLC500控制系统各模块及PLC机架，在原位置安装1756 系列PLC 机架，1756 系列PLC 各I/O 模块按原SLC500模块位置安装，保证原有电气控制线路将不做大的改动，多功能天车全车控制系统保持原有控制电压等级不变，原有I/O点数分布及性质不变，远程I/O不做变动（图2）。

图2 升级后控制系统网络

通过查阅资料，工业以太网就是应用于工业自动化领域的以太网技术，它在技术上与商用以太网（即IEEC802.3 标准）兼容，但在产品设计时对网络拓扑结构和网络的实时性等方面作了改进，在材质的选用、产品的强度和适用性方面能满足工业现场的需要[2]。工业以太网（Ethernet）技术支持几乎所有的网络协议，所以，在数据信息网络中得到广泛应用，具有传输速度高、低能耗、便于安装、兼容性好、开放性高和支持设备多等方面的优势。选用以太网还有以下几个方面的优势：

（1）Ethernet 是全开放、全数字化的网络，按照网络协议，不同厂商的设备可以很容易实现互联。

（2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接。

（3）以太网技术已经非常成熟，软硬件成本相对较低。

（4）通信速率高，目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用。

经分析研究，决定采用工业以太网（Ethernet）技术实现2个PLC机架之间以及和人机界面的网络通信。

1.2 人机界面的选型设计

PanelView 控制器终端是罗克韦尔自动化公司生产的一种人机操作界面（HMI），它具有防尘、防爆等优良性能，特别适用于工业现场操作。它可通过软件进行编程，可以代替现场数以百计的开关，省去了非常繁琐且昂贵的硬接线，同时它还可以编辑现场仿真画面进行实时监控，控制过程更加安全可靠[3]。人机界面升级，选用性能更加稳定的Rockwell新款人机界面PanelView Plus 2711P-T12C4A8 替换原有的人机界面2711-T10C10。 2711P-T12C4A8型人机界面易于和ControlLogix RS Logix5000 系列可编程控制器进行组态，人机界面操作员界面支持串口通信，有以太网通信接口和2个USB接口，可用于传输文件或更新固件，该人机界面可提供更快速的响应和更高质量的图形。

PanelView Plus 2711P-T12C4A8 人机界面升级，采用EtherNet/IP 工业以太网作为多功能天车的通信控制。此外，多功能天车控制系统本地机架和人机界面之间如果直接使用网线连接会经过一个270°的驾驶室旋转拖链，网络线在使用过程中会发生磨破或拉断故障，因此考虑在控制系统本地机架和人机界面之间加装一套无线发射与接收装置，用工业无线以太网通信传输数据，具体方法是在PLC机架上新增以太网通信模块1756-ENBT，PLC 机架通过以太网通信模块→工业以太网交换机→全向发射装置→定向接受装置→人机界面进行控制信号的交换传递。

2 控制系统升级改造

2.1 拆除SLC500控制系统

控制系统升级改造，首先拆除SLC500控制系统各模块，然后按照机架上模块的位置顺序在接线端子上做好标记，防止线路混乱，最后再拆除PLC机架。

2.2 安装1756系列控制系统并接线

在原机架位置安装固定1756系列PLC机架，将所有1756 系列PLC 控制系统模块组件按要求安装到机架上，1756 系列PLC 各I/O 模块按原SLC500 模块位置安装，安装完成后根据做好的顺序标记，逐个将各信号线拆下来接到新的模块接线端子上，接完所有控制线后再仔细复核一下接线是否正确。

2.3 编程

根据ControlLogix 系列PLC RS Logix5000 编程规范和指令，对照天车原SLC 500 程序编写ControlLogix 系列RS Logix5000程序。

2.3.1 新建程序

PLC 编程选用Rockwell RSLogix5000 系列软件，打开软件新建RSLogix5000工程文件，定义处理器的类型、名称、PLC 机架的型号、处理器所在的槽号、创建的文件路径等[4]。处理器类型选择1756-L55，PLC 机架选择1756-A13，槽号0 槽，路径选择桌面。在程序页面点击Controller Tags，在打开的标签编辑器中对照SLC 500程序控制标签逐个新建标签，填写标签描述内容等，定义标签时要选对标签的数据类型（base 基本类型包括：BOOL 布尔型、SINT短整型、INT整型、DINT双整型、REAL实型）以及标签作用域，需指定标签是作为程序标签（局部）还是作为控制器标签（全局）。依次按要求创建完所有标签，为编程做好准备。

2.3.2 编写程序

在RS Logix5000 程序软件界面，主任务（Main Task）已经被定义为连续任务，进入主程序（Main Program）编写界面，根据SLC 500原程序以及天车各功能部件控制要求编写各段控制程序[5]。程序编写完成后再仔细核对并进行程序编译，保证编写的控制系统程序准确无误，能够安全、稳定、可靠地运行。

