岸邊集裝箱起重機(jī)富士電控輸入輸出點(diǎn)數(shù)限制解決方案

朱春峰

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

隨著岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)電控系統(tǒng)中的輸入輸出點(diǎn)數(shù)不斷增多，對(duì)于電控系統(tǒng)中PLC的要求也越來越高。但在采用富士電控系統(tǒng)的設(shè)備中，常用的通訊總線的輸入輸出點(diǎn)數(shù)有一定的限制，無法繼續(xù)使用以往傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，需要解決輸入輸出點(diǎn)數(shù)限制的問題。

2 富士電控系統(tǒng)組成

富士電控系統(tǒng)主要由PLC、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)以及低壓元器件等組成[1]。PLC采用的是MICREX-SX系列，通訊協(xié)議是富士電控系統(tǒng)專用的SX總線；驅(qū)動(dòng)器配備高性能矢量控制型變頻器FRNNIC-VG系列，通過SX總線和PLC建立通訊；電機(jī)接入變頻器，由PLC通過SX總線控制變頻器，最終由變頻器輸出以控制電機(jī)；其他低壓元器件、輔助設(shè)備等通過各種輸入輸出模塊，通訊模塊等和PLC連接[2]。目前，富士電控系統(tǒng)在岸橋上的配置中使用SX總線通訊協(xié)議，部分不支持SX總線通訊協(xié)議的輔助設(shè)備及子系統(tǒng)等則需通過其他通訊協(xié)議和富士PLC進(jìn)行通訊，如Profibus-DP，T-link，RS485等[3]。

岸橋上的富士電控系統(tǒng)一般在電氣房?jī)?nèi)的各個(gè)柜體內(nèi)安裝PLC模塊、整流單元、逆變單元，同時(shí)在司機(jī)室、俯仰室等的柜體內(nèi)也需要安裝PLC模塊。所有需要PLC模塊的柜體內(nèi)都需要安裝基板，基板的最左側(cè)是2個(gè)SX總線通訊口，用于各個(gè)站點(diǎn)之間的通訊，每個(gè)基板都需配置1塊電源模塊，在其后方才能再安裝其他模塊?；骞灿?種型號(hào)可供選擇，除去電源模塊后可以分別安裝1、4、6、9、11塊其他模塊[4]。

每個(gè)SX總線通訊系統(tǒng)中必須至少有1塊CPU模塊，一般安裝于電氣房PLC柜內(nèi)的基板上，這個(gè)基板被稱之為主站，其余的則被稱為從站或者遠(yuǎn)程站[5]。CPU后面一般都會(huì)配置以太網(wǎng)通訊模塊，用于和工控機(jī)、CCTV系統(tǒng)等通訊，而且PLC的編程軟件也可以通過以太網(wǎng)連接并進(jìn)行監(jiān)控；有一些需要DP通訊的設(shè)備或子系統(tǒng)則需要另外配置DP通訊模塊，數(shù)量視實(shí)際情況而定，一般不超過3塊；光纜通訊模塊也可以安裝于主站基板上，用于和俯仰室、司機(jī)室等距離較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程站建立通訊，數(shù)量一般不超過5塊。

電氣房PLC柜內(nèi)一般還會(huì)有一塊基板用于安裝一些必要的輸入輸出模塊，用于和其他從站如低壓控制柜、輔助控制柜、起升控制柜、小車控制柜、俯仰控制柜和大車控制柜內(nèi)各基板連接。整流單元以及逆變單元需要配置具備SX總線功能的通訊卡，此通訊卡上同樣有2個(gè)SX總線通訊口，和之前的總線系統(tǒng)連接在一起，最終組成電氣房?jī)?nèi)的一個(gè)回路。

通常情況下，岸橋配置大約20個(gè)PLC站，3個(gè)整流單元，3個(gè)逆變單元，占據(jù)了大部分的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，而通過其他通訊協(xié)議連接的設(shè)備及子系統(tǒng)等也需要占用一定數(shù)量的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，如Profibus-DP通訊協(xié)議、T-link通訊協(xié)議等。SX總線系統(tǒng)對(duì)于一條總線回路中的輸入輸出點(diǎn)數(shù)有一定的限制，對(duì)于遠(yuǎn)程控制岸橋以及自動(dòng)化岸橋來說，子系統(tǒng)以及其他輔助設(shè)備也會(huì)越來越多，所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)也會(huì)越來越多，達(dá)到甚至超出目前CPU模塊的輸入輸出點(diǎn)數(shù)的極限，因此須找到可行且經(jīng)濟(jì)的升級(jí)方案。

3 系統(tǒng)的升級(jí)方案及分析

SX總線系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)可能無法應(yīng)對(duì)岸橋的發(fā)展，必須有升級(jí)方案去解決這一問題，從現(xiàn)有的富士產(chǎn)品來看，主要有以下3種升級(jí)方案。

