◎ 高翔｜文

Genius I/O 總線技術(shù)結(jié)合PLC控制技術(shù)應(yīng)用于深井提升系統(tǒng)自動化中，而深井提升系統(tǒng)由其自身所處惡劣的環(huán)境、工藝特點和安全性能要求等特點，讓Genius I/O 總線技術(shù)在深井提升系統(tǒng)自動化中發(fā)揮得淋漓盡致。

目前,現(xiàn)場總線的應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域日益廣泛,使用一條通信電纜構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接起來，并實現(xiàn)實時監(jiān)控,因此具有可靠性高、節(jié)省線纜費用、安裝費用低、維護和維修方便等優(yōu)點。在一些可靠性要求更高、設(shè)備分散、通信電纜較長和網(wǎng)絡(luò)走線現(xiàn)場環(huán)境惡劣等復(fù)雜情況，致使通信電纜發(fā)生受潮嚴重發(fā)現(xiàn)短接、容易斷裂、接頭易松動的等諸多不可預(yù)測難于維護的問題,由一條通信電纜構(gòu)成的總線網(wǎng)絡(luò)已滿足不了日常使用可靠性需求,此時選用雙總線冗余系統(tǒng)，即可滿足日常應(yīng)用需求，又可滿足可靠性、安全性的雙重要求。

在深井電控系統(tǒng)中,采用了一套基于Genius雙總線冗余的PLC控制系統(tǒng)。以滿足提升系統(tǒng)對可靠性、安全性的要求。本文將簡要介紹Genius雙總線在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。

概況

深井提升系統(tǒng)是礦井連接地面和井下的咽喉設(shè)備；深井提升裝備是開采深部地下礦物資源所必需的重大關(guān)鍵設(shè)備，提升系統(tǒng)的安全、可靠、高效運行對礦物資源的開發(fā)利用具有巨大作用，在工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè)中占有極其重要地位。深井井筒裝備長期處于潮濕、淋水、酸堿浸蝕和距離遠等惡劣環(huán)境中，在該環(huán)境中對裝備要求也極其嚴格，其自動化的使用要求：性能可靠穩(wěn)定、抗干擾性強、實用和易操作。Genius I/O總線是美國GE Fanuc自動化公司推出的一種工業(yè)控制總線，它既是I/O總線又是通信網(wǎng)絡(luò)，非常適合于大量I/O處理和數(shù)據(jù)傳輸。Genius I/O總線穩(wěn)定性極強，對于長距離高速傳送效果極佳，是一種確定性和開放性的總線，是為工業(yè)環(huán)境中的可靠通信而設(shè)計，并且Genius是一種將I/O監(jiān)控系統(tǒng)與信息處理集成于一體的分布式I/O系統(tǒng)，是一種廣泛的工業(yè)應(yīng)用總線和PLC網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可作為一個網(wǎng)絡(luò)或作為一個交換實時信息的高速局域通訊網(wǎng)絡(luò)而進行工作，對安裝在不同位置上的I/O系統(tǒng)進行控制。能滿足深井提升系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的使用要求。

工作原理

Genius Bus是GE Fanuc公司推出的一種可用于多個自動控制系統(tǒng)之間或自動控制系統(tǒng)與分散的現(xiàn)場I/O設(shè)備之間進行實時數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)默F(xiàn)場總線。它采用IEEE802.4通信協(xié)議,屬于令牌總線網(wǎng)絡(luò),各網(wǎng)上設(shè)備通過優(yōu)化的“令牌傳遞”式進行對等通信。

1.Genius I/O總線特性

提供全局數(shù)據(jù)(Global Data)和數(shù)據(jù)報文(Data gram)兩種類型的信息傳送方式，開放的傳送方式通過與其他總線的接口，使用戶現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)與Genius總線相連。總線具有向下擴充到設(shè)備一級的互連性，具有現(xiàn)場設(shè)備級接口，具有與多種計算機操作系統(tǒng)的接口，使軟件應(yīng)用具有更大的靈活性。在總線上可以使用幾種不同的通信連接方式，通信當中出現(xiàn)的總線錯誤不妨礙I/O系統(tǒng)的正常連續(xù)操作和運行，總線對數(shù)據(jù)信號采用調(diào)頻(FSK)的方式進行調(diào)制，使得總線的抗干擾性得到提高、傳輸距離明顯增長。總線保證通訊可靠進行采用如下方法：每個數(shù)據(jù)被編碼后，連續(xù)發(fā)送三次，接收方作三選二表決，接收完一個完整的數(shù)據(jù)包之后，接收方會對整個數(shù)據(jù)包作CRC-6環(huán)冗余校驗，一旦校驗失敗，不正確的數(shù)據(jù)將會被拒絕，同時該系統(tǒng)會要求重發(fā)數(shù)據(jù)包和向主處理器報告相應(yīng)的總線故障?？偩€支持冗余配置，包括通訊電纜和I/O模塊，通過多點連接(Multi-drop)將每個網(wǎng)站接入，構(gòu)成總線型網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)，安全性能更加安全可靠。

