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基于PLC的煤码头控制系统的研究与实现

朋礼常 赵虎
摘要: 介绍了煤码头皮带机集中控制系统的结构设计，叙述了控制系统的主要功能及特点，并描述了控制系统通讯的实现以及网络通讯在开发集中监控和管理系统中的应用。
关键词：码头控制系统；PLC；IFIX；PROFIBUS；无线工业以太网
：K826： A
0、 引言
该煤码头岸线总长约560米，总投资超过15亿元。该项目建成投产后年吞吐量可达2000万吨。该码头主要为附近地区提供公用煤炭运输服务，将有效缓解该地区煤炭公用码头接卸能力不足的矛盾。该自动控制系统针对码头现场设备数量多、分布广、设备维护困难等特点，综合运用Profibus现场总线和无线工业以太网技术，采用集中管理的控制模式，保证了系统稳定、可靠的运行。
1、系统概述
1.1工程概况
该煤码头一期工程工艺设备主要包括16条带式输送机，2台桥式抓斗卸船机，4台斗轮堆取料机，2台皮带式电子秤，3套刮水器， 11套三通电动挡板、以及一套喷洒水系统和若干高杆灯等组成。系统设备I/O总点数1800多点。
1.2控制工艺
本控制系统包括3种工艺流程：
卸船->堆场
卸船->装船
卸船-装车
根据以上几种工艺流程，整个系统共分18条基本流程。
1.3控制系统结构
该码头自动控制系统以PLC为控制核心，通过现场检测元件、远程站、监控工作站、工业电视系统和自动广播系统完成对各个设备的顺序启动、停止和状态监控。整个自动控制系统网络分信息层、控制层和设备层三层。控制系统原理图如图1所示。
图1控制系统原理图
1) 信息层
系统采用Clint/Server结构，由1台SERVER和3台Clint客户机组成。系统利用以太网将SERVER服务器、Clint客户机、可编程控制器以及生产管理系统有效的连接起来。SERVER通过ModBus TCP/IP与可编程控制器进行数据交换，并将现场电子称流量值及累计量值等有效信息存入数据库服务器中供生产管理系统使用。同时Client经Server与外界进行信息的交换，中控操作员通过操作Client客户机对现场进行有效的监控和管理。
2) 控制层
系统可编程控制器采用施耐德 Quntum系列PLC，PLC与远程分站通过Profibus-DP连接起来，组成安全、高效、可靠的控制网络。PLC与卸船机、斗轮机等移动的大机之间采用无线工业以太网的方式代替以往的硬线进行连锁信号的交换，避免了由于大机移动而造成硬线损坏，从而大大方便了系统的维护。
3) 设备层
设备层包括现场的拉线开关、跑偏开关、打滑开关、料堵开关、撕裂开关等现场检测元件。现场检测元件监测现场设备的运行状态，并输出开关信号传送至现场I/O模块。控制器通过检测元件监测到的设备信息来控制皮带运输机的启/停、正反转以及电动三通阀门的开启等。
2控制系统功能
本控制系统功能主要包括：现场控制设备的手动控制操作以及故障处理；现场设备的远程控制及工艺流程的选择、启动和停止；流程设备的状态及工艺流程的实时监视、显示、报警；电子称等实时信号的自动采集和图形显示；喷洒水系统、高杆灯等设备的控制以及与卸船机、斗轮机、装船机等大机联锁信号的交换等。
本控制系统监控软件采用GE Fanuc公司的IFIX组态软件[1]，监控系统主要包括主画面、流程选择画面、现场设备单机画面等。
2.1系统控制方式
系统提供三种控制方式：手动控制、PLC集中手动、PLC自动控制。通过切换设在MCC柜或现场操作柱上的转换开关来改变系统的控制方式。
1）手动控制。手动控制方式用于设备单机调试，当MCC柜上的转换开关切换到“现场”位置时，手动控制方式生效。操作员可以通过MCC柜子上控制按钮来控制皮带运输机的启动、停止以及正反转。当现场操作柱上的转换开关切换到“现场”时，操作员可以在现场控制三通挡板以及刮水器等设备的运行。
2）PLC集中手动。PLC集中手动控制方式用于设备调试或某个控制设备故障复位后需要中控室单动时使用。当MCC柜或现场操作柱上的转换开关切换到“远程”时，该控制方式才能生效。操作员通过点击中控室上位机操作界面上的操作按钮来控制现场设备的单机运行。