3.1 通過CPU的輸入輸出點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展

首先使用具有輸入輸出點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展功能的CPU模塊。相關(guān)的T-Link通訊主模塊和Profibus-DP通訊主模塊應(yīng)具備輸入輸出擴(kuò)展功能，并配套有T-Link通訊子模塊或接口模塊以及Profibus-DP通訊子模塊或接口模塊。

在進(jìn)行系統(tǒng)配置時(shí)，將主模塊配置成為輸入輸出點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展功能。此時(shí)，當(dāng)有多個(gè)T-Link通訊主模塊或者Profibus-DP通訊主模塊時(shí)，只有輸入輸出點(diǎn)數(shù)最多的那個(gè)主模塊的點(diǎn)數(shù)才會(huì)占用整個(gè)系統(tǒng)總線的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，主模塊的數(shù)量最多可以為8塊，即輸入輸出點(diǎn)數(shù)最多可擴(kuò)展至原來的8倍(具體視實(shí)際情況而定)。

如果選用的是通訊子模塊，回路中應(yīng)增加1塊CPU模塊。此時(shí)，可選擇1塊CPU模塊與整流單元、逆變單元以及主要功能等通訊，另1塊CPU模塊連接各子系統(tǒng)、保護(hù)限位和輔助功能等。2塊CPU模塊分別獨(dú)立運(yùn)行并控制各自連接的設(shè)備，再進(jìn)行主從通訊。主要的邏輯控制、各種連鎖保護(hù)等需在主CPU模塊中，而且兩者之間的通訊點(diǎn)數(shù)需要避免過多。但這個(gè)方案有個(gè)弊端，即2塊CPU模塊必須有各自獨(dú)立的程序，這會(huì)給調(diào)試以及后續(xù)的維修保養(yǎng)帶來一些不便利。

如果選用的是通訊接口模塊，則各個(gè)通訊接口模塊的回路中只能有一些基本的輸入輸出模塊，無法接入其他類型的模塊，如以太網(wǎng)、串口通訊模塊等。因此，子系統(tǒng)必須接入至主回路中，所有接口模塊一般會(huì)用到一些只有輸入輸出點(diǎn)數(shù)的地方，如俯仰室內(nèi)的PLC站、各個(gè)操作站的PLC站等，而絕大多數(shù)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)還是在主回路中，因此，這個(gè)方案能夠擴(kuò)展的輸入輸出點(diǎn)數(shù)比較有限。

需要特別注意的的是：在使用輸入輸出點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展功能時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可能會(huì)和通訊主模塊連接臺(tái)數(shù)成正比地延長(zhǎng)，從而影響控制效率。

3.2 通過系統(tǒng)總線的升級(jí)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展

富士MICREX-SX系列有一種新的系統(tǒng)總線，即E-SX總線，直連輸入輸出點(diǎn)數(shù)是SX總線的8倍，更新性能相比SX總線提高到16倍，傳輸速度是SX總線的4倍，通訊線路距離更長(zhǎng)，總長(zhǎng)度是SX總線的40倍，且斷線還能繼續(xù)運(yùn)行，能夠應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜、大規(guī)模的設(shè)備。

有E-SX總線功能的CPU模塊分別有以太網(wǎng)通訊接口和2組E-SX總線通訊接口。以太網(wǎng)通訊接口一般用于和PC連接，用于編程以及監(jiān)控使用。但可以通過E-SX總線直接通訊的產(chǎn)品比較少，主要原因?yàn)椋簺]有基板、輸入輸出模塊和通訊模塊等；CPU模塊須安裝于SX總線的基板上，造成E-SX總線無法完全獨(dú)立使用。CPU模塊可以連接輸入輸出單元、高速計(jì)數(shù)單元、集中式接口模塊、電源輔助單元、整流單元和逆變單元?；迳系腟X總線通訊接口可以和其他SX總線的基板或者其他具有SX總線通訊功能的產(chǎn)品連接。

3.2.1 數(shù)字輸入輸出單元

E-SX總線的數(shù)字輸入輸出單元只有各1款，點(diǎn)數(shù)是32點(diǎn)，電壓等級(jí)只能是24 VDC，安裝尺寸基本是13槽基板的一半，而13槽的底板一般可以安裝11塊16點(diǎn)數(shù)或者32點(diǎn)數(shù)的輸入輸出模塊(由于接線便利性及柜體空間原因，一般岸橋上不使用32點(diǎn)數(shù)的輸入輸出模塊)，因?yàn)槭褂幂斎胼敵鰡卧獎(jiǎng)t需要至少原來3倍左右的空間。如果岸橋使用交流控制電用于輸入輸出模塊，雖然沒有直接對(duì)應(yīng)的適配產(chǎn)品，但仍可繼續(xù)使用輸入輸出單元，通過繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再接入輸入輸出單元，此時(shí)將會(huì)增加成本和空間。

