一种大型铸造起重机PLC冗余控制网络系统的制作方法

一种大型铸造起重机plc冗余控制网络系统
技术领域
1.本发明涉及起重机电气控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种大型铸造起重机plc冗余控制网络系统。


背景技术：

2.铸造起重机是炼钢作业的关键设备之一，同于吊运熔融金属，其使用环境恶劣，工作级别高。因此，要求铸造起重机的电气控制系统方案成熟、运行可靠。起重机的发展创新，很大程度上取决于电气控制技术的升级换代。随着通信网络、传动控制等技术的快速发展，对起重机电气控制发展及自动化升级具有重要推动意义。
3.目前，大多数铸造起重机远程子站、变频器采用单条现场总线连接。在个别核电站起重机、大型铸造起重机等起重设备上采用仅限于冗余cpu与远程子站构成的基于profibus-dp现场总线构架的冗余系统，但存在通信速率低，抗干扰性差等缺陷，并且变频器等关键器件并没有实现冗余通信连接。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术的不足，本发明提供一种大型铸造起重机plc冗余控制网络系统。本发明基于工业以太网网络构建冗余控制器及其与分布式i/o设备、各机构变频器、工控机(ipc)、触摸屏(hmi)等组成的冗余控制网络系统，实现系统冗余与网络传输介质冗余的双重冗余热备控制，提高起重机的控制精度和系统稳定性，降低设备故障停机，提高企业生产效率。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种大型铸造起重机plc冗余控制网络系统，包括：
7.设置在第一电气室内的：
8.冗余plc控制器，
9.第一分布式i/o设备和第二分布式i/o设备，
10.第一执行机构变频器控制单元和第二执行机构变频器控制单元，
11.第一数据交换机；
12.设置在第二电气室的：
13.第二数据交换机，所述第二数据交换机与第一数据交换机配合实现第一电气室内设备与第二电气室内设备的数据交换；
14.第三执行机构变频器控制单元和第四执行机构变频器控制单元，
15.第三分布式i/o设备和第四分布式i/o设备，
16.第三数据交换机；
17.设置在司机室内的：
18.第四数据交换机，所述第四数据交换机与第三数据交换机配合实现第二电气室内设备与司机室内设备的数据交换；
19.第五分布式i/o设备；
20.所述冗余plc控制器、第一分布式i/o设备、第二分布式i/o设备、第三分布式i/o设备、第四分布式i/o设备、第五分布式i/o设备、第一执行机构变频器控制单元、第二执行机构变频器控制单元、第三执行机构变频器控制单元、第四执行机构变频器控制单元、第一数据交换机、第二数据交换机、第三数据交换机、第四数据交换机分别接入环形拓扑结构的profinet网络。
21.进一步地，系统还包括设置在第一电气室内的y-link耦合器，所述y-link耦合器将将用于实现起重机三维定位的主起升高度绝对值编码器、副起升高度绝对值编码器、主小车格雷母线、副小车格雷母线和大车格雷母线分别连接至环形拓扑结构的profinet网络上。
22.进一步地，系统还包括与所述冗余plc控制器通过工业以太网连接的工控机、触摸屏及无线传输模块；所述工控机设置在第一电气室内，所述触摸屏设置在司机室内，所述无线传输模块用于与地面中控室通信连接。
23.进一步地，所述冗余plc控制器包括结构相同的主控制器和备用控制器，所述主控制器和备用控制器同步运行。
24.进一步地，所述第一执行机构变频器控制单元、第二执行机构变频器控制单元、第三执行机构变频器控制单元、第四执行机构变频器控制单元分别通过drive-cliq数字化接口与执行机构的变频装置实现数据传输，所述执行机构包括大型铸造起重机的主起升、副起升、主小车、副小车以及大车机构。
25.进一步地，第一执行机构变频器控制单元控制第一有源整流单元和第一主起升逆变器；
26.第二执行机构变频器控制单元控制副起升逆变器、第一主小车逆变器和第一大车逆变器；
27.第三执行机构变频器控制单元控制第二有源整流单元和第二主起升逆变器；
28.第四执行机构变频器控制单元控制副小车逆变器、第二主小车逆变器和第二大车逆变器；
29.其中，第一执行机构变频器控制单元和第三执行机构变频器控制单元分别设置有cbe20通信板，用于实现两个主起升逆变器之间的转矩主从控制。
30.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
31.1)、本发明采用具有热备冗余功能的双cpu控制器，发生故障时，无扰自动切换，避免系统停机，确保生产作业连续性。
32.2)、本发明采用基于工业以太网通信技术的profinet网络通信速率高达100mbps，具有通信速率快，抗干扰性强等优势。
