基于DeviceNet現(xiàn)場總線的船用分布式液壓控制系統(tǒng)*

聞宏志

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

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基于DeviceNet現(xiàn)場總線的船用分布式液壓控制系統(tǒng)*

聞宏志

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

針對船用控制系統(tǒng)通常面對的控制目標(biāo)設(shè)備多,分散布置于全船區(qū)域,以及工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高等使用要求。論文提出了一種基于設(shè)備網(wǎng)現(xiàn)場總線的典型分布式液壓控制系統(tǒng)方案,可有效實(shí)現(xiàn)對最多不超過63個(gè)控制目標(biāo)設(shè)備的分布式控制。并實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)研制,驗(yàn)證了方案的可行性,可為船用分布式液壓控制系統(tǒng)研制提供參考。

設(shè)備網(wǎng); 現(xiàn)場總線; 液壓控制

Class Number TP271.31

1 引言

DeviceNet是由RockWell公司在CAN總線基礎(chǔ)上推出的一種低成本、高可靠性的設(shè)備層現(xiàn)場總線,它將基本工業(yè)設(shè)備如開關(guān)、傳感器、電機(jī)啟動(dòng)器和操作員接口等連接到網(wǎng)絡(luò),簡化了傳統(tǒng)系統(tǒng)昂貴、繁瑣的布線工作量,使系統(tǒng)檢測和控制單元的分布更趨合理[1]。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比,具有響應(yīng)快、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。各控制節(jié)點(diǎn)通過開放網(wǎng)絡(luò),將底層各設(shè)備直接和上層控制器相連。支持最多可達(dá)64個(gè)節(jié)點(diǎn)、多支線的網(wǎng)絡(luò),并且允許用戶用一根電纜去連接500m以內(nèi)的PLC用戶端點(diǎn)。

上述特點(diǎn)十分適合多個(gè)控制目標(biāo)設(shè)備分散布置、首尾距離較遠(yuǎn),周圍電磁場等環(huán)境復(fù)雜,可靠性要求高的船舶應(yīng)用領(lǐng)域。

本文給出了一種基于DeviceNet現(xiàn)場總線的船用分布式液壓控制系統(tǒng)及各組成部分技術(shù)方案,并實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)研制,驗(yàn)證了方案的可行性,為船舶相關(guān)控制系統(tǒng)研制提供參考。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本控制系統(tǒng)可滿足的主要設(shè)計(jì)要求如下:

1) 控制目標(biāo)設(shè)備最多不超過63個(gè),分散布置于全船區(qū)域,總線電纜總長度接近500m[3]。

2) 控制目標(biāo)設(shè)備均布置于艙面,為保證在鹽霧、高濕和震動(dòng)等環(huán)境下的設(shè)備工作可靠性,選用獨(dú)立液壓系統(tǒng)作為控制目標(biāo)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力源。

3) 要求所有控制目標(biāo)的主要設(shè)備狀態(tài)、控制指令、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作執(zhí)行情況和故障報(bào)警等信息均可通過網(wǎng)口接入船上信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)總體配置方案

DeviceNet是最適用于制造工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場總線,一個(gè)基本的DeviceNet現(xiàn)場總線由下列部分組成[2]:

1) 主控器(支持DeviceNet的PLC或PC);

2) 現(xiàn)場輸入/輸出模塊,用于連接控制系統(tǒng)中各種現(xiàn)場裝置;

3) 具有DeviceNet接口的現(xiàn)場裝置;

4) 線纜及網(wǎng)絡(luò)附件。

本系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC主控站、I/O輸出站(含電磁閥)、I/O輸入站(含動(dòng)作到位傳感器)電纜附件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(含液壓回路和管路附件)等組成。該系統(tǒng)最大可以帶64個(gè)節(jié)點(diǎn)[8]。用主單元與從單元通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖詳見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1) 最上層為上位機(jī)部分,由計(jì)算機(jī)和集線器組成。計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2) PLC主站:選用ROCKWELL公司的PLC做主站[8]。主要的模塊包括CPU模塊1769-L32E,數(shù)字量輸人模塊1734-IB8,數(shù)字量輸出模塊1734-OB8-E,DeviceNet掃描模塊1769-SDN,電源模塊1769-PA2和底座1734-TB等。DeviceNet掃描模塊1769-SDN負(fù)責(zé)底層DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的通信[9～10]。PLC主站的兩個(gè)機(jī)箱配置如圖2和圖3所示。

圖2 PLC主站機(jī)箱1配置圖

圖3 PLC主站機(jī)箱2配置圖

3) I/O功能層:I/O輸出站主要由1769-SDN和繼電器輸出模塊組成,I/O輸入站主要由1769-SDN和數(shù)字量輸人模塊1734-IB8組成。I/O輸入站配置如圖4所示。

圖4 I/O輸入站機(jī)箱1配置圖

4) 設(shè)備層:主要指數(shù)十個(gè)控制目標(biāo)部位的相關(guān)設(shè)備。除執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓回路外,采用OMROM公司的MY4J-24VDC中間繼電器,完成對應(yīng)部位執(zhí)行動(dòng)作到位信息的采集。執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分如圖5所示。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)圖