2.Genius I/O總線技術(shù)指標

Genius總線具有長達2300米的通信距離和153.6kbit通信速率，一條總線上最多可連接32臺設(shè)備，可包含計算機、PLC和其他相關(guān)設(shè)備，支持雙絞線和光纖等物理介質(zhì)，總線電纜為單屏蔽雙絞線時與地面1500伏絕緣，可避免電子噪音的影響。總線掃描時間獨立于PLC掃描時間，對每個網(wǎng)站的數(shù)據(jù)吞吐量為：發(fā)送128bytes，接收128bytes。

3.Genius雙總線冗余系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)把雙總線網(wǎng)絡(luò)作為兩個對等平行網(wǎng)絡(luò),稱為A網(wǎng)和B網(wǎng),整個雙總線冗余系統(tǒng)中的各站設(shè)備既作為A網(wǎng)的一個站,也作為B網(wǎng)的一個站。工作任務(wù)開始時，A網(wǎng)和B網(wǎng)同時運行，網(wǎng)上各站設(shè)備工作可任意選擇在A網(wǎng)或B網(wǎng)上，但同一時刻，任一個網(wǎng)上設(shè)備只能在A網(wǎng)或B網(wǎng)上工作。在系統(tǒng)運行中，當各站設(shè)備檢測到其當前工作的總線網(wǎng)絡(luò)有異常時，便立即將本站切換到另一總線網(wǎng)絡(luò)上繼續(xù)工作，從而保證主站與子站通信的連續(xù)性，繼而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可靠工作。

效果驗證

通過對深井提升中使用Genius雙總線控制系統(tǒng)的礦山和其他控制系統(tǒng)進行咨詢，該控制系統(tǒng)從安裝使用至今，為設(shè)備的正常、安全、可靠運行提供了保障，Genius雙總線控制系統(tǒng)與其他總線相比有以下六個方面的優(yōu)點：

Genius雙總線結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)應(yīng)用與傳統(tǒng)硬線連接比較，電纜的使用明顯減少，減少工程安裝的工作量，縮短安裝、調(diào)試時間，便于后續(xù)維護保養(yǎng)工作。

提高系統(tǒng)運行的可靠性。由于通訊電纜在深井中采用懸掛敷設(shè)，井筒工況較差，電纜容易損壞，采用雙總線熱冗余可以實現(xiàn)A總線出現(xiàn)故障時自動切換到B總線，確保提升機的安全運行。

故障排查的快速、準確，系統(tǒng)主PLC能夠?qū)崟r對Genius總線控制單元Genius NIU進行檢測，當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生局部故障時,主PLC能自動記錄故障代碼及信息，在處理故障時，就可以通過PLC故障表查詢，從而有針對性地對故障進行處理，方便維護和管理。

系統(tǒng)的準確性和可靠性明顯提高。智能化、數(shù)字化的現(xiàn)場設(shè)備讓測控系統(tǒng)的精確度更加精準，減少傳遞誤差，避免事故發(fā)生。另外由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，相對連接設(shè)備減少，而現(xiàn)場設(shè)備功能加強。從而減少了信號往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

高度分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種全新的分散控制系統(tǒng)，從根本改變現(xiàn)有DCS的結(jié)構(gòu)體系，充分體現(xiàn)了分散控制、集中管理的設(shè)計思想，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

能適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜的惡劣環(huán)境。在生產(chǎn)現(xiàn)場前端工作，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場不同環(huán)境設(shè)計的，可采用兩線制實現(xiàn)供電與通訊，可以支持雙交線、光纖、同軸電纜等多種傳輸介質(zhì)，具有較強的抗干擾能力，并可滿足防腐和防潮要求。

圖1 Genius雙總線冗余的PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 Genius NIU結(jié)構(gòu)示意圖

硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由1個GE90-30PLC主站和12個Versa Max遠程I/O子站組成,通過冗余的Genius雙總線把各站間連接起來,傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線。

該系統(tǒng)中,主站采用的GE90-30PLC是一種模塊式結(jié)構(gòu)的PLC,它由一個10槽的主機架、一個電源模塊、一個374型CPU模塊、兩個Genius網(wǎng)絡(luò)控制器GBC和高速計數(shù)模塊組成,各模塊插在機架底板上,通過背板總線相互交換信息和命令。兩個GBC模塊用于完成A網(wǎng)和B網(wǎng)的通信控制。Versa Max遠程I/O站由一個Genius網(wǎng)絡(luò)接口單元NIU、一個電源模塊和若干個I/O模塊組成。圖2所示為Genius NIU結(jié)構(gòu)示意圖,它具有A、B兩個網(wǎng)絡(luò)接口,用于把子站連接到兩個Genius總線網(wǎng)上。Genius NIU內(nèi)部集成了一個網(wǎng)絡(luò)切換模塊BSM,BSM能在線監(jiān)測本站當前總線網(wǎng)絡(luò)的運行情況,并在檢測到當前網(wǎng)絡(luò)局部故障時,立即把本站切換到另一個網(wǎng)絡(luò),從而實現(xiàn)雙總線冗余功能。

結(jié)束語

本文介紹的深井提升系統(tǒng)上的Genius雙總線冗余PLC系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用，井筒潮濕、環(huán)境惡劣復(fù)雜多變、距離遠等眾多特點具有典型的代表意義，較之單總線系統(tǒng)，Genius雙總線冗余系統(tǒng)克服諸多難點，使網(wǎng)絡(luò)可靠性大為提高,經(jīng)濟和社會效益顯著，有很好的推廣應(yīng)用價值。