33.3)、本发明采用的环形拓扑的profinet网络结构避免了设备通信中断，保证了数据的实时、准确、可靠地传输，提高了系统的可靠性。
34.4)、本发明中执行机构的变频器接入环形profinet网络中，实现冗余通信，避免了因变频器的通信故障而造成设备停机。
35.5)、本发明与传统的铸造起重机控制系统相比，本发明将先进的传感技术、无线通信技术、传动技术、plc处理技术以及物联网、互联网 技术的深度融合，提高了铸造起重机
安全可靠性，保证了炼钢生产的连续性；降低了维护人员的劳动强度和作业风险，提高了系统的稳定性和生产效率。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明一种大型铸造起重机plc冗余控制网络系统图。
38.图中：1-1、主控制器；1-2、备用控制器；2-1、第一分布式i/o设备；2-2、第二分布式i/o设备；2-3、第三分布式i/o设备；2-4、第四分布式i/o设备；2-5、第五分布式i/o设备；3-1、第二执行机构变频器控制单元；3-2、第一执行机构变频器控制单元；3-3、第三执行机构变频器控制单元；3-4、第四执行机构变频器控制单元；4-1、第一数据交换机；4-2、第二数据交换机；4-3、第三数据交换机；4-4、第四数据交换机；5、具有环形拓扑结构的profinet网络；6-1、主起升高度绝对值编码器；6-2、副起升高度绝对值编码器；7-1、主小车格雷母线；7-2、副小车雷母线；7-3、大车格雷母线；8、y-link耦合器；9、profibus-dp网络；10、工控机；11、触摸屏；12、无线传输模块；13、工业以太网。
具体实施方式
39.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定元件，仅仅是为了便于对相应元件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
40.本发明实施例提供了一种大型铸造起重机plc冗余控制网络系统，主要包括连通第一电气室、第二电气室和司机室内元件的具有环形拓扑结构的profinet网络5。其中第一电气室为司机室侧电气室，第二电气室为高压室侧电气室。
41.第一电气室内设置有：冗余plc控制器，第一分布式i/o设备2-1和第二分布式i/o设备2-2，第一执行机构变频器控制单元3-2和第二执行机构变频器控制单元3-1以及第一数据交换机4-1。
42.第二电气室内设置有：第二数据交换机4-2，第三执行机构变频器控制单元3-3和第四执行机构变频器控制单元3-4，第三分布式i/o设备2-3和第四分布式i/o设备2-4以及第三数据交换机4-3。
43.司机室内设置有：第四数据交换机4-4和第五分布式i/o设备2-5。
44.上述冗余plc控制器、第一分布式i/o设备2-1、第二分布式i/o设备2-2、第三分布式i/o设备2-3、第四分布式i/o设备2-4、第五分布式i/o设备2-5、第一执行机构变频器控制单元3-2、第二执行机构变频器控制单元3-1、第三执行机构变频器控制单元3-3、第四执行机构变频器控制单元3-4、第一数据交换机4-1、第二数据交换机4-2、第三数据交换机4-3、第四数据交换机4-4分别接入具有环形拓扑结构的profinet网络5。需要说明的是，在本实施例中，分布式i/o设备用于采集信号和输出信号，是根据现场实际需要设置的，因司机室
内元件少，因此设置一个分布式i/o设备，而第一电气室和第二电气室内元件较多，因此设置两个分布式i/o设备。
45.具体来说，冗余plc控制器主要有西门子公司s7-400h及s7-1500r/h、abb公司ac 800m、施耐德公司modicon昆腾、ab公司control logix等系列产品，本实施例优选采用西门子公司s7-400h冗余plc为例，描述大型铸造起重机plc冗余控制网络系统的技术方案。
46.作为本发明较佳的实施方式，上述系统还包括设置在第一电气室内的y-link耦合器8，其用于将实现起重机三维定位的主起升高度绝对值编码器6-1、副起升高度绝对值编码器6-2、主小车格雷母线7-1、副小车格雷母线7-2和大车格雷母线7-3分别连接至环形拓扑结构的profinet网络5上。
47.优选地，主、副起升机构安装绝对值编码器6-1、6-2，主、副小车及大车机构安装格雷母线7-1、7-2、7-3，实现起重机的三维定位，再通过y-link耦合器8用于将单profibus-dp 9接口的设备连接至冗余系统中。
48.作为本发明较佳的实施方式，上述系统还包括与所述冗余plc控制器通过工业以太网13连接的工控机10、触摸屏11及无线传输模块12；所述工控机10设置在第一电气室内，所述触摸屏11设置在司机室内，所述无线传输模块12用于与地面中控室通信连接。
