基于ASI分布式站点的输送线控制系统设计

刘忻

(北京博维航空设施管理有限公司，北京 100621)



基于ASI分布式站点的输送线控制系统设计

刘忻

(北京博维航空设施管理有限公司，北京 100621)

在机场行李分拣系统中，皮带式输送机是一种广泛使用的设备，对输送机电机、变频器的控制通常采用本地控制单元来实现。分析了如何基于ASI总线实现远程、大量输送机的分散控制要求，满足了每台设备单独控制、控制点多、分布广泛、信号传输距离远的要求同时具备良好的开放性和未来可扩展能力。

PLC；ASI；分布式I/O；行李处理系统；控制

0 引 言

近年来，随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，民用机场建设速度不断加快，机场自动化行李分拣和处理系统也得到广泛应用，行李处理系统的规模越来越大、行李处理量越来越高，输送机的布局通常具有分布范围广、控制距离长、工艺要求高的特点。与此相对应的是，传统的现场控制方式，具有线缆使用量大、施工工程量大、不利于维保和故障检修的问题[1]；一般工程中采用的Profibus-DP网络，每台PLC最多只能控制126个从站，对于拥有大量输送机的系统显得力不从心[2]。针对大型行李处理系统的输送机布局特点和工艺要求，控制系统中第一层采用PLC通过Profibus总线连接ASI网关，第二层采用ASI总线连接输送机本地控制单元，第三层采用I/O接口实现变频器、电机的控制，既节约了总线站点资源，又实现了总线控制方式、简化了安装、布线和维护工作。

1 系统概述

图1 控制系统的网络拓扑结构图

控制系统的网络拓扑结构如图1所示，系统采用Profibus总线和ASI总线相结合的混合网络，形成层次式和并列式混合的网络结构。每个分控柜内有两个DP/ASI Link模块，N个分控柜内的2N个DP/ASI Link模块组成并列式的Profibus通讯网络；PROFIBUS，是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，Profibus总线的传送速度可在9.6 Kbps至12 Mbps的范围内选择[3]，具有可靠性好、实时性强的特点，应用在控制功能比较复杂的场合。PLC的主要功能是接收来自输送机、断路器、光电传感器等控制开关的信号，控制变频器、电机等执行器并记录其状态。由于每个分控柜可以控制最多达62台输送机，功能比较复杂，控制点比较多，单纯采用Profibus总线每台PLC仅能控制最多126台输送机，浪费了PLC的资源，因此采用DP/ASI Link模块作为控制网关，负责接收PLC通过Profibus总线发送的数据，转换为符合ASI总线协议的数据，控制1至31台电机控制单元。ASI(Actuator-Sensor-Interface)是执行器-传感器-接口的英文缩写，它是一种用在控制器(主站)和传感器/执行器(从站)之间双向交换信息的总线网络，用于速度和可靠性要求不高的场合[4]。

2 系统硬件设计

根据项目规模和控制要求，选用西门子S7-400型PLC，CPU选用414-3型，CP模块采用443-1型，以实现与高端IT系统的工业以太网连接。分控柜内的DP/ASI Link模块选用西门子DP/ASI Interface Link 20E模块，这种模块具有IP20的防护等级，外形尺寸长×高×厚分别为90 mm×80 mm×62 mm，电源电压30 V，功率3.7 W，体积小、发热量低、安装位置灵活，因此适用于大多数装控制柜的现场环境，并有节省电柜空间的特点；这种模块与主站PLC之间的Profibus通讯速率有9.6 kbps至12 Mbps共10档可选[5]，适合大多数控制场合。

2.1 现场层

西门子PLC采用SIMATIC Manager作为编程软件，这种软件具有开放性好、兼容第三方产品的特点，在使用其它设备厂商的产品时，只需将所使用的模块的GSD文件导入硬件组态，并组态到SIMATIC Manager的Hardware中即可使用。

