項目背景

位于華東沿海的某大型國有發(fā)電廠，在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動下，于2024年啟動輸煤島無人值守改造項目。輸煤島負責把海運煤通過卸船機、皮帶機、堆取料機最終送至鍋爐原煤倉，現(xiàn)場環(huán)境高粉塵、高硫化氫、強電磁干擾，夏季甲板溫度可達65℃。業(yè)主希望保留2017年投運的庫卡KR 30 R1820六軸抓斗機器人（DeviceNet從站，MAC ID=5），同時新增西門子S7-1200 CPU 1215C AC/DC/Rly（訂貨號6ES7 215-1HG40-0XB0）作為ProfiNet主站，實現(xiàn)抓斗路徑規(guī)劃、煤量統(tǒng)計、故障診斷一體化。由于兩種協(xié)議物理層、數(shù)據(jù)層完全不同，直接通訊存在“協(xié)議孤島”，于是選用遠創(chuàng)智控YC-DNTM-PN工業(yè)級協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關作為橋梁，構(gòu)建“PLC—網(wǎng)關—機器人”高實時鏈路，保障卸船機7×24小時連續(xù)作業(yè)。

痛點分析

1.協(xié)議壁壘：庫卡機器人僅內(nèi)置DeviceNet 2.0板卡（KSD1-16，訂貨號00-122-965），最大支持512kbps，而西門子PLC原生ProfiNet RT，無法識別EDS文件。

2.實時性要求：抓斗閉環(huán)防搖周期≤100ms，傳統(tǒng)“PLC+PCI板卡”方案實測延遲≥350ms，導致煤塊灑落、碼頭污染。

3.環(huán)境苛刻：鹽霧+煤塵達到IP54，普通商業(yè)網(wǎng)關24小時內(nèi)出現(xiàn)端口硫化發(fā)黑；同時卸船機滑觸線火花產(chǎn)生4級浪涌，曾擊穿普通以太網(wǎng)變壓器。

4.運維效率：碼頭停機窗口僅凌晨2:00-4:00，若故障定位超過30分鐘將觸發(fā)海運船滯期費

解決方案

采用“雙從站+邊緣計算”架構(gòu)：

·YC-DNTM-PN協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關在ProfiNet側(cè)作為從站（IP192.168.1.10，設備名YC_Gateway），占用16槽，輸入輸出各64byte；

·在DeviceNet側(cè)同樣作為從站（MAC ID=6，波特率500kbps，Poll方式，IO長度32byte I/32byte O）；

·網(wǎng)關內(nèi)置Cortex-A8 800MHz處理器，支持本地腳本，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾、閾值報警、斷線緩存，減少PLC運算負荷。

設備清單

實施步驟

1.前期準備

·在TIA Portal V18中導入YC-DNTM-PN工業(yè)級協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關的GSDML文件（版本V2.37），將網(wǎng)關拖入網(wǎng)絡視圖，分配設備名與IP；

·根據(jù)庫卡提供的EDS文件（KRC4_EDS_V1.2），確認機器人輸出寄存器：

oByte0-3：抓斗X坐標（IEEE754浮點）；

oByte4-7：抓斗Y坐標；

oByte8-11：抓斗Z坐標；

oByte12：當前負載率%；

oByte13：關節(jié)溫度℃；

oByte14：故障代碼；

oByte15：CRC校驗。

2.硬件部署

·網(wǎng)關采用35mm DIN導軌固定于西門子S7-1200右側(cè)，與PLC距離≤100mm，共用Φ6mmPE銅排，接地電阻<1Ω；

·ProfiNet使用CAT6A屏蔽線，經(jīng)M12-IP67接頭接入PLC的X1 P1口，線長28m，星型拓撲；

·DeviceNet采用5芯屏蔽雙絞線，藍/白接CAN_H、灰/黃接CAN_L，紅+黑24VDC供電，兩端并接120Ω終端電阻，布線時與動力電纜保持≥30cm平行間距，橋架內(nèi)穿金屬隔板；

·為抵御浪涌，在網(wǎng)關24VDC進線側(cè)加裝菲尼克斯TRABTECH 2906244二合一防雷器，實測可吸收4kV/2kA組合波。

3.參數(shù)配置

·通過Web界面登錄網(wǎng)關（默認IP192.168.1.254），在“ProfiNet”頁勾選“Enable I&M”，設置輸入64byte、輸出64byte；

·在“DeviceNet”頁選擇“Slave”，波特率500kbps，MAC ID=6，關閉Heartbeat以降低總線負載；

·啟用“Edge Computing”功能，編寫Lua腳本：

o當關節(jié)溫度>60℃時，置位ProfiNet Byte60 Bit0，觸發(fā)PLC聲光報警；

o當抓斗負載率>95%持續(xù)3s，自動向機器人發(fā)送減速指令（Byte12=0x02）；

o統(tǒng)計每班次（8h）抓取次數(shù)，存儲于網(wǎng)關NAND Flash，掉電保持10年。

4.PLC編程

·在TIA中新建DB100“RobotData”，定義結(jié)構(gòu)體：X REAL、Y REAL、Z REAL、Load BYTE、Temp BYTE、ErrCode BYTE；

·使用“DeviceStates”指令輪詢網(wǎng)關狀態(tài)，若診斷地址IW64 Bit15=1，則切換至備用卸船機；

·通過“TCON/TSEND/TRCV”與上位機SCADA通訊，將實時數(shù)據(jù)送至碼頭MIS系統(tǒng)，實現(xiàn)煤量統(tǒng)計、能耗分析。

5.聯(lián)調(diào)測試

·通訊測試：抓斗全速運行，PLC側(cè)觀察I/Q更新周期穩(wěn)定在8ms（ProfiNet幀間隔），DeviceNet Poll響應時間3.8ms，總環(huán)回延遲<20ms；

·壓力測試：連續(xù)72h高負荷作業(yè)，記錄總數(shù)據(jù)幀1.1×10^7次，丟包0次，CPU負載最大43%，溫度最高58℃；

·應急測試：人為拔掉DeviceNet終端電阻，網(wǎng)關0.3s內(nèi)觸發(fā)“Bus-Off”報警，PLC立即停機并點亮塔燈；重新插回后3s自動恢復，無需重啟；

·電磁兼容測試：在卸船機變頻器輸出側(cè)施加±4kV EFT，網(wǎng)關ProfiNet口未出現(xiàn)Link-Down，通訊保持正常，符合IEC 61000-4-4 A級。

總結(jié)

本案例充分驗證了遠創(chuàng)智控YC-DNTM-PN協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關在發(fā)電廠高粉塵、高電磁干擾環(huán)境下的可靠性與實時性。通過“ProfiNet—DeviceNet”雙從站無縫橋接，不僅解決了庫卡機器人與西門子S7-1200的協(xié)議矛盾，還借助邊緣計算與遠程診斷功能，顯著提升了輸煤系統(tǒng)的自動化水平和運維效率，為港口、礦山、化工等同類場景提供了可復制、可推廣的成熟范式。

審核編輯 黃宇