ControlLogix系统在大型顺序（散粮筒仓）控制系统改造中的应用

摘要：本文以散粮 筒仓为例，探讨了ControlLogix在大型顺序控制中的应用情况；并且根据该项目的实际情况，介绍了ControlLogix系统对罗克韦尔自动化 早期产品的无缝隙改造的方法，从而体现了ControlLogix系统在实际应用中的灵活性以及ControlLogix系统的卓越特性。同时，本文介绍 了大型顺序控制系统 － 散粮筒仓的控制工艺流程。
关键词：ControlLogix 顺序控制 流程

一、前言

罗克韦尔自动化公司的自动化产品十几年来在国内得到了广泛的应用，特别是其顺序控制产品从PLC-3到ControlLogix系统已经应用到全国各行业的实际生产中。

2002年，在秦皇岛港散粮码头筒仓改扩建工程中采用了罗克韦尔自动化的ControlLogix系 统针对原有的控制系统（PLC-3）进行了改造，并增加了新建的筒仓控制系统，使原有筒仓和新建筒仓的设备在ControlLogix控制平台下进行统一 控制。该系统从硬件改造到工艺控制流程都体现了ControlLogix系统的优越性。

二、项目介绍

秦皇岛港散粮码头筒仓系统于1991年由日本三菱公司建成，主要承担散粮货物的进出口及临时仓储任 务，每年能达到120万吨的吞吐量，建成之初在亚洲堪称第一大散粮码头，随着国内经济的日益发展该码头逐渐不能满足现在的需要，所以秦皇岛港务局决定在原 有筒仓的基础上进行改扩建。

原控制系统分为筒仓控制部分、出口线控制部分（由天津电气传动所于1995年增加的）、卸船机控制部 分和称重单元控制部分，其中筒仓控制部分采用的是罗克韦尔自动化公司的A-B PLC-3处理器和PLC-5系列I/O，该部分为此次项目改造的主要部分；卸船机部分和称重单元控制部分采用的是A-B PLC-5/15处理器，这两部分需要与原有的筒仓部分进行数据交换；出口线控制部分采用的是A-B PLC-5/25处理器，该部分原设计时没有和其他三部分控制系统进行控制上的连接。（硬件结构示意图见附图一）

此次项目改建在原有的78个小筒仓（总容量6.5万吨）的基础上，增加了7个大筒仓（总容量7万 吨），全部新老系统I/O点数达到了12000点。新增加的筒仓的控制系统采用了ControlLogix系统I/O，并采用Logix5550处理器对 所有I/O进行控制，替代原来的PLC－3处理器，通过DHRIO模板与原有的PLC－5系列的I/O进行通讯。

三、硬件系统

在该项目中，由于要保留原来老筒仓系统的I/O设备，同时采用最新ControlLogix的控制平台。 先进的ControlLogix控制平台具有下列特点：

1. 无缝连接 － 易于与现有的PLC集成；现有网络的用户可以与其它网络上的程序控制器透明的收发信息。
2. 快速性 － ControlLogix平台通过背板提供了高速的数据传输，而ControlLogix系列处理器提供了高速的控制平台。
3. 可升级 － 根据实际需要增加或减少处理器或通讯模板的个数，可在一个框架内使用多个处理器；选择满足应用需求的控制器内存容量。
4. 工业化 － 提供了一个硬件平台，可耐受振动、高温和各种工业环境下的电气干扰。
5. 集成化 － 建立了一个集成多种技术的系统平台，包括顺序控制、运动控制、传动控制和过程应用。
6. 结构紧凑 － 适用于高度分散控制并且配电盘空间有限的场合。

经改造后的系统在硬件上保留了原PLC－5系统的I/O模板和Remote I/O适配器（包括筒仓部分和出口线部分），增加了新筒仓部分的ControlLogix系统的I/O及处理器。

