罗克韦尔自动化平台在管式输送机中的应用

邓华效

（江西铜业铅锌金属有限公司，江西 九江 332500）

罗克韦尔自动化平台在管式输送机中的应用

邓华效

（江西铜业铅锌金属有限公司，江西 九江 332500）

应用罗克韦尔自动化集成架构平台构成的管式输送机变频调速智能控制系统，采用ControlLogix冗余控制器和工业以太网冗余环网结构；基于DeviceNet网络的IMCC智能电机控制中心，应用于管式输送机的智能化电机控制和管理；采用工业以太网络和SynchLink光纤同步的多电机驱动功率平衡方案驱动控制2台电机同步。整个系统为管式输送机提供了良好的驱动控制和保护解决方案，大大提高了码头运输系统的信息化管理水平和生产效率。

管式输送机；工业以太网冗余通讯；SynchLink光纤同步；多驱动功率平衡；IMCC智能电机控制

1 引言

图1　管式长皮带实景图

江西铜业铅锌金属有限公司隶属于江西铜业集团公司，具有20万t铅锌的生产能力。其来料主要依靠湖口县水运码头与生产厂区之间的一条长度近6km的管式输送机。主要的工艺流程为物料从水运码头卸船机卸下后经1#和2#转运皮带进入管式输送机，先后通过近6km的管式皮带（图1）、3#转运皮带、4#转运皮带、下料皮带机和各仓卸料器输送到铅精矿仓和锌精矿仓。

2 系统组成

2.1系统简介

采用罗克韦尔自动化集成架构为江西铜业铅锌金属有限公司物料长皮带输送系统设计了一套全面自动化、信息化和网络化的控制系统解决方案，系统构建实时监控网络结构，对管式输送机主辅环节的所有关键点进行实时数据采集、传输、处理、显示、存储与输出打印，对电机、胶带、传动进行实时调整，对管式输送机系统进行远程集中监控，形成融合生产、安全与节能的最优系统，如图2。

图2　管式长皮带自动化集成架构图

管式输送机系统集控室位于水运码头控制室机房，包含2个操作员站和1个工程师站；系统采用A-B ControlLogix冗余控制器进行分布式控制，设1个原辅料仓远程I/O站；ControlLogix冗余控制器作为主控制器安装于码头控制室内的中央控制柜，包含UPS和工业以太网冗余环网光纤适配器。ControlLogix冗余控制器通过工业以太网冗余环网与各远程I/O站以及8台胶带驱动电机变频调速柜进行分布式控制；通过IMCC DeviceNet对给煤机进行网络智能控制；管式输送机拉绳、跑偏等综合保护装置通过RS485接入各远程I/O站［1］。

2.2控制系统网络

在网络系统设计和实施中，充分考虑各种设备的不同特点和网络要求，采用了不同的网络对策，按照国际开放式通讯规约进行工作，以实现最佳的网络结构配置，确保整个系统间可靠、快速通讯。系统主干网络采用工业以太网冗余结构，主干由水运码头控制室至原辅料仓远程I/O站采用单模光缆环网传输，由各远程I/O站控制柜内光纤适配器转为同轴电缆，接入远程I/O站和各变频调速驱动系统。

工业以太网是当今先进的、开放性的实时工业网络结构之一，该网络是一种高速的确定性网络，具有5Mpbs的高速数据传输速率，灵活的网络结构可设计成环形、树形和星形等总线结构，具有简单的网络编程组态等特点。在管式输送机系统网络设计中，为各子系统提供了冗余的工业以太网络接口，在管式输送机机道铺设光缆主干环网，贯穿沿线各子系统，水运码头控制室和原辅料仓远程站之间使用1783-ETAP2F进行光纤传输，并提供冗余的接口，水运码头和原辅料仓及变频调速驱动系统通过工业以太网交换机1783-US08T和1763-L16BWA转换为Modbus协议进行通讯。此外，各子系统还可以通过这些1783-US08T接口扩充新的工业以太网络，使管式输送机系统具备了灵活的可扩充性。

2.3水运码头控制室终端

水运码头控制室操作终端包含2个操作员站和1个工程师站，操作员站安装FactoryTalk View SE上位HMI软件，工程师站安装HMI开发包和RS Logix5000编程软件以及网络开发包；操作员站HMI画面包含管式输送机系统工艺流程、状态、操作、报警，各工艺、电气的故障实时报警，各工艺、电气数据的事实趋势和历史趋势，生产报表、事件报表等；工程师站可对操作员站HIM画面进行开发、变更，网络开发包可对系统网络进行组态、规划和诊断，使用RS Logix5000对系统冗余控制器程序进行开发编程和诊断［2］，对各远程I/O站进行硬件配置和诊断，还可对变频调速驱动系统进行组态设置和诊断。

2.4系统冗余控制器

管式输送机系统采用冗余的ControlLogix作为主控制器，配置1756-L62 CPU模块、1756-EN2T通讯模块和1756-RM冗余模块，控制器拥有4M内存和64M的存储卡。冗余系统由2个独立的控制器组成，通过光纤进行高速实时同步。

2.5原辅料仓远程I/O站

远程I/O站采用ControlLogix I/O模块，配置冗余工业以太网通讯模块，通过单模光纤接口接入主干环网；各远程I/O站配置一块RS485 MODBUS通讯模块1763-L16BWA，通过MOSBUS与10kV继电保护监测模块进行通讯，采集供电系统状态信息，为地面生产系统维护人员提供有效信息；各远程I/O站通过RS485与胶带机综合保护系统进行通讯，对管式输送机系统进行可靠的安全连锁保护；各远程I/O站通过DI/DO模块对制动器、拉紧装置、翻板等进行连锁控制。

