羅克韋爾自動化平臺在管式輸送機中的應用

鄧華效

（江西銅業鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

羅克韋爾自動化平臺在管式輸送機中的應用

鄧華效

（江西銅業鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

應用羅克韋爾自動化集成架構平臺構成的管式輸送機變頻調速智能控制系統，采用ControlLogix冗余控制器和工業以太網冗余環網結構；基于DeviceNet網絡的IMCC智能電機控制中心，應用于管式輸送機的智能化電機控制和管理；采用工業以太網絡和SynchLink光纖同步的多電機驅動功率平衡方案驅動控制2臺電機同步。整個系統為管式輸送機提供了良好的驅動控制和保護解決方案，大大提高了碼頭運輸系統的信息化管理水平和生產效率。

管式輸送機；工業以太網冗余通訊；SynchLink光纖同步；多驅動功率平衡；IMCC智能電機控制

1 引言

圖1　管式長皮帶實景圖

江西銅業鉛鋅金屬有限公司隸屬于江西銅業集團公司，具有20萬t鉛鋅的生產能力。其來料主要依靠湖口縣水運碼頭與生產廠區之間的一條長度近6km的管式輸送機。主要的工藝流程為物料從水運碼頭卸船機卸下后經1#和2#轉運皮帶進入管式輸送機，先后通過近6km的管式皮帶（圖1）、3#轉運皮帶、4#轉運皮帶、下料皮帶機和各倉卸料器輸送到鉛精礦倉和鋅精礦倉。

2 系統組成

2.1系統簡介

采用羅克韋爾自動化集成架構為江西銅業鉛鋅金屬有限公司物料長皮帶輸送系統設計了一套全面自動化、信息化和網絡化的控制系統解決方案，系統構建實時監控網絡結構，對管式輸送機主輔環節的所有關鍵點進行實時數據采集、傳輸、處理、顯示、存儲與輸出打印，對電機、膠帶、傳動進行實時調整，對管式輸送機系統進行遠程集中監控，形成融合生產、安全與節能的最優系統，如圖2。

圖2　管式長皮帶自動化集成架構圖

管式輸送機系統集控室位于水運碼頭控制室機房，包含2個操作員站和1個工程師站；系統采用A-B ControlLogix冗余控制器進行分布式控制，設1個原輔料倉遠程I/O站；ControlLogix冗余控制器作為主控制器安裝于碼頭控制室內的中央控制柜，包含UPS和工業以太網冗余環網光纖適配器。ControlLogix冗余控制器通過工業以太網冗余環網與各遠程I/O站以及8臺膠帶驅動電機變頻調速柜進行分布式控制；通過IMCC DeviceNet對給煤機進行網絡智能控制；管式輸送機拉繩、跑偏等綜合保護裝置通過RS485接入各遠程I/O站［1］。

2.2控制系統網絡

在網絡系統設計和實施中，充分考慮各種設備的不同特點和網絡要求，采用了不同的網絡對策，按照國際開放式通訊規約進行工作，以實現最佳的網絡結構配置，確保整個系統間可靠、快速通訊。系統主干網絡采用工業以太網冗余結構，主干由水運碼頭控制室至原輔料倉遠程I/O站采用單模光纜環網傳輸，由各遠程I/O站控制柜內光纖適配器轉為同軸電纜，接入遠程I/O站和各變頻調速驅動系統。

工業以太網是當今先進的、開放性的實時工業網絡結構之一，該網絡是一種高速的確定性網絡，具有5Mpbs的高速數據傳輸速率，靈活的網絡結構可設計成環形、樹形和星形等總線結構，具有簡單的網絡編程組態等特點。在管式輸送機系統網絡設計中，為各子系統提供了冗余的工業以太網絡接口，在管式輸送機機道鋪設光纜主干環網，貫穿沿線各子系統，水運碼頭控制室和原輔料倉遠程站之間使用1783-ETAP2F進行光纖傳輸，并提供冗余的接口，水運碼頭和原輔料倉及變頻調速驅動系統通過工業以太網交換機1783-US08T和1763-L16BWA轉換為Modbus協議進行通訊。此外，各子系統還可以通過這些1783-US08T接口擴充新的工業以太網絡，使管式輸送機系統具備了靈活的可擴充性。