整个系统通过3条Remote链路与老筒仓部分（28个Remote I/O站点）和出口线部分I/O（8个Remote I/O站点）进行通讯连接；通过冗余的ControlNet网络与新筒仓部分的I/O进行通讯（8个ControlNet节点）；通过DH+链路与原系统 的卸船机和新筒仓的集尘控制单元进行数据交换；在中控室我们将Remote I/O链路、DH＋链路、ControlNet链路和Ethernet链路通过相应的通讯模板集中在一个1756－A10建立了一个Gateway，并通 过Ethernet与人机操作系统进行通讯，同时预留了一个DH+通讯口，方便用户通过Gateway（Ethernet－DH）与6台秤控PLC－5进 行通讯调试。（详细系统配置图见附图二）。

硬件系统特点

1. 继续采用原有老筒仓系统的I/O，降低了用户的硬件成本。
2. 保留了原有老筒仓系统Remote I/O适配器（1771－ASB）的配置及其它的所有配置，只是将原有的处理器更新，最低限度的减少了改造老系统的风险性。
3. 将独立的出口线部分的I/O联接到整个系统来，实现了全部I/O统一协调控制的功能，改变了原来使用出口线需要强制老筒仓机械设备信号的情况（使用出口线时需要用到老筒仓系统中的设备）。
4. 采用一个1756－L55M14处理器，其强大的功能保证了多流程同时操作的处理能力和速度。
5. Gateway平台将各种通讯形式汇集到一起，方便了处理器访问所有I/O，保证了全部控制的统一协调性。同时方便了不同网络上的设备间的通讯和工程师站对不同网络下的设备维护、（程序）修改工作。（见数据流向示意图）
   

   

6. 利用1756－DHRIO上的DH+接口，为用户维护现有的6台称控PLC－5/15提供了方便（只需将通讯电缆联接到该端口上即可在工程师站通过Gateway（Ethernet）对称控PLC实现维护）。
7. Gateway平台框架中预留的槽架为用户将来进行其他功能的扩展提供了方便。

经过改造后的控制系统，整合了新老筒仓全部的控制功能，整体的解决了各个系统之间对其他系统的信号需求的要求，使所有设备从控制角度实现了统一的调度控制，改变了原出口线部分操作的时候需要外部人工参与的情况，提高了生产效率。

四、软件系统

4．1系统编程软件

在软件编制过程中，我们采用了与ControlLogix系统配套的RSLogix5000系列编程 环境。RSLogix5000系列编程环境，提供了易于使用且符合IEC 1131－3标准的接口，采用结构和数组的符号化编程，以及专用的顺序控制、运动控制、传动控制和过程控制场合的指令集，大大的提高了编程效率。

灵活的继电器梯形图和功能块图编辑器，使用户创建应用程序变得轻松自如。在梯形图和功能块编辑器中，用户能看到标准的、易于使用的且直观的操作界面。其以下的先进功能帮助程序编制人员方便的编制程序。

1. 在线帮助，包括概述信息，编程信息，屏幕信息和参考信息，以及在线参考书，包括电子版的相关参考手册和用户手册
2. 容易组态，包括图形化的控制器管理器，I/O组态对话框，运动组态工具和点击组态方法
3. 完善的数据处理，采用数组和用户定义结构，可提供必要的灵活性满足应用系统要求，而不是强迫它去适应特殊的内存结构，如控制器的数据表内存
4. 易于使用的I/O寻址方法
5. 一个自由格式操作的梯形图编辑器，可以让用户同时修改多个逻辑梯级，也可以通过点击界面或ASCII输入提示输入梯级
6. 灵活的，易于使用的功能块图编辑器
7. 拖放编辑和导航功能，可以快速地从一个数据文件移动数据元素到另一个数据文件，从一个子程序或项目中把梯级移动到另一个，或从梯级将指令移动到另一个梯级，或在一个项目内的指令在功能块图之间相互移动
8. 包括继电器梯形图和功能块指令的指令集
9. 诊断监控能力，包括控制器的状态显示，程序验证功能和强有力的数据监控器

4．2系统工艺描述

散粮筒仓是以散粮装卸为主的散粮专业码头，其接卸能力为2×600吨/小时，设计年通过能力为120万吨。其控制部分采用的是ControlLogix系列的可编程序控制器控制。