3 控制策略

3.1变频调速驱动系统

变频调速驱动系统采用A-B PowerFlex750系列变频器［3］，电压等级为690V，功率200～630kW，全部按重载选配；每台变频器均配有动态制动单元和制动电阻，作为停车时的电气制动；变频器采用12脉冲整流方式，由三绕组变压器供电，变压器次级的2个绕组间为30°相位差，从而消除大部分的5次和7次谐波，大幅降低整流的谐波含量。

变频器配置脉冲编码器反馈接口，对电机进行闭环矢量控制，满足管式输送机零速和低速时150%转矩输出的要求。PowerFlex750变频器带有冗余的工业以太网总线通讯模块，所有的控制、调节和反馈功能均通过工业以太网与ControlLogix相连接实现，提供智能网络化的控制，实现变频器和ControlLogix控制器之间大量可靠、高速的数据的传输，使系统能够监视到变频器及电机所有的状态信息，提供最佳的驱动解决方案［4］。见图3。

图3　A-B PowerFlex750系列变频器安装实图

本项目管式输送机系统中为2台电机同轴驱动，因此采取转矩跟随的主从同步方式，主驱动接收ControlLogix的速度给定值，对电机进行速度和转矩控制，通过安装在电机主轴上的编码器反馈进行速度闭环控制，通过矢量控制模式进行转矩闭环控制；从驱动为转矩控制模式，通过主驱动SynchLink光纤给定的转矩信号，进行转矩跟随控制，并进行自身的转矩闭环控制［5］。见图4。

图4　两台电机同轴驱动控制原理图

若一台电机工作在发电状态，另一台电机工作在电动状态。当工作在电动状态的电机转矩绝对值较大时，说明管式输送机相对于电机是阻力负载，需要正的牵引力，因此要将发电状态的电机转速逐渐增加，使其进入电动状态；当工作在发电状态的电机转矩绝对值较大时，说明管式输送机带动电机转动，需要制动力，因此要将电动状态的电机转速逐渐降低，使其进入发电状态，然后再计算转矩平均值，按上述步骤进行功率平衡调节。

3.2安全紧急停车

在输送系统发生故障需要紧急停车时，如：胶带发生跑偏、纵向撕裂、拉绳、机旁急停开关时，变频器通过DriveGuard进行安全关断，即切断IGBT触发电源，使电机实现快速、安全的停机，无需切断系统主电源，符合EN-954-1安全认证标准［6］。

3.3IMCC智能电机控制

IMCC智能电机控制［7］采用DeviceNet通讯网络，将智能电机保护器、断路器、继电器等设备通过网络收发控制信号，实现智能化电机控制和管理。本项目中2座卸矿仓共有50余台卸料机。我们将这50余台卸料机进行了智能化的电机控制，采用A-B 的E3 PLUS智能电机保护器，通过DeviceNet网络与储煤场远程I/O站通讯模块进行连接，取消了接触器、断路器、热继电器与I/O模块之间复杂的硬线连接，无需另外安装电机保护器，实现对给煤机的起停控制、开关状态采集、电机电流监测、PTC温度监测、接地故障监测、热容量值监测、相间不平衡监测、脱扣时间监测、过载保护、缺相保护、堵转保护、故障记录等。见图5。

图5　IMCC智能电机控制原理图

4 应用效果

本系统投入使用至今，该管式输送机在空载、轻载、重载下，起车非常平稳，带载停车过程也非常平稳，而且可以根据现场的需要进行各种起车时间、停车时间的调整，实现了大功率长距离管式输送机的各种控制要求。

应用罗克韦尔自动化集成架构使控制系统从上位到下位、从硬件到软件，在设计和使用中可以做到灵活多变，满足用户的各种要求。冗余的工业以太网络和光纤环网结构，使网络传输稳定、可靠；基于DeviceNet网络的智能电机控制，实现了对多条转运皮带输送机全面完善的控制、保护和管理解决方案；通过MODBUS通讯模块，实现第三方控制系统与ControlLogix控制系统间的无缝、透明数据传输，实现全面一体化的控制；先进的网络结构，可快速方便地对网络进行浏览、诊断，通过操作员站、工程师站或任意一点接入网络，可对网络内所有本地或远程设备进行组态、编程和维护。变频调速驱动系统实现了对管式输送机的S型曲线柔性起动，降低了输送机的张力，起停时无冲击，FORCE矢量控制使输送机重载起动非常容易和便捷。对于2台电机驱动，基于PowerFlex750变频器SynchLink光纤同步通讯的主从控制，实现了2台同轴电机的功率平衡，满载时电机电流相差不到3A。

［1］王猛军. 管状带式输送机在物料输送中的应用［J］. 科学与财富，2013（5）:341-341.

［2］徐斌. ROCKWELL PLC在卸船机控制系统设计中的应用［J］. 华电技术， 2015（6）:28-31.

［3］魏志军. 变频器调速驱动系统在煤矿胶带机输送系统中的应用［J］.中国科技博览， 2015（16）:266-266.

［4］王勋. 管状皮带输送机在煤矿生产中的应用与分析［J］. 内蒙古煤炭经济， 2015（2）:56-56 .

［5］余发山， 韩超超， 田西方， 等. 带式输送机多机变频驱动功率平衡控制研究［J］. 工矿自动化， 2013， 39（3）:69-73.

［6］谭栋才. 超长距离带式输送机集中控制系统的设计及应用［J］. 水泥，2014（2）:51-53.

［7］曹娜， 汪海涛. E3 Plus智能电机综合保护器在选煤厂集中控制系统中的应用研究［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

邓华效（1981-），男，江西瑞金人，主要从事设备管理与维护工作。E-mail: denghuaxiao@163.com