2.3水運碼頭控制室終端

水運碼頭控制室操作終端包含2個操作員站和1個工程師站，操作員站安裝FactoryTalk View SE上位HMI軟件，工程師站安裝HMI開發包和RS Logix5000編程軟件以及網絡開發包；操作員站HMI畫面包含管式輸送機系統工藝流程、狀態、操作、報警，各工藝、電氣的故障實時報警，各工藝、電氣數據的事實趨勢和歷史趨勢，生產報表、事件報表等；工程師站可對操作員站HIM畫面進行開發、變更，網絡開發包可對系統網絡進行組態、規劃和診斷，使用RS Logix5000對系統冗余控制器程序進行開發編程和診斷［2］，對各遠程I/O站進行硬件配置和診斷，還可對變頻調速驅動系統進行組態設置和診斷。

2.4系統冗余控制器

管式輸送機系統采用冗余的ControlLogix作為主控制器，配置1756-L62 CPU模塊、1756-EN2T通訊模塊和1756-RM冗余模塊，控制器擁有4M內存和64M的存儲卡。冗余系統由2個獨立的控制器組成，通過光纖進行高速實時同步。

2.5原輔料倉遠程I/O站

遠程I/O站采用ControlLogix I/O模塊，配置冗余工業以太網通訊模塊，通過單模光纖接口接入主干環網；各遠程I/O站配置一塊RS485 MODBUS通訊模塊1763-L16BWA，通過MOSBUS與10kV繼電保護監測模塊進行通訊，采集供電系統狀態信息，為地面生產系統維護人員提供有效信息；各遠程I/O站通過RS485與膠帶機綜合保護系統進行通訊，對管式輸送機系統進行可靠的安全連鎖保護；各遠程I/O站通過DI/DO模塊對制動器、拉緊裝置、翻板等進行連鎖控制。

3 控制策略

3.1變頻調速驅動系統

變頻調速驅動系統采用A-B PowerFlex750系列變頻器［3］，電壓等級為690V，功率200～630kW，全部按重載選配；每臺變頻器均配有動態制動單元和制動電阻，作為停車時的電氣制動；變頻器采用12脈沖整流方式，由三繞組變壓器供電，變壓器次級的2個繞組間為30°相位差，從而消除大部分的5次和7次諧波，大幅降低整流的諧波含量。

變頻器配置脈沖編碼器反饋接口，對電機進行閉環矢量控制，滿足管式輸送機零速和低速時150%轉矩輸出的要求。PowerFlex750變頻器帶有冗余的工業以太網總線通訊模塊，所有的控制、調節和反饋功能均通過工業以太網與ControlLogix相連接實現，提供智能網絡化的控制，實現變頻器和ControlLogix控制器之間大量可靠、高速的數據的傳輸，使系統能夠監視到變頻器及電機所有的狀態信息，提供最佳的驅動解決方案［4］。見圖3。

圖3　A-B PowerFlex750系列變頻器安裝實圖

本項目管式輸送機系統中為2臺電機同軸驅動，因此采取轉矩跟隨的主從同步方式，主驅動接收ControlLogix的速度給定值，對電機進行速度和轉矩控制，通過安裝在電機主軸上的編碼器反饋進行速度閉環控制，通過矢量控制模式進行轉矩閉環控制；從驅動為轉矩控制模式，通過主驅動SynchLink光纖給定的轉矩信號，進行轉矩跟隨控制，并進行自身的轉矩閉環控制［5］。見圖4。

圖4　兩臺電機同軸驅動控制原理圖

若一臺電機工作在發電狀態，另一臺電機工作在電動狀態。當工作在電動狀態的電機轉矩絕對值較大時，說明管式輸送機相對于電機是阻力負載，需要正的牽引力，因此要將發電狀態的電機轉速逐漸增加，使其進入電動狀態；當工作在發電狀態的電機轉矩絕對值較大時，說明管式輸送機帶動電機轉動，需要制動力，因此要將電動狀態的電機轉速逐漸降低，使其進入發電狀態，然后再計算轉矩平均值，按上述步驟進行功率平衡調節。

3.2安全緊急停車

在輸送系統發生故障需要緊急停車時，如：膠帶發生跑偏、縱向撕裂、拉繩、機旁急停開關時，變頻器通過DriveGuard進行安全關斷，即切斷IGBT觸發電源，使電機實現快速、安全的停機，無需切斷系統主電源，符合EN-954-1安全認證標準［6］。