散粮筒仓工艺流程主要包括：船 至 车（卸船）、船 至 仓（卸船）、倒仓（仓 至 仓，翻仓）、(火)车 至 仓（卸车）、仓(火) 至 车（装车）、仓 至 船（转船）、余料返回等七大类流程。散粮筒仓系统主要包括大型设备（大型设备是指输送粮食的刮板机、皮带机、斗提机等大型设备）、除尘器、闸阀三类设备。

为了防止在物料输送过程中发生堵料、重载停车和堆料等事故，要求流程最基本的控制方式：启动时逆料流 顺序启动；流程停止时顺料流顺序停止；当流程运行过程中，如果流程内某一设备出现故障，那么流程上游设备应该紧急停止，下游设备继续运行，以免发生物料的 堵塞，从而造成粮食的撒漏或设备的损坏；当故障排除后，再按照逆料流的顺序依次起动流程内的设备。

由于物料在输送过程中会产生大量的粉尘，为防止粉尘引发安全事故，在大型输送设备的两两连接处还安装 了除尘器。要求在流程启动前5分钟启动除尘器，流程设备停止后除尘器接着运行5分钟。如果在流程启动或者运行中除尘器发生故障，那么要求除尘器所关联的设 备要立刻停止，并且由此引发该设备的上游设备立刻停止。除尘器在控制上的特点是每个除尘器的启停都可以用唯一的一个大型设备的运行（选中状态）来选择运 行。

所需要控制的闸阀包括三通闸（TW）、开关阀（AG）和与除尘系统相关的气动、电动阀门。闸阀控制上的特点是可由上下游两个大型设备或除尘器就可以确定闸阀的开启或开闭方向。

整个系统可以允许同时4条流程作业。由以上工艺可以看出，散粮运输储存控制系统是典型的顺序控制系统。

4．3控制功能实现

在散粮筒仓的工艺流程中，所有的控制动作以流程的方式体现出来，即粮食运送的路径。所以根据工艺的控 制的需要，将流程控制分为流程选取、流程启动、流程运行、流程停止、故障处理等几个主要功能部分。我们根据这几个主要功能部分，针对每个大型设备分为启 动、运行、停止、故障处理等几个控制部分，每个设备的各个功能由上下游关联设备进行启动、运行、停止、故障处理的控制。下面就其中几个主要部分分别进行介 绍。

4．3．1流程选取部

流程选取部分是整个控制过程中的首要部分，只有选取出要运行的流程，相应的设备才能按照工艺要求运行 （动作）。在流程选取时主要有两种方法：向导式选取法，即根据选取的首尾设备由程序自动选择首尾设备之间的中间设备；流程表智能选取法，即根据选取的首尾 设备在流程表中选取相应的流程。其中，向导式选取法适合于工艺流程路径少，流程中设备数量少，设备相关性唯一的流程；流程表智能选取法适合于工艺流程路径 多，流程中设备数量多，设备相关性复杂的流程。在秦皇岛散粮筒仓系统中对应7大类的工艺流程有多达486条流程可供选择，为了充分发挥系统设备的利 用率，为系统提供全面的流程路径，我们在系统方案设计时采取了流程表智能选取法。我们将流程路径中80多个大型设备（刮板机、提升机、传送皮带等）按照顺 料流的顺序排列（对于不同流程中使用到的设备按照流程类型的顺序排列），并且根据流程类型将全部486条流程制成流程表，在ControlLogix处理 器中采用二维数组（486×3Double Word（32Bits））来存储流程表。对相应流程中所要采用的设备其对应位置1，非流程使用设备其对应位置0，详见下表。

ControlLogix处理器通过接受上位机传送下来的流程选择一维数组，在该数组中将要进行的流 程的首尾设备及流程唯一的关键设备（即操作人员在人机操作界面上通过点击相应的设备将其数组内对应的设备置1，最多选取4个设备就能保证流程唯一）标志出 来。在ControlLogix处理器接收到流程选择命令之后将接受的流程选择一维数组内的数据按位与二维流程表进行逐条流程的比较，选出相应的流程。同 时比较将继续进行，以判断流程是否唯一。如果流程不唯一，则标志出流程不唯一，并停止流程选取，同时将该信息传至人机操作界面提醒操作人员流程选取错误重 新选取流程。