3.2.2 模擬輸入輸出單元

與數(shù)字輸入輸出單元一樣，模擬輸入輸出單元也只有各1款，且都是只有2個(gè)通道，一般岸橋上需要至少各9個(gè)通道的模擬輸入和模擬輸出，模擬輸入輸出單元各需要5個(gè)，其中1個(gè)單元的安裝空間是SX總線中使用的模擬輸入輸出模塊的5倍左右，因此需要原來50倍左右的安裝空間。

3.2.3 高速計(jì)數(shù)單元

岸橋的小車驅(qū)動(dòng)形式一般可以分為牽引式和自行式，通常只有小車驅(qū)動(dòng)形式為自行式的岸橋的小車電機(jī)編碼器需要使用高速計(jì)數(shù)功能，用于小車行走位置的精準(zhǔn)計(jì)算。1個(gè)高速計(jì)數(shù)單元的安裝尺寸是SX總線中的高速計(jì)數(shù)模塊的4倍左右，即需要增加4倍的安裝空間。

3.2.4 集中式接口模塊

此模塊需安裝在SX總線的基板上，可以將本模塊管理的SX總線連接設(shè)備作為E-SX總線上的模塊使用。最多可以使用8臺(tái)，而每臺(tái)點(diǎn)數(shù)最多是8 192點(diǎn)。此模塊可以管理SX總線的輸入輸出模塊、富士生產(chǎn)的故障觸摸屏、整流單元和逆變單元等，但不能管理CPU、通訊模塊以及遠(yuǎn)程輸入輸出模塊。

3.2.5 電源輔助單元

電源輔助單元是一種輔助設(shè)備，為E-SX總線電纜供應(yīng)24VDC的另設(shè)單元，從CPU模塊的E-SX總線連接器上連接5臺(tái)以上E-SX總線對(duì)應(yīng)單元時(shí)使用，在電源輔助單元后面可以連接最多10臺(tái)單元。因此，CPU模塊上的E-SX總線單個(gè)通訊口最多直連不超過5臺(tái)設(shè)備，超出時(shí)必須配置電源輔助單元，否則在系統(tǒng)配置時(shí)會(huì)失敗。

3.2.6 整流單元和逆變單元

整流單元和逆變單元都有對(duì)應(yīng)的E-SX總線通訊卡，有2種模式可以選擇，區(qū)別在于各自通訊字?jǐn)?shù)：8個(gè)字輸入+8個(gè)字輸出；16個(gè)字輸入+16個(gè)字輸出。使用方式可以參考SX總線。

綜上所述，E-SX總線基本可以獨(dú)立使用，即整個(gè)總線系統(tǒng)中只用1塊基板，只安裝CPU模塊和一些E-SX總線不支持的模塊，其余則可用E-SX總線直連，但安裝空間會(huì)超過單獨(dú)使用SX總線時(shí)的安裝空間。為了解決安裝空間問題，可以使用集中式接口模塊，除了CPU模塊所在的主站以外的其他從站或者遠(yuǎn)程站都安裝1塊集中式接口模塊，結(jié)合電源輔助單元就能實(shí)現(xiàn)E-SX總線通訊。

3.3 通過2種系統(tǒng)總線結(jié)合實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展

將原來SX總線使用的CPU模塊更換成具有E-SX總線通訊協(xié)議的CPU模塊，整流單元和逆變單元的通訊卡用E-SX總線通訊卡來代替原來的SX總線通訊卡，同時(shí)考慮到整流單元和逆變單元的總臺(tái)數(shù)會(huì)超過5臺(tái)，而E-SX總線CPU一般都有2組通訊口，分別為輸入口1、2和輸出口1、2，一般岸橋上整流單元和逆變單元各自都不超過4臺(tái)，將整流單元連接至E-SX總線的輸入口1，逆變單元連接至E-SX總線的輸出口1，則可以不使用電源輔助單元。當(dāng)需要兼容更多臺(tái)數(shù)時(shí)，可以分別在E-SX總線的輸入口2和輸出口2上連接，或者增加1塊或者更多的集中式接口模塊，分擔(dān)一些輸入輸出點(diǎn)數(shù)。

4 結(jié)語

使用富士電控的E-SX總線，可解決原SX總線對(duì)于輸入輸出點(diǎn)數(shù)的限制問題，為遠(yuǎn)程岸橋、自動(dòng)化岸橋、未來更高性能的岸橋使用富士電控奠定基礎(chǔ)。