基于分布式I/O的管帶智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：簡要闡述了分布式I/O的基本原理，結(jié)合具體案例，分析了分布式I/O在管帶智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：分布式I/O;PLC技術(shù);管帶智能控制

0 引言

長距離管帶因綠色環(huán)保、布置靈活、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)而廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)、礦業(yè)散料及成品的輸送領(lǐng)域。管帶輸送系統(tǒng)距離長、設(shè)備分散，采用傳統(tǒng)的集中式PLC控制系統(tǒng)成本高，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜，已不能滿足生產(chǎn)需求。而分布式I/O具有可靠度高，易于編程組態(tài)，網(wǎng)絡(luò)布線方便等優(yōu)勢，適用于長距離管帶行業(yè)，采用一根通信電纜代替多根控制電纜，節(jié)約電纜及電纜通道成本，且性價(jià)比遠(yuǎn)高于類似原理的DCS控制系統(tǒng)。

1 分布式I/O基本原理

分布式I/O系統(tǒng)是指通過以太網(wǎng)、總線等通信模塊集成分布式I/O以及通過AS-i主站模塊或連接器連接I/O。I/O站作為每個I/O系統(tǒng)下連接的單獨(dú)子站，其中帶相應(yīng)通信協(xié)議的儀表（如PN等）也可以連接到一個I/O系統(tǒng)，作為一個I/O站。

西門子PLC分布式I/O系統(tǒng)是指通過PROFINET、PROFIBUS或Modbus等通信模塊集成分布式I/O，以及通過AS-i主站模塊或連接器（例如IE/PB Link）連接I/O。I/O站就是每個I/O系統(tǒng)下連接的單獨(dú)的子站，如所有PN儀表可以連接到一個I/O系統(tǒng)，每一個儀表就是一個I/O站，可實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)、DP或RS485等通信對遠(yuǎn)程不同類型的開關(guān)量、模擬量進(jìn)行采集傳輸和控制。

長距離管帶可采用基于光纖的PROFIBUS DP通信的分布式I/O，遠(yuǎn)程I/O從站通過DP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與主站間的數(shù)據(jù)交換。編程人員通過CPU主站下載程序，可同時(shí)對遠(yuǎn)程I/O從站進(jìn)行組態(tài)、編程、調(diào)試及診斷。

2 案例分析與設(shè)計(jì)

2.1? ? 案例概況

某碼頭至電廠輸煤工程，共采用1條5.8 km管帶及2條小皮帶機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，控制系統(tǒng)由西門子400系列冗余PLC+ET200M分布式遠(yuǎn)程I/O構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

本工程主要控制設(shè)備包括管帶機(jī)尾部TH2轉(zhuǎn)運(yùn)站：2臺變頻電機(jī)（與PLC采用DP通信）、照明配電箱、轉(zhuǎn)運(yùn)站軸流風(fēng)機(jī)、速度檢測等皮帶保護(hù)裝置、管帶機(jī)沿線拉繩開關(guān)（采用DP地址編碼）;頭部TH4轉(zhuǎn)運(yùn)站：干式變/高/低壓配電柜、4臺變頻電機(jī)（與PLC采用DP通信）、減速機(jī)、布袋除塵器、空壓機(jī)等;TH0轉(zhuǎn)運(yùn)站：2條皮帶機(jī)相關(guān)控制設(shè)備，如變頻電機(jī)、皮帶保護(hù)裝置等。整個工程控制設(shè)備繁多，若采用傳統(tǒng)PLC控制，控制電纜、電纜通道成本將大幅增加，且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)集中控制難度加大，穩(wěn)定性降低。故采用西門子400系列PLC+ET200M分布式遠(yuǎn)程I/O+WinCC上位機(jī)構(gòu)成完整的智能控制系統(tǒng)。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、PLC編程及上位機(jī)組態(tài)工作。

2.2? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)布置于碼頭TH2轉(zhuǎn)運(yùn)站附近，故TH2轉(zhuǎn)運(yùn)站作為PLC主站，以減少上位機(jī)與CPU直接通信距離;TH4轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置遠(yuǎn)程I/O柜1，由于I/O點(diǎn)數(shù)較多，柜內(nèi)共2個機(jī)架。TH2主站至TH4遠(yuǎn)程I/O柜1距離約5.8 km，采用鎧裝單模光纖通信;TH0轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)置遠(yuǎn)程I/O柜2，至TH4轉(zhuǎn)運(yùn)站距離僅280 m，故采用DP通信電纜連接。

為提高系統(tǒng)安全性，本項(xiàng)目采用西門子400系列，CPU、通信冗余配置;根據(jù)各轉(zhuǎn)運(yùn)站I/O點(diǎn)數(shù)PLC模塊清單如表1所示。

2.3? ? 系統(tǒng)智能化

控制系統(tǒng)采用STEP7軟件編程，通過梯形圖語言集中對PLC系統(tǒng)主從站進(jìn)行編程、下載、調(diào)試，可在線診斷系統(tǒng)問題。

PLC通過以太網(wǎng)模塊與上位機(jī)通信，采用西門子WinCC組態(tài)軟件，根據(jù)工程實(shí)際添加畫面及運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置以太網(wǎng)IP等實(shí)現(xiàn)與PLC通信，通過WinCC Channel Diagnosis檢測通信是否成功建立。WinCC通信檢測如圖2所示。

通信成功后，通過點(diǎn)擊上位機(jī)畫面或調(diào)用曲線，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程智能控制。系統(tǒng)將設(shè)備模擬畫面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相結(jié)合，增強(qiáng)了輸送機(jī)設(shè)備、設(shè)施數(shù)據(jù)的可視性，有效解決了長距離管帶項(xiàng)目就地操作效率低、運(yùn)維工作量大的難題。

3 結(jié)語

本文通過實(shí)例對基于分布式I/O的管帶智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析闡述，通過分析可知，采用遠(yuǎn)程分布式I/O方式，可大幅減少操作臺、現(xiàn)場I/O點(diǎn)控制電纜的長度，同時(shí)也縮短了數(shù)字量、模擬量信號的傳輸路徑，降低了信號的損失和衰減，提高了信號的可靠性和準(zhǔn)確性。結(jié)合工程實(shí)際使用，論證了遠(yuǎn)程分布式I/O在長距離管帶項(xiàng)目中的優(yōu)勢。

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收稿日期：2020-03-05

作者簡介：舒曉媛（1986—），女，陜西寶雞人，工程師，研究方向：電氣及自動控制。