49.优选地，工控机ipc10和人机界面hmi11作为上位机，通过以太网模块，读取cpu数据，对起重机状态实时监控，运行数据记录，并对起重机关键部件、传动装置等机构进行数据采集、存储及分析，为起重机日常维护、寿命评估和事故判定提供数据支持，实现了起重机的全生命周期管理。将起重机车载控制、视频数据通过无线传输模块12发送至地面中控室，实现管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高设备可用率，降低生产成本，提高经济效益。对起重机自动化发展及工厂智能化升级有着重要的推动意义。
50.本实施例中，整个控制网络系统具有控制系统冗余和网络传输介质冗余的双重冗余热备功能，保证任一控制器或网络节点出现故障时，起重机能够继续运行，提高系统稳定性，降低设备故障停机，提高企业生产效率。另外，设有无线传输模块12，与地面起重机物流系统对接，满足炼钢车间物流跟踪及智能调度管理。具体方案如图1所示。
51.进一步优选地，冗余plc控制器包括结构相同的主控制器1-1和备用控制器1-2，所述主控制器1-1和备用控制器1-2同步运行。具体来说，冗余plc控制器包括冗余电源模块、冗余cpu模块及用于冗余cpu通信的同步模块、同步光纤。冗余cpu模块包括主cpu和备用cpu，二者并行同步处理铸造起重机控制系统的项目数据和用户程序，并永久地同步所有相关数据。如果主cpu发生故障时，备用cpu自动在中断点处接管过程控制，从而避免了传统的单plc系统因故障停机和数据丢失的风险，增强了系统的稳定性和可靠性，减少了现场维护量及维修时间。冗余控制器1-1、1-2作为系统的控制主站，采用系统冗余sr(system redundancy)控制方案，负责在预定的循环周期内与分布式i/o设备2-1、2-2、2-3、2-4、2-5，各执行机构变频器控制单元3-1、3-2、3-3、3-4交换数据，发送控制指令，读取从站状态信息等，并与工控机ipc10、触摸屏hmi11及无线传输模块12交换相连，用于远程操控和显示等。
52.进一步优选地，分布式i/0设备2-1、2-2、2-3、2-4、2-5采用et 200mp远程系统，分别设置在一、二号电气室和司机室内，将开关状态、操作指令等数据通过im155-5 pn hf接口模块与环形profinet网络5连接，再传输到冗余控制器1-1、1-2，从而极大节省了布线安装及维护成本。
53.进一步优选地，第一执行机构变频器控制单元3-2、第二执行机构变频器控制单元3-1、第三执行机构变频器控制单元3-3、第四执行机构变频器控制单元3-4分别通过drive-cliq数字化接口与执行机构的变频装置实现数据传输，所述执行机构包括大型铸造起重机的主起升、副起升、主小车、副小车以及大车机构。
54.具体来说，大型铸造起重机的主、副起升，主、副小车及大车等机构的电动机由西门子s120变频装置驱动，由四个控制单元cu320-2 pn3-1、3-2、3-3、3-4通过drive-cliq数字化接口与变频装置实现数据传输，控制线路简单，故障维修方便快捷。
55.本实施例中，第一执行机构变频器控制单元3-2控制第一有源整流单元和第一主起升逆变器，第二执行机构变频器控制单元3-1控制副起升逆变器、第一主小车逆变器和第一大车逆变器，第三执行机构变频器控制单元3-3控制第二有源整流单元和第二主起升逆变器，第四执行机构变频器控制单元3-4控制副小车逆变器、第二主小车逆变器和第二大车逆变器。其中，第一执行机构变频器控制单元3-2和第三执行机构变频器控制单元3-3分别装有cbe20通信板，用于实现两个主起升逆变器之间的转矩主从控制。上述执行机构变频器控制单元cu320-2 pn3-1、3-2、3-3、3-4通过自身的两个profinet接口，接入到环形profinet网络5中。需要说明的是，大型铸造起重机正常状态时，第一有源整流单元和第二有源整流作为驱动系统的常规组成，两个单元同时工作；当一个整流单元故障时，另一个整流单元独立工作，此时运行速度减半。另外，由于大型铸造起重机副起升和副小车逆变器工作不频繁，且可通过其他变频器切换，满足应急使用，因此对二者不进行冗余设计，本实施例中，大型铸造起重机的驱动系统构成可参考申请号为cn2010105711980的中国专利申请。
56.与profibus-dp总线网络最大通信速率仅为12mbps相比，本发明采用的profinet网络5通信速率最高可达10gbps，具有通信速率快，抗干扰能力强等优势。并且一、二号电气室之间及二号电气室至司机室之间设计光口数据交换机4-1、4-2、4-3、4-4，通过多模光纤作为传输介质进行连接，解决了电缆路径中动力电缆对通信电缆干扰及通信距离远的问题。profinet网络5为环形拓扑结构，一旦网络组件如交换机、网线发生故障中断时，设备之间的数据传送路径就会自动重新配置，保证了数据实时、可靠地传输。
57.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。