现场层通过将DP/ASI Link模块(型号6GK1415-2AA01)的GSD文件导入Hardware中，并编译，实现PLC对DP/ASI Link模块及ASI从站的访问，硬件组态界面如图2所示。在后期的编程开发中，PLC程序可直接访问DP/ASI Link模块控制的ASI从站的输入输出地址，即可实现对ASI从站的各项控制功能。

图2 DP/ASI Link模块的硬件组态界面

2.2 执行器层

执行器层主要是电机控制单元的设计，对电机控制单元的设计需要满足两种工况的要求：对于不带变频器的输送机，直接控制电机启动、停止；对于带变频器的电机，控制变频器的信号，实现启动、停止、调速等其它控制的要求。对于控制变频器的工况，又分为控制IE4变频电机一体机、控制MMI型分立式变频器、控制6SE70伺服变频器三种工况。所有工况的通用要求是，满足上位机对本地电机控制单元状态、供电状态、电机运行状态、输送机到位状态、外部传感器状态的监控要求。

在电机控制单元中，采用西门子公司的ASI模块3RK1400-1CG00-0AA2作为核心控制模块，这种ASI模块的作用是将ASI信号转换为4DI/4DO信号。DI点用于采集外部传感器、常开/常闭点状态，实现上位机对开关量的采集和监控；DO点用于控制接触器吸合、使电机通电运转，或通过控制变频器实现电机运行和调速。2.3 本地控制层

本地控制层主要是实现电机控制单元对电机、或对变频器的控制，按照行李系统工艺要求，分为四种类型：直接控制电机启停、控制MMI型分立式变频器、控制IE4变频电机一体机、控制6SE70伺服变频器。

2.3.1 直接控制电机启停的工况设计

在行李系统的皮带输送机、高速输送机中，功率小于3 kW、没有快速启停、多转速调速要求的工况，采用直接控制电机启停的控制方式。这种设计的优点是结构简单、节约系统建设成本。缺点是由于电动机直接启动的电流是正常运行电流的5倍左右，因此对电网的冲击较大，对于对电网稳定性要求较高的机场电网来说，只有功率小于3 kW的电机才能采用这种控制方式。另外，强大的启动电流冲击电动机，在速度较高的行李输送线上，直接启动还会对机械传动部件造成冲击，因此影响电动机和机械部件的使用寿命。

图3 系统控制流程图

ASI模块作为核心控制模块，用于将ASI总线数据转换为I/O信号，其中4位DI信号分别用于采集：电机控制单元正常(含相序监测)、自动控制模式开关在自动模式下、外部传感器1和2；1位DO信号有输出时，可控硅接通，电机通电运转；DO信号无输出时，可控硅断开，电机断电停止。

2.3.2 控制MMI型分立式变频器的工况设计

在行李系统的皮带输送机、高速输送机中，功率大于3 kW的电机，或有多档转速调速要求的工况，或有快速启动停止要求的工况，需要使用MMI型分立式变频器。这种控制方式具有启动冲击电流小、机械冲击负荷小的特点，同时能实现快速启停、多档转速调速的要求，因此适用于大多数控制场合。

T3行李系统中采用的分立式变频器为西门子EVFD-MMI-BC3/BC4型变频器，这种变频器是以西门子MM4系列变频器为基础开发的，采用Harting工业接头，这种插头具有IP55的防护等级，具有快速插拔、便于维护、保护良好、连接安全可靠等特点[6]。电机控制单元内的ASI模块输出4位DO信号，分别连接到西门子变频器的3位DIN点和1位AIN点，实现对输送机的正、反转各7档转速的选择。每个转速档位设置不同的频率，频率越高，电机转速越快，以此满足不同的工艺要求(如图3所示)。