当流程选取唯一时，流程选取程序将判断所选的流程设备是否存在设备占用、设备故障等情况（如果存在这些情况该流程就不能运行），并将这些信息反馈回人机操作界面。

在流程设备一切正常后，流程选取程序将被选中的设备的选中标志置1，以便设备得到相应的选中命令。

4．3．2流程状态控制部分

由于整个系统可以最多同时允许4条相同类型或不同类型的流程运行，所以每个流程的状态对操作人员全面了解整个系统的运行状况极为重要。我们将每一条流程的状态分为：流程选择中、流程选中、流程启动中、流程运行、流程停止中、流程故障、流程停止等7种状态。从流程选择开始，就针对该条流程的状态进行跟踪，包括流程中各个设备的状态、闸阀到位情况、除尘器运 行情况等等，并向大型设备发出流程启动和停止信号。在流程选取后，流程状态控制程序就像被选中的设备标识被第几条流程（流程1－4）选中的标志，以便选择 的设备按照流程规定的顺序运行。

4．3．3大型设备控制部分

在全部工艺流程中有80多台大型设备，承担着粮食的输送、提升等工作，它们分别为刮板机、皮带机、提升机等，保证了7大类流程的良好运行。每个大型设备都是按照是否被流程选中的标志（并且能标志出被那条流程选中），然后其根据被选中的标志 与其上、下游关联设备的选中标志进行比较，具有相同流程选中标志的设备为同一条流程上的设备，大型设备根据其下游设备的启动情况进行顺序启动，根据其上游 设备的停止情况进行顺序停止，并且根据其下游设备的故障状态立即停止本身设备及其上游同一条流程的相关设备。依据这种方法，大型设备不用去清楚其所要服务 的是什么类型的流程，只要知道其服务于第几条流程，第1、2、3或4条流程，极大地简化了设备控制的复杂性。同时，每个大型设备在控制处理上分为启动、停止、运行、故障等部分，清晰的体现了设备控制的状态和方式。流程中的首尾设备，根据流程状态控制程序中的对应流程的启动、停止命令进行启动（尾设备）、停止（首设备）。

ControlLogix系统作为一个高性能的控制平台，为实际应用提供了灵活的、方便的应用。其模 块化的结构满足了不同应用环境的要求；强大的处理能力为各种大型系统良好的运行提供了保证；Ethernet、ControlNet、DH+等众多网络形 式能随意的与罗克韦尔自动化各个系统进行透明式的通讯，同时第三方厂家提供的其他类型的网络接口模板能使ControlLogix系统方便的与 Modbus、Profibus等网络良好的链接。与ControlLogix系统配套的RSLogix5000编程环境为开发人员提供了方便快捷的编 程、调试手段，本文中介绍的项目由两位工程师仅仅用了9个月的时间就完成了程序编制、实验室调试和现场调试的全部工作。本文中仅介绍了ControlLogix系统强大功能中的一部分 － 顺序控制，同时ControlLogix系统还具备运动控制、传动控制和过程应用等卓越的功能，以及他们的同时混合使用。所以说ControlLogix 为各种类型的控制提供了一个高性能的控制平台，是罗克韦尔自动化提供的新一代的优秀控制平台。

参考文献

1. [1] 吴燕红等.可编程控制器在粮库自动控制系统中的应用.水运科学研究所学报,2000（4）
2. [2] Allen-Bradley.可编程控制器系统手册

作者简介

孙宏伟，1974年生，1996年毕业于吉林电气化高等专科学校工业企业电气自动化专业，现就读于北 京科技大学MBA专业，曾供职于北京市新阿塞克自动技术有限公司、清华同方控制工程公司，从事工业自动化工作6年多，先后主持了国家催化裂化试验基地自动 控制系统、秦皇岛港散粮码头大型筒仓改扩建工程自动控制系统等大型控制系统项目，具有比较丰富的自动化系统工程项目的技术、工程、管理等经验。于2002 年与交通部水运所运达伟业科贸有限公司合作实施了秦皇岛港散粮码头大型筒仓改扩建工程自动控制系统。