2.4 下载程序并调试

编程完成后PLC 控制系统送电，将编写好的程序下载到1756 系列PLC 控制器中，配置扫描模块（1756-DNB）参数，将2组机架上的以太网通信模块（1756-ENBT）IP 地址设置到同一网段，最后，通过交换机将2 个以太网通信模块连接到同一网络，以便于2组机架和人机界面之间进行数据交换。各网络节点和控制器运行状态调试正常后，电脑在线对程序中的每一个输入、输出点的信号进行调试。

2.5 运行观察

下载程序并按照多功能天车操作要求反复操作天车各项功能，观察天车大车、小车运行方向、高低速切换是否正常，空压机、液压站、工具部位启停动作是否正常，急停、限位等保护功能是否正常，各功能部位运行状态和故障报警是否正常，根据具体情况不断调整完善。

3 人机界面升级

人机界面升级，由于采用的Rockwell 新款人机界面2711P-T12C4A8 与原有人机界面2711-T10C10版本型号不一样，编程软件和编程方法上也有很大差别，两者不能直接通用。同时，人机界面升级考虑到操作者的使用习惯，在不改变原有人机界面布局和操作方式的前提下，重新制作新款人机界面程序。

3.1 人机界面编程

人机界面编程选用Rockwell FactoryTalk View Site Edition V5.0 软件，文件类型为View Machine Edition，画面大小为PVPlus 700/1000（640×480），编程时参考2711-T10C10 版人机界面，在新建画面中创建指令按钮、I/O 状态指示图标，设置链接地址和控制属性，逐个画面制作新款人机界面程序。

3.2 人机界面程序调试

人机界面程序编写完成后，将2711P-T12C4A8人机界面IP 地址设置成PLC 机架以太网模块同一网段，再将人机界面程序下载到2711P-T12C4A8人机界面，人机界面与定向接收装置连接，定向接收装置与全向发射装置通过无线网络形式传输信号，全向发射装置通过以太网交换机与PLC 机架以太网模块交换数据。在人机界面程序中打开Communication Setup，连线后就可以展开网络路径并添加指向。PLC控制器与人机界面间网络调试正常后，对人机界面程序每个画面中的按钮、输入输出状态信号进行逐一测试，观察各信号在0 和1 时的状态变化，测试正常后进行联动调试。

4 升级后网络系统特性

（1）PLC机架和扩展机架之间通信采用EtherNet/IP 实现底层I/O 总线网络。在2 个机架上新增以太网通信模块1756-ENBT，通过工业以太网交换机实现机架之间互连。

（2）PLC 机架和人机界面之间通过无线收发装置实现信号的远程无线传输。

（3）PLC 和远程I/O 之间通过1756-DNB 通信模块与原有网络适配器1794-ADN进行通信。

（4）EtherNet/IP 工业以太网和DeviceNet 网络共同参与多功能天车的信号传递与控制。

5 技术创新点及使用效果

（1）SLC 500控制系统和人机界面升级方案，创新性地将EtherNet/IP 工业以太网作为通信网络引入多功能天车的控制通信，为后期智能化工厂建设打好基础。

（2）ControlLogix 系列PLC 及2711P 系列人机界面升级，优化和拓展了早期SLC 500 PLC 和人机界面的性能，让工业设备控制变得轻松、便捷，而且可靠性和效率较之前的传统控制方式有了很大提高。

（3）升级后，控制系统及人机界面完全能够适应多功能天车的正常运行和电解铝生产工艺使用要求，很大程度地降低了设备故障率，有效提升了多功能天车运行效率，多功能天车SLC 500 控制系统和人机界面升级方案也为其他设备的智能升级提供了新选择。

（4）多功能天车SLC 500 控制系统和人机界面升级后，控制系统各类模块和人机界面采购问题得到有效解决，而且升级后的备件与大多数设备备件通用，降低了备件库存和费用。

6 结语

随着社会的发展进步以及日新月异的技术革新，很多早期的设备及其控制系统逐步老化，故障频繁，备品备件已更新或停产，造成设备维修难度增大、维修成本增加。多功能天车SLC 500 控制系统和人机界面升级，是顺应社会技术进步，也是为了企业发展的需要。控制系统升级改造相当于给多功能天车更换“心脏”，让多功能天车重新恢复生机和活力，提高了设备运行效率，延长了设备使用寿命。通过对多功能天车控制系统和人机界面的升级改造，达到了很好的使用效果，降低了设备故障率和设备维修成本，有效提升了多功能天车运行效率，保证铝电解生产的正常进行。