2.3.3 控制IE4变频电机一体机的工况设计

2010年起，我国逐步将IE1能效等级电机列入淘汰目录。目前美国和欧盟已经开始逐步淘汰IE2能效等级电机，预计到2018年IE3能效等级电机的全球销量将超过IE1电机，同时IE4电机逐步成为新的发展方向。由于IE4电机采用伺服控制方式，在控制接口方面与现在在T3行李系统中广泛使用的IE1、IE2电机有很大差别，因此，现在开始进行IE4实验性替换研究是非常必要的。

图4 继电器辅助触点原理图

图5 电机控制单元内继电器原理图

IE4一体机采用SEW公司MOVIGEAR DBC-B型电机，这种电机采用I/O口控制，具有良好的兼容性。这种电机的DI点有三个，分别是：f1/f2，实现两档速度选择；L，正转；R，反转。这种控制模式的设计理念是，在不改变系统原有PLC程序逻辑的情况下，通过在电机控制单元端加装继电器电路，实现对SEW IE4电机的控制，以实现减少改造时间、降低改造成本的目的(如图4、图5所示)。

2.3.4 控制6SE70伺服变频器的工况设计

在机场行李系统中，水平分流器的作用是将原先混流的行李分配向两个分支路由，以实现行李的分拣功能。设计要求是每分钟动作30次以上，选用西门子6SE7021-0EP50型增强书本型变频器，这种变频器能满足水平摆臂设备的定位和快速动作要求，且有多种选件板可以用作Profibus连接、或BOOL量连接控制，并与伺服电机内置的编码器连接实现位置控制；每台基本装置上都有3个结构不同的槽，用于安装不同类型的选件板，可以实现良好的扩展性。选件板采用Z=C43+G61，其中G61是有17个I/O口的接口板，具有数字量、模拟量输入输出功能，在本项目中，应用4个DI接口，用于接收来自PLC或来自本地控制面板的使能、手自动、打开、关闭指令；应用1个DO接口，用于向PLC反馈变频器已准备好的状态。C43是SLOT C型编码器控制板，这种控制板为19针接口，与伺服电机的绝对值编码器相连接，实现对电机的闭环控制，达到精确控制转矩、位置、速度的工艺要求。

3 结束语

通过基于ASI总线的本地控制单元设计，可以有效减少对Profibus/Profinet总线站点的占用，同时实现各类输送设备的远程控制；通过设计变频器与电机各种不同的组合，可以灵活实现系统内不同工艺的控制要求；整个系统具有良好的可扩展性，并为普通电机升级到IE4高效电机提供了一种经济、平稳、安全、可靠的解决方案。

[1] 崔坚.西门子S7可编程控制器：STEP7编程指南[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 刘劲.基于PROFIBUS现场总线的交流伺服驱动器从站研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[3] 李现明，吴皓.自动检测技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 罗华阳，欧阳广，沈坚勇，等.基于VB程序设计与PLC控制的机房电源管理系统的实现[J].机电产品开发与创新,2009,22(1):119-120.

[5] 张洋.基于PLC与组态软件的智能物料安装系统的设计与实现[J].吉林大学学报，2015,60(1)：178-182.

[6] 张维波.PLC先进控制策略在番茄酱杀菌工艺中的应用[D].乌鲁木齐：新疆大学，2008.

The Design of a Control System for the Conveyor Line Based on ASI Distributed Stations

Liu Xin

(Beijing Bowei Airport Support Ltd., Beijing 100621, China)

In the belt conveyor widely used in the airport baggage handling system, control over the conveyor motor and frequency converter is usually achieved through a local control unit. This paper analyzes how decentralized control of a large amount of remote conveyors is realized on the basis of the ASI bus, and how the requirements for separate control of each device, service of a large amount of control points, wide distribution and long distance signal transmission are satisfied. Furthermore, this system has good openness as well as expansion capability in the future.

PLC;ASI;distributed I/O; baggage handling system; control

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.032

TP29

A

1000-3886(2016)03-0102-03

刘忻(1985-)，男，北京人,工程师，专业：电气自动化技术及其在物流行业中的应用。

定稿日期: 2015-10-21