5) 電纜附件:粗纜用于DeviceNet主控站與各個(gè)I/O站之間的干線,細(xì)纜用于各個(gè)I/O站與傳感器等之間的支線。

本系統(tǒng)由船電提供1路三相380V 50Hz電源和1路單相220V 50Hz電源。其中,三相380V 50Hz供給液壓泵站的電機(jī)和電加熱器。單相220V 50Hz供給PLC主控站,在PLC主控站內(nèi)將220V 50Hz分配給AC/DC電源模塊和PLC電源模塊;AC/DC電源模塊將220V 50Hz轉(zhuǎn)換為24VDC電源提供給電磁閥組,PLC電源模塊將220V 50Hz轉(zhuǎn)換為5VDC供CPU和各種I/O等PLC模塊使用[4]。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(含液壓回路和管路附件)部分的技術(shù)狀態(tài),如:液壓泵站功率[5～6]、液壓站容積、液壓管路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體形式等均需根據(jù)控制目標(biāo)的外形、載荷、數(shù)量和分布情況等進(jìn)行設(shè)計(jì),本文不再詳述。

4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及信息接口

本控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)狀態(tài)顯示程序和PLC控制程序,系統(tǒng)狀態(tài)顯示程序主要用于完成系統(tǒng)運(yùn)行和故障等信息的顯示和存儲,PLC控制程序主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制邏輯。

其中,系統(tǒng)狀態(tài)顯示程序運(yùn)行于上位機(jī),采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)。主要軟件模塊包括:

1) 上行通信模塊:實(shí)現(xiàn)與全船信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行信息交互;

2) 下行通信模塊:實(shí)現(xiàn)與PLC控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換;

3) 數(shù)據(jù)管理模塊:實(shí)現(xiàn)控制裝置狀態(tài)信息、設(shè)備狀態(tài)信息以及故障報(bào)警等信息的顯示、記錄和查詢。

PLC控制程序程序固化在PLC控制器ComPactLogix 1769-L32E中,通過Logix5000開發(fā)平臺,采用梯形圖編程。主要功能模塊包括:

1) 硬件配置模塊:對各站點(diǎn)模塊的地址等信息進(jìn)行配置,通過RSNetWorx網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件,對CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn),包括硬件站點(diǎn)地址、輸入和輸出數(shù)據(jù)地址進(jìn)行地址分配,完成組網(wǎng)設(shè)計(jì)。例如:硬件站點(diǎn)地址分配見表1。

表1 硬件站點(diǎn)地址分配表

2) 工況選擇及操作模塊:接收工況選擇開關(guān)位置確定工況和相關(guān)操作按鈕的信息。

3) 采集顯示模塊:完成控制目標(biāo)設(shè)備狀態(tài)信息的采集和顯示。

4) 控制輸出模塊:由I/O輸出站通過繼電器輸出模塊向液壓分系統(tǒng)輸出控制指令。

5) 報(bào)警及故障診斷模塊:接收并上報(bào)各節(jié)點(diǎn)的報(bào)警和故障診斷信息采集。

PLC控制程序和系統(tǒng)狀態(tài)顯示程序的RSLinX組件通過以太網(wǎng)接口,采用基于TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步;系統(tǒng)狀態(tài)顯示程序內(nèi)部采用基于OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)與RSLinX組件信息交換[7]。軟件接口關(guān)系如圖6所示。

圖6 軟件接口關(guān)系框圖

5 系統(tǒng)典型控制流程

本控制系統(tǒng)接通兩路船電后,首先啟動(dòng)液壓泵站和各PLC站點(diǎn),在各PLC站點(diǎn)和液壓回路壓力正常情況下,通過PLC主控站上的控制按鈕等,將控制指令經(jīng)PLC控制器1769-L32E、I/O輸出站、相應(yīng)部位電磁閥,執(zhí)行機(jī)構(gòu)(此處為液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角油缸,通過齒條帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)數(shù)十個(gè)控制目標(biāo)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng));在執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作到位后,傳感器MY4J-24VDC(固定安裝于執(zhí)行機(jī)構(gòu))將相關(guān)信息經(jīng)I/O輸入站傳回PLC控制器1769-L32E;同時(shí),相關(guān)動(dòng)作和設(shè)備狀態(tài)信息通過網(wǎng)絡(luò)接口上傳至上位機(jī)顯示和存儲,并可進(jìn)一步由上位機(jī)接入全船信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),完成本控制系統(tǒng)的一個(gè)典型控制流程?？刂屏鞒淘斠妶D7。

圖7 系統(tǒng)典型控制流程框圖

6 結(jié)語

針對船用控制系統(tǒng)通常存在的控制目標(biāo)設(shè)備多且分散布置于全船區(qū)域,以及工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高等的使用要求,本文提出了一種基于DeviceNet現(xiàn)場總線的船用分布式液壓控制系統(tǒng),可有效實(shí)現(xiàn)對最多不超過63個(gè)控制目標(biāo)點(diǎn)的分布式控制。本控制系統(tǒng)樣機(jī)主要由上位機(jī)、PLC主控站、I/O輸出站(含電磁閥)、I/O輸入站(含動(dòng)作到位傳感器)電纜附件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(含液壓回路和管路附件)等組成,本文給出了各組成部分的硬件配置方案和系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)研制,已驗(yàn)證了該方案的可行性,為船用分布式液壓控制系統(tǒng)研制提供參考。

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[9] 美國RockwellAutomation設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)產(chǎn)品概貌.

[10] 美國Rockwell 1769CompactLogix控制器選型指南[S].

The Distributed Hydraulic Control System Based on DeviceNet Field Bus

WEN Hongzhi

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

The control system used in ships usually accounts for some matters, including the amount of objects that be controlled, the objects disperse abroad, atrocious conditions and upper reliability etc. The paper proposes a scheme of distributed hydraulic control system based on DeviceNet Field Bus. The paper implements the system manufacture, validates the feasibility of the scheme, and provides a reference for study or manufacture for distributed hydraulic control system used in ships.

devicenet, field bus, hydraulic control

2015年6月3日,

2015年7月19日

聞宏志,男,高級工程師,研究方向:船舶電子。

TP271.31

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.027