3.3IMCC智能電機控制

IMCC智能電機控制［7］采用DeviceNet通訊網絡，將智能電機保護器、斷路器、繼電器等設備通過網絡收發控制信號，實現智能化電機控制和管理。本項目中2座卸礦倉共有50余臺卸料機。我們將這50余臺卸料機進行了智能化的電機控制，采用A-B 的E3 PLUS智能電機保護器，通過DeviceNet網絡與儲煤場遠程I/O站通訊模塊進行連接，取消了接觸器、斷路器、熱繼電器與I/O模塊之間復雜的硬線連接，無需另外安裝電機保護器，實現對給煤機的起?？刂?、開關狀態采集、電機電流監測、PTC溫度監測、接地故障監測、熱容量值監測、相間不平衡監測、脫扣時間監測、過載保護、缺相保護、堵轉保護、故障記錄等。見圖5。

圖5　IMCC智能電機控制原理圖

4 應用效果

本系統投入使用至今，該管式輸送機在空載、輕載、重載下，起車非常平穩，帶載停車過程也非常平穩，而且可以根據現場的需要進行各種起車時間、停車時間的調整，實現了大功率長距離管式輸送機的各種控制要求。

應用羅克韋爾自動化集成架構使控制系統從上位到下位、從硬件到軟件，在設計和使用中可以做到靈活多變，滿足用戶的各種要求。冗余的工業以太網絡和光纖環網結構，使網絡傳輸穩定、可靠；基于DeviceNet網絡的智能電機控制，實現了對多條轉運皮帶輸送機全面完善的控制、保護和管理解決方案；通過MODBUS通訊模塊，實現第三方控制系統與ControlLogix控制系統間的無縫、透明數據傳輸，實現全面一體化的控制；先進的網絡結構，可快速方便地對網絡進行瀏覽、診斷，通過操作員站、工程師站或任意一點接入網絡，可對網絡內所有本地或遠程設備進行組態、編程和維護。變頻調速驅動系統實現了對管式輸送機的S型曲線柔性起動，降低了輸送機的張力，起停時無沖擊，FORCE矢量控制使輸送機重載起動非常容易和便捷。對于2臺電機驅動，基于PowerFlex750變頻器SynchLink光纖同步通訊的主從控制，實現了2臺同軸電機的功率平衡，滿載時電機電流相差不到3A。

［1］王猛軍. 管狀帶式輸送機在物料輸送中的應用［J］. 科學與財富，2013（5）:341-341.

［2］徐斌. ROCKWELL PLC在卸船機控制系統設計中的應用［J］. 華電技術， 2015（6）:28-31.

［3］魏志軍. 變頻器調速驅動系統在煤礦膠帶機輸送系統中的應用［J］.中國科技博覽， 2015（16）:266-266.

［4］王勛. 管狀皮帶輸送機在煤礦生產中的應用與分析［J］. 內蒙古煤炭經濟， 2015（2）:56-56 .

［5］余發山， 韓超超， 田西方， 等. 帶式輸送機多機變頻驅動功率平衡控制研究［J］. 工礦自動化， 2013， 39（3）:69-73.

［6］譚棟才. 超長距離帶式輸送機集中控制系統的設計及應用［J］. 水泥，2014（2）:51-53.

［7］曹娜， 汪海濤. E3 Plus智能電機綜合保護器在選煤廠集中控制系統中的應用研究［J］. 硅谷， 2014（13）:72-73.

Application of Rockwell Automation Platform in Pipe Conveyor

DENG Hua-xiao
（JCC Lead & Zinc Metal Co.， Ltd， Jiujiang 332500， Jiangxi， China）

Intelligent control system of frequency conversion and speed regulation of pipe conveyor constituted Rockwell automation integrated architecture platform， which adopted the ControlLogix Redundant controller and industrial ethernet redundant ring structure；based on IMCC intelligent motor control center of DeviceNet network which applied in the intelligent motor control and management of pipe conveyor； multi motors'drive power balance was applied through industrial ethernet and SynchLink fiber synchronous controls two motor synchronization； The whole system provided a good drive control and protection solutions for the pipe conveyor， which greatly improved the information management level and production efficiency of the terminal transport system.

pipe conveyor；redundant communication of industrial Ethernet；SynchLink fiber synchronization；multi drive power balance；IMCC intelligent motor control

U172.7

B

1009-3842（2016）03-0090-04

2015-12-21

鄧華效（1981-），男，江西瑞金人，主要從事設備管理與維護工作。E-mail: denghuaxiao@163.com