3）PLC自动控制。PLC自动控制方式是控制系统的主要运行方式。当MCC柜和现场操作柱上的转换开关均切换到“远程”时该控制方式生效。操作员可在上位机对生产流程进行设定、预选、选择、启动、停止等工作。在该控制方式下各个设备之间具有联锁功能，系统能够自动记录流程的工作状态、设备的故障情况等。
2.2系统操作
系统的操作主要在上位监控系统上完成，主要包括流程的选择、启动、停止、报警等。
1）流程选择。流程的选择根据作业需要，选取流程流向信息，则流程会自动列出来供操作员进行选择。如果所选设备有故障或电源不通，或所选设备正在使用则会产生错误信息。
2）流程的启动。当确认流程，点击主画面启动按钮则流程中设备会按照逆物流方向顺序启动。
3）流程的停止。流程停止包括流程顺停、流程故障停止、以及中控急停三种类型。
a.流程顺停。点击主画面停止按钮则流程中设备按物流方向停机。既：上游设备先停机，之后依次向下停止所有设备。
b.流程故障停止。当流程在运行过程中，某个设备发生故障，则按照设备联锁关系，故障设备下游的设备不停机，上游设备立即停机。
c.中控急停。当现场发生重大事故时，点击主画面紧停按钮，则全场设备都立即停止。
d.系统报警。当现场设备发生故障时，系统就会发出声光报警，并将报警信息传至数据库中，生成设备故障表。
e.与管理系统通讯。上位监控系统将从PLC中获得的现场电子称实时数据通过ODBC传送至管理系统数据库中。
3 系统关键技术的实现
由于本系统采用分布式结构，因此PLC主站与I/O分站的通讯，PLC与各个大机的通讯就变得尤为重要。这关系到整个控制系统能否正常的运行
3.1 PLC与I/O站的通讯
PLC与现场I/O站之间通过Profibus-DP连接，本系统DP模块选用PROSOFT公司的Profibus-DP模块，I/O分站由TURCK BL67现场总线模块组成。先设置BL67耦合器的地址，再用D9T接头将BL67耦合器连接至Profibus-DP网络中，完成上述连接后用PCB软件配置PTQ和BL67模块，保存配置文件并将配置文件导入UNITY中，则PLC与I/O通讯的软硬件配置已完成[2]。
3.2 PLC与大机的通讯
PLC与大机采用无线工业以太网通讯，主要是查询大机的工作状态以及实现一些联锁信号的交换，防止大机出现通讯故障时造成地面皮带堆煤或压死的情况发生。系统采用无线传输技术传输联锁信号，避免了传统的用硬线联锁造成的接线复杂以及由于大机的频繁移动而造成硬线寿命短、维护难等缺点，大大提高了系统的运行效率，降低了系统的维护成本。
系统选用140 NOE 771 11以太网通讯模块,以太网通讯采用I/O Scanner方式，采用该方式不需要写专门的通讯程序，只需在Unity Pro中进行简单的配置即可，这样使通讯变的更加简单、灵活、可读性强。
4 结论
本控制系统是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。从系统结构、软件及主要技术环节的设计上，都是合理先进的。实现了生产过程的自动控制与管理，提高了生产效率，上位监控系统人机界面友好，操作简单。完成了实时与生产管理系统的数据传输。整个系统总结特点如下：
1）实现了分布式控制。它使得系统控制危险性分散、可靠性高、投资减小、维护方便。
2) 强大的网络功能构成的集中监控和管理系统完成了工业现场的实时信息集成和应用。实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化，系统运行可靠。
3）采用多种网络通信技术，这是系统的关键技术，它使得控制与管理都具实时性。
4）先进、可靠的客户机/服务器（CLIENT/SERVER）模式的应用使系统运转可靠、数据分布合理、操作速度快、人机界面友好、使用方便。
参考文献
[1].GE Fanuc 公司.IFIX用户手册.
[2]. 图尔克天津传感器有限公司. PROFIBUS Configuration Schneider Quantum Hot standby,2007.
城市建设理论研究2014年11期
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