多段式客运索道协同控制系统通讯网络设计

段 琰 贾睿玺 冯显宗 陈 虎 郑 泓

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

随着国内旅游资源的持续、深度开发和滑雪场雪道的升级迭代，市场对超长运距索道的需求日益增加。在脱挂索道技术成熟的基础上，对由多段索道组成的超长运距索道电控方案进行了设计研发，本文着重介绍其中通信网络的设计方案。

作为多段式索道电控系统的关键环节，通讯网络设计实现了多段索道被控设备联动的协同控制、分段管理、数据实时监控以及系统通讯状态实时监测功能。为控制系统的可靠性和设备运转平稳度提供有力保障。

1 多段式索道特点

单段式客运索道由1个驱动站及1个迂回站组成，由驱动设备完成该段索道运载任务，索道驱动能力受到该段索道长度限制；多段式索道即将多个单段式索道级联成为一个整体，每段索道均由独立的驱动站和迂回站组成。多段式索道既可以作为多个单段式索道独立运转，也可以作为整体设备联动运转。

以2段式索道为例，其线路示意如图1所示。可知，索道主要由1段索道驱动站1、2段索道驱动站2、以及1段和2段索道迂回站3即中间站组成。1段和2段索道既可独立运转又能联动。其联动工作方式由1段和2段驱动站电动机6协同驱动2段索道钢丝绳4及吊厢5运转，从而实现2段索道协同运行。

图1 2段式索道线路示意图

2 通讯网络结构设计

图2所示为多段式索道驱动设备的通讯网络结构示意。该设计以监控系统终端PC为管理中心，由PC向联动系统发送指令，驱动控制器将电动机反馈数据传送至PLC，对每段索道设备实时监控，完成由PC进行管理及协调多段索道设备协同运行的工作。

图2 通讯网络结构示意图

PC与驱动控制器以及远程I/O组成网络，设备信息反馈给远程I/O，设计基于罗克韦尔自动化ControlLogix控制平台，该平台将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制集成为一体。其特点是允许多个网络模块、I/O模块任意组合，并可通过EtherNet/IP，ControlNet，DeviceNet，DH+，DH-485等网络进行通讯。

图3所示为基于2个驱动站设备的多段式索道控制系统通讯网络设计图。该控制系统网络设计分为3层：以太网层EtherNet、控制网络层ControlNet以及设备网络层DeviceNet。设计以监控终端PC为核心，PC与PLC以及1段驱动控制、2段驱动控制器分别通过EtherNet网络进行通讯，由PLC与各自远程I/O等设备组成ControlNet网络，1段和2段驱动控制器与就地传感器组成设备网络层。

图3 通讯网络设计示意图

2.1 ControlNet网络特点

ControlNet是符合IEC-61158《现场总线标准》的网络，采用CIP协议，用于控制信息传输。其基础是一种开放网络技术的创新解决方案。它允许网络中的所有节点同时获取来自同一数据源的数据，即实时I/O读取、编程操作、对等报文传输可以在同一条ControlNet链路上实现，其可重复的性能保证网络传输时间不会因网络设备添加和删除而改变。在ControlNet网络架构中，信息处理和更新不需要处理器的干预，可提高过程控制对时间要求苛刻的传输效率。

ControlNet通讯模块通过桥接ControlNet传递信息给以太网、ControlNet以及DH+等网络设备，其通讯速率5 Mbps，最多连接模块数量64，通讯介质为同轴电缆，可带冗余接口及监控窗口。

2.2 EtherNet网络特点

EtherNet网络设计符合IEEE802.3标准，允许商务和工业应用并存，其通讯速率10/100 Mbps。它使用传输层控制协议/网络层协议，即TCP/IP来传递显性信息，如上传和下载程序。而实时的I/O隐形信息传递，则使用用户数据报协议即UDP传输协议，它可以提供2个设备之间传输数据包能力，如在PLC与远程I/O及PLC与驱动控制器之间的数据包传输。

2.3 DeviceNet网络特点

DeviceNet网络是基于CAN总线网络设计，符合中国国家标准和IEC标准。数据传输采用CIP协议，特别适合应用项目中设备层网络的使用。其最高传输速率为500 Kbps。

3 通讯网络硬件设计

PLC主框架模块分别为处理器、ControlNet网络模块和EtherNet网络模块，简称CPU、CNET、ENET。远程I/O框架模块由ControlNet网络模块及多种1756输入/输出模块组成，其硬件结构设计如图4所示。

图4 通讯网络硬件设计示意图

PLC的ENET模块主要功能是执行管理系统需要的操作。用物理媒介将PC机、HMI，通过交换机与PLC连接起来。

1段驱动控制器的RETA通讯模块将PLC主框架与1段驱动控制器链接在一起，实现PLC与驱动控制器之间数据传输及反馈信号采集。RETA模块硬件结构如图5所示。

图5 RETA模块结构示意图

PLC主框架与1段、2段远程I/O框架通过CNET模块连接在一起形成ControlNet网络，每个连接到ControlNet网络节点上的物理设备具有唯一的网络地址，设备节点之间通过分接器和同轴电缆连接，集合组成链路，链路之间通过网桥进行信息传递。ControlNet网络连接方法及介质如图6所示。

图6 ContrloNet网络连接方法示意图

4 软件设计

控制系统软件调试及通讯设置所涉及的软件包括 Studio5000、RSLinx Classic、RSNetworx、BOOTP Server、ControlFLASH、Application Manager。Studio5000及RSNetworx、BOOTP Server分别为编程软件和组态软件，为开放式标准网络(包括ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP)提供设计和组态管理服务，以完成每个网络层的程序执行以及数据传送任务。

4.1 为控制器与远程I/O建立通讯

如图7所示，打开Studio 5000项目，点击I/O Configuration，打开菜单，选择New Module、CNB模块，点击OK，填写模块所安装位置的槽号，并选择模块是否与控制器进行通信，点击Finish。

图7 I/O Configuration菜单示意图

4.2 创建ControlNet网络通讯

打开File菜单，选择New。从Nerwork菜单中，选择Online。选择ControlNet网络。打开Edits Enabled，在属性栏中填写表1参数，点击OK完成。

表1 ControlNet网络属性列表

4.3 RETA模块通讯设定

打开RSlogix 5000软件中I/O配置对话框，选择New Module、RETA模块，如图8所示。右键点开RETA模块属性，设置IP地址，举例为10.0.0.6，点击OK，完成RETA模块通讯创建，如图9所示。

图8 RETA模块通讯建立示意图

图9 设置RETA模块IP地址示意图

4.4 驱动控制器指令传送

在PLC程序扫描周期内，PC将速度控制指令同时发送至2个控制器，如图10a、图10b所示，图10c所示为PLC数据通讯IP地址，此处为10.0.0.6。2个驱动控制器接收到指令后，进行同步运转，再将电动机转速、转矩等数据实时反馈至相应的I/O模块，实现两段驱动器对负载的协同控制。

图10 控制传送指令

5 结语

多段式客运索道协同控制通讯网络，其核心是将多段驱动设备连为一体，由监控终端PC向控制系统发出控制指令，使得多段驱动设备协同运转。该设计实现了多段索道协同驱动控制功能，可实时监控每段索道设备运转数据，并带有心跳机制，可实时判断通讯故障；可就地或远程在管理层PC灵活进行系统参数配置。其设计难点在于将多个远端驱动设备、远程I/O接入通讯网络平台，最终实现多段索道驱动设备实时可控，可靠协同且平稳运行。